Mis on DNA molekuli struktuur? DNA organiseerituse struktuur ja tasemed

Molekulaargeneetika – geneetika haru, mis tegeleb pärilikkuse uurimisega molekulaarsel tasandil.

Nukleiinhapped. DNA replikatsioon. Malli sünteesi reaktsioonid

Nukleiinhapped (DNA, RNA) avastas 1868. aastal Šveitsi biokeemik I.F. Misher. Nukleiinhapped on lineaarsed biopolümeerid, mis koosnevad monomeeridest - nukleotiididest.

DNA – struktuur ja funktsioonid

DNA keemilise struktuuri dešifreerisid 1953. aastal Ameerika biokeemik J. Watson ja inglise füüsik F. Crick.

DNA üldine struktuur. DNA molekul koosneb 2 ahelast, mis on keerdunud spiraaliks (joonis 11) üksteise ümber ja ümber ühise telje. DNA molekulid võivad sisaldada 200 kuni 2x108 nukleotiidipaari. Mööda DNA heeliksit asuvad naabernukleotiidid üksteisest 0,34 nm kaugusel. Heeliksi täispööre sisaldab 10 aluspaari. Selle pikkus on 3,4 nm.

Riis. 11 . DNA struktuuri diagramm (kaksikheeliks)

DNA molekuli polümeersus. DNA molekul – bioploimeer koosneb kompleksühenditest – nukleotiididest.

DNA nukleotiidi struktuur. DNA nukleotiid koosneb 3 ühikust: ühest lämmastiku alustest (adeniin, guaniin, tsütosiin, tümiin); desoksüriboos (monosahhariid); fosforhappe jääk (joon. 12).

Lämmastikaluseid on 2 rühma:

    puriinid - adeniin (A), guaniin (G), mis sisaldavad kahte benseenitsüklit;

    pürimidiin - tümiin (T), tsütosiin (C), mis sisaldab ühte benseenitsüklit.

DNA sisaldab järgmist tüüpi nukleotiide: adeniin (A); guaniin (G); tsütosiin (C); tümiin (T). Nukleotiidide nimetused vastavad neid moodustavate lämmastikualuste nimedele: adeniini nukleotiid - lämmastiku alus adeniin; guaniini nukleotiid lämmastikku sisaldav alus guaniin; tsütosiin nukleotiid lämmastikalus tsütosiin; tümiini nukleotiid lämmastikku sisaldav alus tümiin.

Kahe DNA ahela ühendamine üheks molekuliks

Ühe ahela nukleotiidid A, G, C ja T on ühendatud vastavalt teise ahela nukleotiididega T, C, G ja A vesiniksidemed. A ja T vahel moodustub kaks vesiniksidet ning G ja C vahel kolm vesiniksidet (A=T, G≡C).

Aluste (nukleotiidide) paare A–T ja G–C nimetatakse komplementaarseteks, st vastastikku vastavateks. Vastastikune täiendavus- see on nukleotiidide keemiline ja morfoloogiline vastavus üksteisele paaris DNA ahelates.

5 ’ 3 ’

1 2 3

3’ 5’

Riis. 12 DNA kaksikheeliksi lõik. Nukleotiidi struktuur (1 – fosforhappe jääk; 2 – desoksüriboos; 3 – lämmastikalus). Nukleotiidide ühendamine vesiniksidemete abil.

Ahelad DNA molekulis antiparalleelne, see tähendab, et need on suunatud vastassuundadesse, nii et ühe ahela 3' ots asub teise ahela 5' otsa vastas. Geneetiline informatsioon DNA-s on kirjutatud suunas 5' otsast 3' otsa. Seda ahelat nimetatakse meele-DNA-ks,

sest siin asuvad geenid. Teine niit – 3’–5’ toimib geneetilise teabe salvestamise standardina.

Seos erinevate aluste arvu vahel DNA-s tuvastas E. Chargaff 1949. aastal. Chargaff leidis, et erinevate liikide DNA-s on adeniini hulk võrdne tümiini kogusega ja guaniini kogus tsütosiin.

E. Chargaffi reegel:

    DNA molekulis on A (adeniini) nukleotiidide arv alati võrdne T (tüümiin) nukleotiidide arvuga või ∑ A suhtega ∑ T = 1. G (guaniini) nukleotiidide summa on võrdne C (tsütosiini) nukleotiidide summaga või ∑ G ja ∑ C suhtega = 1;

    puriini aluste summa (A+G) on võrdne pürimidiinaluste (T+C) summaga või ∑ (A+G) ja ∑ (T+C) = 1 suhtega;

DNA sünteesi meetod – replikatsioon. Replikatsioon on DNA molekuli eneseduplikatsiooni protsess, mis viiakse läbi tuumas ensüümide kontrolli all. Tekib DNA molekuli enesega rahulolu põhinevad vastastikusel täiendavusel– nukleotiidide range vastavus üksteisele paaris DNA ahelates. Replikatsiooniprotsessi alguses kerib DNA molekul teatud piirkonnas lahti (despiraalid) (joonis 13) ja vabanevad vesiniksidemed. Igal ahelal, mis moodustub pärast vesiniksidemete purunemist ensüümi osalusel DNA polümeraasid sünteesitakse DNA tütarahel. Sünteesi materjaliks on rakkude tsütoplasmas sisalduvad vabad nukleotiidid. Need nukleotiidid on joondatud komplementaarselt kahe ema DNA ahela nukleotiididega. DNA polümeraasi ensüüm seob komplementaarsed nukleotiidid DNA matriitsi ahelaga. Näiteks nukleotiidile A polümeraas lisab matriitsi ahelale nukleotiidi T ja vastavalt nukleotiidile G - nukleotiidile C (joonis 14). Komplementaarsete nukleotiidide ristsidumine toimub ensüümi abil DNA ligaasid. Seega sünteesitakse kaks DNA tütarahelat isesuplikatsiooni teel.

Ühest DNA molekulist saadud kaks DNA molekuli on poolkonservatiivne mudel, kuna need koosnevad vanast emast ja uuest tütarahelast ning on emamolekuli täpne koopia (joonis 14). Replikatsiooni bioloogiline tähendus seisneb päriliku teabe täpses ülekandmises emamolekulilt tütarmolekulile.

Riis. 13 . DNA molekuli unspiraliseerimine ensüümi abil

1

Riis. 14 . Replikatsioon on kahe DNA molekuli moodustumine ühest DNA molekulist: 1 – tütar-DNA molekul; 2 – ema (vanema) DNA molekul.

DNA polümeraasi ensüüm saab liikuda mööda DNA ahelat ainult 3’ –> 5’ suunas. Kuna komplementaarsed ahelad DNA molekulis on suunatud vastassuunas ja DNA polümeraasi ensüüm saab liikuda mööda DNA ahelat ainult 3’–>5’ suunas, siis uute ahelate süntees toimub antiparalleelselt ( antiparallelismi põhimõtte järgi).

DNA lokaliseerimiskoht. DNA-d leidub raku tuumas ning mitokondrite ja kloroplastide maatriksis.

DNA kogus rakus on konstantne ja moodustab 6,6x10 -12 g.

DNA funktsioonid:

    Geneetilise informatsiooni säilitamine ja edastamine põlvkondade kaupa molekulidele ja - RNA-le;

    Struktuurne. DNA on kromosoomide struktuurne alus (kromosoom koosneb 40% DNA-st).

DNA liigispetsiifilisus. DNA nukleotiidide koostis on liigikriteerium.

RNA, struktuur ja funktsioonid.

Üldine struktuur.

RNA on lineaarne biopolümeer, mis koosneb ühest polünukleotiidahelast. RNA-l on primaarsed ja sekundaarsed struktuurid. RNA primaarstruktuur on üheahelaline molekul ja sekundaarstruktuur on ristikujuline ja iseloomulik t-RNA-le.

RNA molekuli polümeersus. RNA molekul võib sisaldada 70 nukleotiidi kuni 30 000 nukleotiidi. RNA moodustavad nukleotiidid on järgmised: adenüül (A), guanüül (G), tsütidüül (C), uratsiil (U). RNA-s asendatakse tümiini nukleotiid uratsiiliga (U).

RNA nukleotiidi struktuur.

RNA nukleotiid sisaldab 3 ühikut:

    lämmastikalus (adeniin, guaniin, tsütosiin, uratsiil);

    monosahhariid - riboos (riboos sisaldab hapnikku iga süsinikuaatomi juures);

    fosforhappe jääk.

RNA sünteesi meetod – transkriptsioon. Transkriptsioon, nagu ka replikatsioon, on matriitsi sünteesi reaktsioon. Maatriks on DNA molekul. Reaktsioon kulgeb vastavalt komplementaarsuse põhimõttele ühel DNA ahelal (joonis 15). Transkriptsiooniprotsess algab DNA molekuli despiraliseerimisega kindlas kohas. Transkribeeritud DNA ahel sisaldab promootor - DNA nukleotiidide rühm, millest algab RNA molekuli süntees. Promootori külge kinnitub ensüüm RNA polümeraas. Ensüüm aktiveerib transkriptsiooniprotsessi. Komplementaarsuse põhimõtte kohaselt valmivad raku tsütoplasmast transkribeeritud DNA ahelasse tulevad nukleotiidid. RNA polümeraas aktiveerib nukleotiidide joondamise üheks ahelaks ja RNA molekuli moodustumist.

Transkriptsiooniprotsessis on neli etappi: 1) RNA polümeraasi seondumine promootoriga; 2) sünteesi algus (initsiatsioon); 3) elongatsioon – RNA ahela kasv, s.t nukleotiidid liidetakse üksteisele järjestikku; 4) terminatsioon – mRNA sünteesi lõpetamine.

Riis. 15 . Transkriptsiooni skeem

1 – DNA molekul (kaksikhel); 2 – RNA molekul; 3-koodonid; 4 – promootor.

1972. aastal avaldasid Ameerika teadlased - viroloog H.M. Temin ja molekulaarbioloog D. Baltimore avastasid kasvajarakkudes viiruseid kasutades pöördtranskriptsiooni. Pöördtranskriptsioon- geneetilise teabe ümberkirjutamine RNA-st DNA-sse. Protsess toimub ensüümi abil pöördtranskriptaas.

RNA tüübid funktsiooni järgi

    Messenger RNA (i-RNA või m-RNA) kannab geneetilise informatsiooni DNA molekulist valgusünteesi kohta – ribosoomi. See sünteesitakse tuumas ensüümi RNA polümeraasi osalusel. See moodustab 5% kõigist raku RNA tüüpidest. mRNA sisaldab 300 nukleotiidi kuni 30 000 nukleotiidi (pikim ahel RNA-de seas).

    Transfer RNA (tRNA) transpordib aminohapped valgusünteesi kohta, ribosoomi. See on ristikujuline (joonis 16) ja koosneb 70–85 nukleotiidist. Selle kogus rakus moodustab 10-15% raku RNA-st.

Riis. 16. t-RNA ehituse skeem: A–G – vesiniksidemetega ühendatud nukleotiidide paarid; D – aminohappe kinnituskoht (aktseptorkoht); E – antikoodon.

3. Ribosomaalne RNA (r-RNA) sünteesitakse tuumas ja on osa ribosoomidest. Sisaldab umbes 3000 nukleotiidi. Moodustab 85% raku RNA-st. Seda tüüpi RNA-d leidub tuumas, ribosoomides, endoplasmaatilises retikulumis, kromosoomides, mitokondriaalses maatriksis ja ka plastiidides.

Tsütoloogia alused. Tüüpiliste probleemide lahendamine

Probleem 1

Kui palju tümiini ja adeniini nukleotiide sisaldab DNA, kui selles leidub 50 tsütosiini nukleotiidi, mis on 10% kõigist nukleotiididest.

Lahendus. DNA kaheahelalise komplementaarsuse reegli kohaselt on tsütosiin alati guaniiniga komplementaarne. 50 tsütosiini nukleotiidi moodustavad 10%, seega Chargaffi reegli kohaselt moodustavad 50 guaniini nukleotiidi ka 10% või (kui ∑C = 10%, siis ∑G = 10%).

C + G nukleotiidide paari summa on 20%

Nukleotiidipaari summa T + A = 100% – 20% (C + G) = 80%

Selleks, et teada saada, kui palju tümiini ja adeniini nukleotiide DNA-s on, peate tegema järgmise proportsiooni:

50 tsütosiini nukleotiidi → 10%

X (T + A) →80%

X = 50x80:10 = 400 tükki

Chargaffi reegli järgi ∑A= ∑T, seega ∑A=200 ja ∑T=200.

Vastus: tümiini ja adeniini nukleotiidide arv DNA-s on 200.

Probleem 2

Tümiini nukleotiidid DNA-s moodustavad 18% nukleotiidide koguarvust. Määrake DNA-s sisalduvate muud tüüpi nukleotiidide protsent.

Lahendus.∑Т=18%. Chargaffi reegli ∑T=∑A järgi moodustab seega ka adeniini nukleotiidide osakaal 18% (∑A=18%).

T+A nukleotiidide paari summa on 36% (18% + 18% = 36%). GiC nukleotiidide paari kohta on: G+C = 100% –36% = 64%. Kuna guaniin on alati tsütosiiniga komplementaarne, on nende sisaldus DNA-s võrdne,

st ∑ Г= ∑Ц=32%.

Vastus: guaniinisisaldus, nagu tsütosiin, on 32%.

Probleem 3

DNA 20 tsütosiini nukleotiidi moodustavad 10% nukleotiidide koguarvust. Mitu adeniini nukleotiidi on DNA molekulis?

Lahendus. DNA kaheahelalises ahelas on tsütosiini kogus võrdne guaniini kogusega, seetõttu on nende summa: C + G = 40 nukleotiidi. Leidke nukleotiidide koguarv:

20 tsütosiini nukleotiidi → 10%

X (nukleotiidide koguarv) →100%

X = 20x100:10 = 200 tükki

A+T=200 – 40=160 tk

Kuna adeniin on tümiiniga komplementaarne, on nende sisaldus võrdne,

st 160 tükki: 2=80 tükki või ∑A=∑T=80.

Vastus: DNA molekulis on 80 adeniini nukleotiidi.

Probleem 4

Lisage DNA parema ahela nukleotiidid, kui selle vasaku ahela nukleotiidid on teada: AGA – TAT – GTG – TCT

Lahendus. DNA parema ahela konstrueerimine piki antud vasakpoolset ahelat viiakse läbi vastavalt komplementaarsuse põhimõttele - nukleotiidide range vastavus üksteisele: adenoon - tümiin (A-T), guaniin - tsütosiin (G-C). Seetõttu peaksid DNA parema ahela nukleotiidid olema järgmised: TCT - ATA - CAC - AGA.

Vastus: DNA parema ahela nukleotiidid: TCT – ATA – TsAC – AGA.

Probleem 5

Kirjutage transkriptsioon üles, kui transkribeeritud DNA ahelal on järgmine nukleotiidide järjestus: AGA - TAT - TGT - TCT.

Lahendus. MRNA molekul sünteesitakse vastavalt komplementaarsuse põhimõttele DNA molekuli ühel ahelal. Me teame nukleotiidide järjekorda transkribeeritud DNA ahelas. Seetõttu on vaja ehitada komplementaarne mRNA ahel. Tuleb meeles pidada, et tümiini asemel sisaldab RNA molekul uratsiili. Seega:

DNA ahel: AGA – TAT – TGT – TCT

mRNA ahel: UCU – AUA – ACA – AGA.

Vastus: i-RNA nukleotiidjärjestus on järgmine: UCU – AUA – ACA – AGA.

Probleem 6

Kirjutage üles pöördtranskriptsioon, st konstrueerige kavandatud i-RNA fragmendi põhjal kaheahelalise DNA molekuli fragment, kui i-RNA ahelal on järgmine nukleotiidjärjestus:

GCG – ACA – UUU – UCG – TsGU – AGU – AGA

Lahendus. Pöördtranskriptsioon on DNA molekuli süntees, mis põhineb mRNA geneetilisel koodil. DNA molekuli kodeerival mRNA-l on järgmine nukleotiidide järjestus: GCH - ACA - UUU - UCG - TsGU - AGU - AGA. Sellele komplementaarne DNA ahel on: CGC – TGT – AAA – AGC – GCA – TCA – TCT. Teine DNA ahel: HCH-ACA-TTT-TCG-CHT-AGT-AGA.

Vastus: pöördtranskriptsiooni tulemusena sünteesiti DNA molekuli kaks ahelat: CGC - TTG - AAA - AGC - GCA - TCA ja GCH - ACA - TTT - TCG - CGT - AGT - AGA.

Geneetiline kood. Valkude biosüntees.

Gene– DNA molekuli osa, mis sisaldab geneetilist teavet ühe konkreetse valgu primaarstruktuuri kohta.

Geeni ekson-introni struktuureukarüootid

    promootor– DNA osa (kuni 100 nukleotiidi pikkune), millele ensüüm kinnitub RNA polümeraas, vajalik transkriptsiooniks;

2) reguleeriv tsoon– geenide aktiivsust mõjutav tsoon;

3) geeni struktuurne osa– geneetiline teave valgu primaarse struktuuri kohta.

DNA nukleotiidide järjestus, mis kannab geneetilist teavet valgu primaarse struktuuri kohta - ekson. Need on ka osa mRNA-st. DNA nukleotiidide järjestus, mis ei kanna geneetilist teavet valgu primaarstruktuuri kohta - intron. Need ei ole osa mRNA-st. Transkriptsiooni käigus lõigatakse i-RNA-st välja intronite koopiad spetsiaalsete ensüümide abil ja eksonite koopiad õmmeldakse kokku, moodustades i-RNA molekuli (joonis 20). Seda protsessi nimetatakse splaissimine.

Riis. 20 . Splaissimise muster (küpse mRNA moodustumine eukarüootides)

Geneetiline kood - nukleotiidjärjestuste süsteem DNA või RNA molekulis, mis vastab polüpeptiidahela aminohapete järjestusele.

Geneetilise koodi omadused:

    Kolmik(ACA – GTG – GCH…)

Geneetiline kood on kolmik, kuna iga 20 aminohapet on kodeeritud kolmest nukleotiidist koosneva järjestusega ( kolmik, koodon).

Nukleotiidi kolmikuid on 64 tüüpi (4 3 = 64).

    Unikaalsus (spetsiifilisus)

Geneetiline kood on üheselt mõistetav, sest iga üksik nukleotiidi kolmik (koodon) kodeerib ainult ühte aminohapet või üks koodon vastab alati ühele aminohappele (tabel 3).

    Paljusus (liigsus või degeneratsioon)

Sama aminohapet võivad kodeerida mitmed kolmikud (2 kuni 6), kuna valke moodustavaid aminohappeid on 20 ja kolmikut 64.

    Järjepidevus

Geneetilise teabe lugemine toimub ühes suunas, vasakult paremale. Kui üks nukleotiid läheb kaduma, siis lugemisel võtab selle koha sisse lähim nukleotiid naabertripletilt, mis toob kaasa geneetilise informatsiooni muutumise.

    Mitmekülgsus

Geneetiline kood on ühine kõigile elusorganismidele ja samad kolmikud kodeerivad sama aminohapet kõigis elusorganismides.

    Sellel on algus- ja lõppkolmikud(alguskolmik - AUG, lõppkolmikud UAA, UGA, UAG). Seda tüüpi kolmikud ei kodeeri aminohappeid.

    Mittekattuvus (diskreetsus)

Geneetiline kood ei kattu, kuna sama nukleotiid ei saa samaaegselt olla osa kahest naabertripletist. Nukleotiidid võivad kuuluda ainult ühele kolmikule ja kui need ümber paigutada teiseks kolmikuks, muutub geneetiline informatsioon.

Tabel 3 – Geneetilise koodi tabel

Koodoni alused

Märkus: aminohapete lühendatud nimetused on antud vastavalt rahvusvahelisele terminoloogiale.

Valkude biosüntees

Valkude biosüntees - plastivahetuse tüüp rakus olevad ained, mis esinevad elusorganismides ensüümide toimel. Valkude biosünteesile eelnevad maatriksisünteesi reaktsioonid (replikatsioon – DNA süntees; transkriptsioon – RNA süntees; translatsioon – valgumolekulide kokkupanek ribosoomidele). Valkude biosünteesi protsessis on kaks etappi:

    transkriptsioon

    saade

Transkriptsiooni käigus kantakse tuuma kromosoomides paiknevas DNA-s sisalduv geneetiline informatsioon RNA molekulile. Transkriptsiooniprotsessi lõppedes siseneb mRNA tuumamembraanis olevate pooride kaudu raku tsütoplasmasse, paikneb 2 ribosoomi subühiku vahel ja osaleb valkude biosünteesis.

Tõlkimine on geneetilise koodi tõlkimine aminohapete järjestusse. Translatsioon toimub raku tsütoplasmas ribosoomidel, mis asuvad ER (endoplasmaatilise retikulumi) pinnal. Ribosoomid on sfäärilised graanulid keskmise läbimõõduga 20 nm, mis koosnevad suurtest ja väikestest subühikutest. MRNA molekul asub kahe ribosomaalse subühiku vahel. Translatsiooniprotsess hõlmab aminohappeid, ATP-d, mRNA-d, t-RNA-d ja ensüümi aminoatsüül-t-RNA süntetaasi.

koodon- DNA molekuli ehk mRNA osa, mis koosneb kolmest järjestikusest nukleotiidist, mis kodeerivad ühte aminohapet.

Antikoodon– t-RNA molekuli osa, mis koosneb kolmest järjestikusest nukleotiidist ja on komplementaarne i-RNA molekuli koodoniga. Koodonid on komplementaarsed vastavate antikoodonitega ja on nendega ühendatud vesiniksidemete abil (joonis 21).

Valkude süntees algab alguskoodon AUG. Sellest ribosoom

liigub mööda mRNA molekuli kolmik-tripleti haaval. Aminohappeid tarnitakse vastavalt geneetilisele koodile. Nende integreerimine ribosoomi polüpeptiidahelasse toimub t-RNA abil. t-RNA primaarstruktuur (ahel) muundub sekundaarstruktuuriks, mis meenutab kujult risti ja samas säilib selles nukleotiidide komplementaarsus. tRNA põhjas on aktseptorsait, mille külge on kinnitatud aminohape (joonis 16). Aminohapete aktiveerimine toimub ensüümi abil aminoatsüül-tRNA süntetaas. Selle protsessi olemus seisneb selles, et see ensüüm interakteerub aminohapete ja ATP-ga. Sel juhul moodustub kolmekomponentne kompleks, mida esindavad see ensüüm, aminohape ja ATP. Aminohape rikastatakse energiaga, aktiveeritakse ja omandab võime moodustada peptiidsidemeid naaberaminohappega. Ilma aminohapete aktiveerimise protsessita ei saa aminohapetest polüpeptiidahelat moodustada.

tRNA molekuli vastas, ülemine osa sisaldab nukleotiidide kolmikut antikoodon, mille abil tRNA kinnitatakse selle komplementaarse koodoni külge (joonis 22).

Esimene t-RNA molekul, mille külge on kinnitatud aktiveeritud aminohape, seob oma antikoodoni i-RNA koodoniga ja üks aminohape satub ribosoomi. Seejärel kinnitatakse teine ​​tRNA koos oma antikoodoniga mRNA vastava koodoniga. Sel juhul sisaldab ribosoom juba 2 aminohapet, mille vahel tekib peptiidside. Esimene tRNA lahkub ribosoomist niipea, kui see annetab aminohappe ribosoomi polüpeptiidahelale. Seejärel lisatakse dipeptiidile 3. aminohape, selle toob kaasa kolmas tRNA jne. Valkude süntees peatub ühel terminaalsel koodonil - UAA, UAG, UGA (joonis 23).

1 – mRNA koodon; koodonidUCGUCG; CUACUA; CGU -Central State University;

2– tRNA antikoodon; antikoodon GAT - GAT

Riis. 21 . Translatsioonifaas: mRNA koodon tõmbab tRNA antikoodoni külge vastavate komplementaarsete nukleotiidide (alustega)

Nukleiinhapped on mononukleotiididest koosnevad kõrgmolekulaarsed ained, mis on omavahel polümeeriahelas ühendatud 3", 5" fosfodiestersidemete abil ja on teatud viisil rakkudesse pakendatud.

Nukleiinhapped on kahte tüüpi biopolümeerid: ribonukleiinhape (RNA) ja desoksüribonukleiinhape (DNA). Iga biopolümeer koosneb nukleotiididest, mis erinevad süsivesikute jäägi (riboos, desoksüriboos) ja ühe lämmastikualuse (uratsiil, tümiin) poolest. Nende erinevuste järgi said nukleiinhapped oma nime.

Desoksüribonukleiinhappe struktuur

Nukleiinhapetel on primaarne, sekundaarne ja tertsiaarne struktuur.

DNA esmane struktuur

DNA esmane struktuur on lineaarne polünukleotiidahel, milles mononukleotiidid on ühendatud 3", 5" fosfodiestersidemetega. Nukleiinhappeahela kokkupanemise lähteaineks rakus on 5"-trifosfaatnukleosiid, mis β ja γ fosforhappejääkide eemaldamise tulemusena on võimeline siduma teise nukleosiidi 3" süsinikuaatomit. . Seega on ühe desoksüriboosi 3" süsinikuaatom kovalentselt seotud teise desoksüriboosi 5" süsinikuaatomiga ühe fosforhappejäägi kaudu ja moodustab nukleiinhappe lineaarse polünukleotiidahela. Sellest ka nimi: 3", 5" fosfodiestersidemed. Lämmastikalused ei osale ühe ahela nukleotiidide ühendamises (joonis 1.).

Selline seos ühe nukleotiidi fosforhappemolekuli jäägi ja teise süsivesikute vahel viib polünukleotiidi molekuli pentoos-fosfaatskeleti moodustumiseni, mille külge kinnituvad üksteise järel lämmastikualused. Nende paigutusjärjestus nukleiinhappemolekulide ahelates on rangelt spetsiifiline erinevate organismide rakkudele, s.t. on spetsiifilise iseloomuga (Chargaffi reegel).

Lineaarsel DNA ahelal, mille pikkus sõltub ahelas sisalduvate nukleotiidide arvust, on kaks otsa: ühte nimetatakse 3" otsaks ja see sisaldab vaba hüdroksüülrühma ning teist nimetatakse 5" otsaks ja see sisaldab fosforit. happejääk. Ahel on polaarne ja selle suund võib olla 5"->3" ja 3"->5". Erandiks on ringikujuline DNA.

DNA geneetiline "tekst" koosneb koodi "sõnadest" - nukleotiidide kolmikutest, mida nimetatakse koodoniteks. DNA sektsioone, mis sisaldavad teavet igat tüüpi RNA esmase struktuuri kohta, nimetatakse struktuurgeenideks.

Polünukleotiid-DNA ahelad saavutavad hiiglaslikud suurused, seega pakitakse need rakus teatud viisil.

DNA koostist uurides kehtestas Chargaff (1949) olulisi mustreid üksikute DNA aluste sisalduse osas. Need aitasid paljastada DNA sekundaarse struktuuri. Neid mustreid nimetatakse Chargaffi reegliteks.

Chargaffi reeglid

  1. puriini nukleotiidide summa on võrdne pürimidiini nukleotiidide summaga, st A+G / C+T = 1
  2. adeniinisisaldus on võrdne tümiinisisaldusega (A = T või A/T = 1);
  3. guaniinisisaldus on võrdne tsütosiini sisaldusega (G = C või G/C = 1);
  4. 6-aminorühmade arv on võrdne DNA-s sisalduvate aluste 6-ketorühmade arvuga: G + T = A + C;
  5. muutuv on ainult A + T ja G + C summa Kui A + T > G-C, siis see on AT tüüpi DNA; kui G+C > A+T, siis see on GC tüüpi DNA.

Need reeglid näitavad, et DNA konstrueerimisel tuleb jälgida üsna ranget vastavust (paarimist) mitte puriini ja pürimidiini aluste vahel üldiselt, vaid konkreetselt tümiini ja adeniini ning tsütosiini ja guaniini vahel.

Nendele reeglitele tuginedes pakkusid Watson ja Crick 1953. aastal välja DNA sekundaarstruktuuri mudeli, mida nimetatakse topeltheeliksiks (joonis).

DNA sekundaarne struktuur

DNA sekundaarstruktuur on kaksikheeliks, mille mudeli pakkusid välja D. Watson ja F. Crick 1953. aastal.

Eeldused DNA mudeli loomiseks

Esialgsete analüüside tulemusena arvati, et mis tahes päritolu DNA sisaldab kõiki nelja nukleotiidi võrdses molaarses koguses. Kuid 1940. aastatel näitasid E. Chargaff ja tema kolleegid mitmesugustest organismidest eraldatud DNA analüüsi tulemusena selgelt, et need sisaldavad lämmastiku aluseid erinevates kvantitatiivsetes suhetes. Chargaff leidis, et kuigi need suhted on sama organismi kõikide rakkude DNA puhul samad, võib eri liikide DNA teatud nukleotiidide sisalduse poolest märkimisväärselt erineda. See viitas sellele, et lämmastikualuste vahekordade erinevused võivad olla seotud mingisuguse bioloogilise koodiga. Kuigi üksikute puriini ja pürimidiini aluste suhe erinevates DNA proovides osutus erinevaks, ilmnes testitulemuste võrdlemisel teatud muster: kõigis proovides oli puriinide koguarv võrdne pürimidiinide koguarvuga (A + G = T + C), adeniini kogus oli võrdne tümiini kogusega (A = T) ja guaniini kogus on tsütosiini kogus (G = C). Imetajate rakkudest eraldatud DNA oli üldiselt adeniini ja tümiini poolest rikkam ning guaniini ja tsütosiini poolest suhteliselt vaesem, samas kui bakterite DNA oli guaniini ja tsütosiini poolest rikkam ning adeniini ja tümiini poolest suhteliselt vaesem. Need andmed moodustasid olulise osa faktilisest materjalist, mille põhjal ehitati hiljem DNA struktuuri Watson-Cricki mudel.

Teise olulise kaudse viite DNA võimaliku struktuuri kohta andsid L. Paulingi andmed valgumolekulide struktuuri kohta. Pauling näitas, et valgu molekulis on võimalikud mitmed erinevad stabiilsed aminohappeahela konfiguratsioonid. Üks levinud peptiidahela konfiguratsioon, α-heeliks, on korrapärane spiraalne struktuur. Selle struktuuriga on võimalik vesiniksidemete moodustumine ahela külgnevatel keerdudel paiknevate aminohapete vahel. Pauling kirjeldas 1950. aastal polüpeptiidahela α-spiraalset konfiguratsiooni ja tegi ettepaneku, et DNA molekulidel on tõenäoliselt spiraalne struktuur, mida hoiavad paigal vesiniksidemed.

Kõige väärtuslikumat teavet DNA molekuli struktuuri kohta andsid aga röntgendifraktsioonanalüüsi tulemused. DNA kristalli läbivad röntgenikiired läbivad difraktsiooni, see tähendab, et nad kalduvad teatud suundades. Kiirte läbipainde määr ja iseloom sõltuvad molekulide endi struktuurist. Röntgendifraktsioonipilt (joonis 3) annab kogenud silmale mitmeid kaudseid viiteid uuritava aine molekulide struktuuri kohta. DNA röntgendifraktsioonimustrite analüüs viis järeldusele, et lämmastiku alused (millel on lame kuju) on paigutatud nagu plaatide virn. Röntgendifraktsioonimustrid näitasid kolm peamist perioodi kristalse DNA struktuuris: 0,34, 2 ja 3,4 nm.

Watson-Cricki DNA mudel

Tuginedes Chargaffi analüütilistele andmetele, Wilkinsi röntgeni mustritele ja keemikute uuringutele, kes andsid teavet molekuli aatomite täpsete kauguste, antud aatomi sidemete vaheliste nurkade ja aatomite suuruse kohta. Crick hakkas DNA molekuli üksikute komponentide füüsilisi mudeleid teatud skaalal üles ehitama ja neid üksteisega “kohandama” nii, et saadud süsteem vastaks erinevatele katseandmetele. [saade] .

Juba varem oli teada, et DNA ahela naabernukleotiidid on ühendatud fosfodiestersildadega, mis seovad ühe nukleotiidi 5"-süsinik-desoksüriboosi aatomi järgmise nukleotiidi 3"-süsinik-desoksüriboosi aatomiga. Watsonil ja Crickil polnud kahtlust, et 0,34 nm periood vastab DNA ahela järjestikuste nukleotiidide vahelisele kaugusele. Lisaks võib eeldada, et periood 2 nm vastab ahela paksusele. Ja selleks, et selgitada, millisele tegelikule struktuurile vastab periood 3,4 nm, soovitasid Watson ja Crick, aga ka Pauling varem, et kett on keerdunud spiraali kujul (või täpsemalt moodustab spiraalse joone, kuna spiraal selle sõna otseses tähenduses saadakse siis, kui poolid moodustavad ruumis pigem koonilise kui silindrilise pinna). Siis vastab 3,4 nm periood selle spiraali järjestikuste pöörete vahelisele kaugusele. Selline spiraal võib olla väga tihe või mõnevõrra venitatud, see tähendab, et selle pöörded võivad olla tasased või järsud. Kuna periood 3,4 nm on täpselt 10-kordne järjestikuste nukleotiidide vaheline kaugus (0,34 nm), on selge, et iga heeliksi täielik pööre sisaldab 10 nukleotiidi. Nende andmete põhjal suutsid Watson ja Crick välja arvutada 2 nm läbimõõduga spiraaliks keerdunud polünukleotiidahela tiheduse, mille keerdude vahe on 3,4 nm. Selgus, et sellise ahela tihedus oleks poole väiksem DNA tegelikust tihedusest, mis oli juba teada. Pidin eeldama, et DNA molekul koosneb kahest ahelast – et tegemist on nukleotiidide topeltheeliksiga.

Järgmiseks ülesandeks oli loomulikult selgitada kahe kaksikheeliksi moodustava ahela ruumilised suhted. Olles proovinud mitmeid võimalusi ahelate paigutamiseks oma füüsilisel mudelil, leidsid Watson ja Crick, et kõik saadaolevad andmed sobivad kõige paremini variandiga, mille puhul kaks polünukleotiidheeliksi lähevad vastassuunas; sel juhul moodustavad kaksikheeliksi pinna suhkru- ja fosfaadijääkidest koosnevad ahelad ning sees paiknevad puriinid ja pürimidiinid. Üksteise vastas paiknevad, kahte ahelasse kuuluvad alused on paarikaupa ühendatud vesiniksidemetega; Just need vesiniksidemed hoiavad ahelaid koos, fikseerides seega molekuli üldise konfiguratsiooni.

DNA kaksikheeliksit võib ette kujutada köisredelina, mis on keerdunud spiraalselt, nii et selle pulgad jäävad horisontaalseks. Siis vastavad kaks pikisuunalist trossi suhkru- ja fosfaadijääkide ahelatele ning risttalad vastavad vesiniksidemetega ühendatud lämmastikaluste paaridele.

Võimalike mudelite edasise uurimise tulemusena jõudsid Watson ja Crick järeldusele, et iga "ristlatt" peaks koosnema ühest puriinist ja ühest pürimidiinist; Perioodil 2 nm (vastab kaksikheeliksi läbimõõdule) ei jätkuks ruumi kahele puriinile ja kaks pürimidiini ei saaks olla üksteisele piisavalt lähedal, et moodustada korralikke vesiniksidemeid. Üksikasjaliku mudeli põhjalik uurimine näitas, et adeniini ja tsütosiini, mis moodustavad sobiva suurusega kombinatsiooni, ei saa siiski paigutada nii, et nende vahele tekiks vesiniksidemeid. Sarnased teated sundisid välja jätma kombinatsiooni guaniin - tümiin, samas kui kombinatsioonid adeniin - tümiin ja guaniin - tsütosiin osutusid üsna vastuvõetavaks. Vesiniksidemete olemus on selline, et adeniin moodustab paari tümiiniga ja guaniin tsütosiiniga. See spetsiifilise aluste sidumise idee võimaldas selgitada "Chargaffi reeglit", mille kohaselt on mis tahes DNA molekulis adeniini kogus alati võrdne tümiini sisaldusega ja guaniini kogus on alati võrdne kogusega. tsütosiinist. Adeniini ja tümiini vahel moodustub kaks vesiniksidet ning guaniini ja tsütosiini vahel kolm. Selle spetsiifilisuse tõttu põhjustab vesiniksidemete moodustumine ühes ahelas iga adeniini vastu tümiini moodustumist teises ahelas; samamoodi võib iga guaniini vastas olla ainult tsütosiin. Seega on ahelad üksteisega komplementaarsed, see tähendab, et nukleotiidide järjestus ühes ahelas määrab unikaalselt nende järjestuse teises. Need kaks ahelat kulgevad vastassuundades ja nende terminaalsed fosfaatrühmad on topeltheeliksi vastasotstes.

Oma uurimistöö tulemusena pakkusid Watson ja Crick 1953. aastal välja DNA molekuli struktuuri mudeli (joonis 3), mis on aktuaalne tänapäevani. Mudeli järgi koosneb DNA molekul kahest komplementaarsest polünukleotiidahelast. Iga DNA ahel on polünukleotiid, mis koosneb mitmekümnest tuhandest nukleotiidist. Selles moodustavad naabernukleotiidid korrapärase pentoos-fosfaadi karkassi, mis on tingitud fosforhappejäägi ja desoksüriboosi ühendusest tugeva kovalentse sideme kaudu. Ühe polünukleotiidahela lämmastikualused on paigutatud rangelt määratletud järjekorras teise lämmastikualuste vastas. Lämmastikualuste vaheldumine polünukleotiidahelas on ebaregulaarne.

Lämmastikaluste paigutus DNA ahelas on komplementaarne (kreekakeelsest "komplement" - liitmine), st. Tümiin (T) on alati adeniini (A) vastu ja ainult tsütosiin (C) on guaniini (G) vastu. Seda seletatakse sellega, et A ja T, samuti G ja C vastavad üksteisele rangelt, s.t. täiendavad üksteist. Selle vastavuse määrab aluste keemiline struktuur, mis võimaldab puriini ja pürimidiini paaris moodustada vesiniksidemeid. A ja T vahel on kaks ühendust ning G ja C vahel kolm ühendust. Need sidemed tagavad DNA molekuli osalise stabiliseerimise ruumis. Topeltheeliksi stabiilsus on otseselt võrdeline G≡C sidemete arvuga, mis on stabiilsemad kui A=T sidemed.

Tuntud nukleotiidide järjestus ühes DNA ahelas võimaldab komplementaarsuse põhimõtte kohaselt määrata teise ahela nukleotiidid.

Lisaks on kindlaks tehtud, et aromaatse struktuuriga lämmastikualused vesilahuses paiknevad üksteise kohal, moodustades justkui müntide virna. Seda orgaaniliste molekulide virnade moodustamise protsessi nimetatakse virnastamiseks. Vaadeldava Watson-Cricki mudeli DNA molekuli polünukleotiidahelad on sarnase füüsikalis-keemilise olekuga, nende lämmastikualused on paigutatud müntide virna kujul, mille tasandite vahel tekivad van der Waalsi vastasmõjud (virnastamisinteraktsioonid).

Vesiniksidemed komplementaarsete aluste vahel (horisontaalselt) ja polünukleotiidahela aluste tasandite vahelised vastasmõjud van der Waalsi jõudude tõttu (vertikaalselt) tagavad DNA molekulile täiendava stabiliseerimise ruumis.

Mõlema ahela suhkrufosfaadi selgroog on suunatud väljapoole ja alused sissepoole, üksteise poole. DNA ahelate suund on antiparalleelne (üks neist on 5"->3", teine ​​- 3"->5", st ühe ahela 3" ots asub 5" otsa vastas. teine.). Ketid moodustavad ühise teljega parempoolsed spiraalid. Heeliksi üks pööre on 10 nukleotiidi, pöörde suurus on 3,4 nm, iga nukleotiidi kõrgus on 0,34 nm, spiraali läbimõõt on 2,0 nm. Ühe ahela pöörlemise tulemusena ümber teise moodustub DNA kaksikheeliksi suur soon (läbimõõduga umbes 20 Å) ja väike soon (läbimõõduga umbes 12 Å). Seda Watson-Cricki kaksikheeliksi vormi nimetati hiljem B-vormiks. Rakkudes eksisteerib DNA tavaliselt B-vormis, mis on kõige stabiilsem.

DNA funktsioonid

Kavandatav mudel selgitas desoksüribonukleiinhappe paljusid bioloogilisi omadusi, sealhulgas geneetilise teabe säilitamist ja geenide mitmekesisust, mida pakuvad laias valikus 4 nukleotiidi järjestikused kombinatsioonid, ning geneetilise koodi olemasolu fakti, võime isepaljuneda. ja edastavad replikatsiooniprotsessist saadud geneetilist teavet ja geneetilise teabe rakendamist valkude kujul, samuti mis tahes muid ensüümvalkude abil moodustunud ühendeid.

DNA põhifunktsioonid.

  1. DNA on geneetilise informatsiooni kandja, mille tagab geneetilise koodi olemasolu.
  2. Geneetilise teabe reprodutseerimine ja edastamine rakkude ja organismide põlvkondade vahel. Seda funktsiooni pakub replikatsiooniprotsess.
  3. Geneetilise teabe rakendamine valkude kujul, samuti kõik muud ensüümvalkude abil moodustunud ühendid. Seda funktsiooni pakuvad transkriptsiooni ja tõlkimise protsessid.

Kaheahelalise DNA organiseerimise vormid

DNA võib moodustada mitut tüüpi topeltheelikse (joonis 4). Praegu on teada juba kuus vormi (A-st E-ni ja Z-vormi).

DNA struktuursed vormid, nagu Rosalind Franklin tuvastas, sõltuvad nukleiinhappemolekuli küllastumisest veega. DNA kiudude uuringutes röntgendifraktsioonianalüüsiga selgus, et röntgenikiirgus sõltub radikaalselt suhtelisest õhuniiskusest, millisel veeküllastusastmel selle kiu puhul katse toimub. Kui kiud oli piisavalt veega küllastunud, tehti üks röntgenülesvõte. Kuivatamisel ilmnes hoopis teistsugune röntgenipilt, mis erines suuresti kõrge niiskusega kiudude röntgenpildist.

Kõrge niiskusega DNA molekuli nimetatakse B-vormiks. Füsioloogilistes tingimustes (madal soolakontsentratsioon, kõrge hüdratatsiooniaste) on DNA domineerivaks struktuuritüübiks B-vorm (kaheahelalise DNA põhivorm – Watson-Cricki mudel). Sellise molekuli spiraali samm on 3,4 nm. Ühe pöörde kohta on 10 täiendavat paari keerutatud müntide virnade kujul - lämmastikalused. Virnasid hoiavad koos vesiniksidemed kahe vastassuunalise virna "mündi" vahel ja need on "keeratud" kahe fosfodiesterkarkassi paelaga, mis on keeratud parempoolseks spiraaliks. Lämmastikku sisaldavate aluste tasandid on risti spiraali teljega. Külgnevaid komplementaarseid paare pööratakse üksteise suhtes 36°. Heeliksi läbimõõt on 20Å, puriini nukleotiid hõivab 12Å ja pürimidiini nukleotiid 8Å.

Madalama niiskusega DNA molekuli nimetatakse A-vormiks. A-vorm moodustub vähem kõrge hüdratatsiooni tingimustes ja suurema Na + või K + ioonide sisaldusega. Sellel laiemal parempoolsel spiraalsel konformatsioonil on 11 aluspaari pöörde kohta. Lämmastikku sisaldavate aluste tasapinnad on spiraali telje suhtes tugevama kaldega, need kalduvad normaalsest spiraali telje suhtes 20°. See tähendab 5Å läbimõõduga sisemise tühimiku olemasolu. Kõrvuti asetsevate nukleotiidide vaheline kaugus on 0,23 nm, pöörde pikkus on 2,5 nm ja spiraali läbimõõt on 2,3 nm.

Algselt peeti DNA A-vormi vähem tähtsaks. Hiljem sai aga selgeks, et DNA A-vormil, nagu ka B-vormil, on tohutu bioloogiline tähtsus. Matriitsi-praimeri kompleksi RNA-DNA heeliksil on A-vorm, samuti RNA-RNA heeliksi ja RNA juuksenõela struktuurid (riboosi 2'-hüdroksüülrühm takistab RNA molekulidel B-vormi moodustumist). DNA A-vormi leidub eostes. On kindlaks tehtud, et DNA A-vorm on UV-kiirte suhtes 10 korda vastupidavam kui B-vorm.

A- ja B-vormi nimetatakse DNA kanoonilisteks vormideks.

Vormid C-E ka paremakäelised, saab nende teket jälgida vaid spetsiaalsetes katsetes ja ilmselt neid in vivo ei eksisteeri. DNA C-vormil on B DNA-ga sarnane struktuur. Aluspaaride arv pöörde kohta on 9,33, spiraali pöörde pikkus on 3,1 nm. Aluspaarid on teljega risti asetseva nurga all 8 kraadise nurga all. Sooned on suuruselt sarnased B-DNA soontega. Sel juhul on põhisoon mõnevõrra madalam ja kõrvalsoon sügavam. Looduslikud ja sünteetilised DNA polünukleotiidid võivad muutuda C-vormiks.

Tabel 1. Teatud tüüpi DNA struktuuride omadused
Spiraalne tüüp A B Z
Spiraalne samm 0,32 nm 3,38 nm 4,46 nm
Spiraalne keerdumine Õige Õige Vasakule
Aluspaaride arv pöörde kohta 11 10 12
Alustasandite vaheline kaugus 0,256 nm0,338 nm0,371 nm
Glükosiidsideme konformatsioon antiantianti-C
sin-G
Furanoosi rõnga konformatsioon C3"-endoC2"-endoC3"-endo-G
C2"-endo-C
Soone laius, väike/suur 1,11/0,22 nm 0,57/1,17 nm0,2/0,88 nm
Soone sügavus, väike/suur 0,26/1,30 nm 0,82/0,85 nm1,38/0,37 nm
Spiraali läbimõõt 2,3 nm 2,0 nm 1,8 nm

DNA struktuurielemendid
(mittekanoonilised DNA struktuurid)

DNA struktuurielemendid hõlmavad ebatavalisi struktuure, mida piiravad mõned erijärjestused:

  1. Z-vormi DNA - moodustub B-vormi DNA kohtades, kus puriinid vahelduvad pürimidiinidega või metüülitud tsütosiini sisaldavates kordustes.
  2. Palindroomid on ümberpööratud järjestused, põhijärjestuste ümberpööratud kordused, millel on kahe DNA ahela suhtes teist järku sümmeetria ja mis moodustavad "juuksenõelad" ja "ristid".
  3. DNA H-vorm ja DNA kolmikheeliksid tekivad siis, kui tavalise Watson-Cricki dupleksi ühes ahelas on lõik, mis sisaldab ainult puriine ja teises ahelas vastavalt nendega komplementaarseid pürimidiine.
  4. G-kvadrupleks (G-4) on neljaahelaline DNA spiraal, kus 4 guaniini alust erinevatest ahelatest moodustavad G-kvartettid (G-tetrad), mida hoiavad koos vesiniksidemed, moodustades G-kvadruplekse.

Z-kujuline DNA avastati 1979. aastal heksanukleotiidi d(CG)3 - uurimisel. Selle avastasid MIT-i professor Alexander Rich ja tema kolleegid. Z-vormist on saanud DNA üks olulisemaid struktuurielemente, kuna selle teket on täheldatud DNA piirkondades, kus puriinid vahelduvad pürimidiinidega (näiteks 5'-GCGCGC-3'), või kordustes 5 "-CGCGCG-3", mis sisaldab metüülitud tsütosiini. Z-DNA moodustumise ja stabiliseerumise oluliseks tingimuseks oli puriini nukleotiidide olemasolu selles syn-konformatsioonis, vaheldumisi pürimidiini alustega antikonformatsioonis.

Looduslikud DNA molekulid eksisteerivad peamiselt paremakäelise B-vormina, välja arvatud juhul, kui need sisaldavad järjestusi nagu (CG)n. Kui aga sellised järjestused on osa DNA-st, võivad need lõigud, kui lahuse ioontugevus või katioonid, mis neutraliseerivad fosfodiestri raamistiku negatiivse laengu, muutuda Z-vormiks, samas kui teised DNA lõigud kett jääb klassikalisele B-vormile. Sellise ülemineku võimalus näitab, et kaks DNA kaksikheeliksi ahelat on dünaamilises olekus ja võivad üksteise suhtes lahti kerida, liikudes paremakäelisest vormist vasakukäelisse ja vastupidi. Sellise labiilsuse bioloogilised tagajärjed, mis võimaldavad DNA struktuuri konformatsioonilisi transformatsioone, ei ole veel täielikult teada. Arvatakse, et Z-DNA lõigud mängivad teatud rolli teatud geenide ekspressiooni reguleerimisel ja osalevad geneetilises rekombinatsioonis.

DNA Z-vorm on vasakpoolne kaksikheeliks, milles fosfodiesterkarkass paikneb siksakiliselt piki molekuli telge. Sellest ka molekuli nimi (siksak)-DNK. Z-DNA on looduses teadaolevalt kõige vähem keerdunud (12 aluspaari pöörde kohta) ja õhem DNA. Kõrvuti asetsevate nukleotiidide vaheline kaugus on 0,38 nm, pöörde pikkus on 4,56 nm ja Z-DNA läbimõõt on 1,8 nm. Lisaks eristub selle DNA molekuli välimus ühe soone olemasolust.

DNA Z-vormi on leitud prokarüootsetes ja eukarüootsetes rakkudes. Nüüd on saadud antikehad, mis suudavad eristada DNA Z-vormi B-vormist. Need antikehad seonduvad Drosophila (Dr. melanogaster) süljenäärmerakkude hiiglaslike kromosoomide teatud piirkondadega. Seondumisreaktsiooni on lihtne jälgida nende kromosoomide ebatavalise struktuuri tõttu, kus tihedamad piirkonnad (kettad) on kontrastiks vähem tihedate piirkondadega (vahekettad). Z-DNA piirkonnad asuvad interketastes. Sellest järeldub, et Z-vorm on looduslikes tingimustes tegelikult olemas, kuigi Z-vormi üksikute lõikude suurused on siiani teadmata.

(inverterid) on DNA kõige kuulsamad ja sagedamini esinevad alusjärjestused. Palindroom on sõna või fraas, mis loeb sama vasakult paremale ja vastupidi. Sellised sõnad või fraasid on näiteks: HUT, KASAKAS, UPUTUS JA ROOS KUKKUS AZORI KÄPALE. DNA lõikude puhul tähendab see termin (palindroom) sama nukleotiidide vaheldumist ahelas paremalt vasakule ja vasakult paremale (nagu tähed sõnas "onn" jne).

Palindroomi iseloomustab alusjärjestuste ümberpööratud korduste olemasolu, millel on kahe DNA ahela suhtes teist järku sümmeetria. Sellised järjestused on arusaadavatel põhjustel ennast täiendavad ja kipuvad moodustama juuksenõela või ristikujulisi struktuure (joonis 1). Juuksenõelad aitavad reguleerivatel valkudel tuvastada, kuhu kromosoomi DNA geneetiline tekst kopeeritakse.

Kui samas DNA ahelas esineb ümberpööratud kordus, nimetatakse seda järjestust peegelkorduseks. Peegelkordustel ei ole isekomplementaarsuse omadusi ja seetõttu ei ole need võimelised moodustama juuksenõela ega ristikujulisi struktuure. Seda tüüpi järjestusi leidub peaaegu kõigis suurtes DNA molekulides ja need võivad ulatuda mõnest aluspaarist mitme tuhande aluspaarini.

Palindroomide esinemine ristikujuliste struktuuride kujul eukarüootsetes rakkudes ei ole tõestatud, kuigi E. coli rakkudes on in vivo tuvastatud teatud arv ristikujulisi struktuure. Isekomplementaarsete järjestuste olemasolu RNA-s või üheahelalises DNA-s on nukleiinhappeahela voltimise peamine põhjus lahustes teatud ruumiliseks struktuuriks, mida iseloomustab paljude “juuksenõelade” moodustumine.

H-vormi DNA on kolmest DNA ahelast moodustunud spiraal – DNA kolmikheeliks. See on Watson-Cricki kaksikheeliksi kompleks, millel on kolmas üheahelaline DNA ahela, mis sobib selle peamisse soonde, moodustades nn Hoogsteeni paari.

Sellise tripleksi moodustumine toimub DNA kaksikheeliksi voltimise tulemusena nii, et pool selle lõigust jääb kaksikheeliksi kujule ja teine ​​pool eraldub. Sel juhul moodustab üks lahtiühendatud spiraalidest topeltheeliksi esimese poolega uue struktuuri - kolmikheeliksi ja teine ​​osutub struktureerimata, üheahelalise sektsiooni kujul. Selle struktuurse ülemineku tunnuseks on selle terav sõltuvus keskkonna pH-st, mille prootonid stabiliseerivad uut struktuuri. Selle tunnuse tõttu hakati uut struktuuri nimetama DNA H-vormiks, mille moodustumine avastati homopuriin-homopürimidiini piirkondi sisaldavates superkeerdunud plasmiidides, mis on peegelkordus.

Edasistes uuringutes tehti kindlaks, et on võimalik läbi viia mõnede homopuriin-homopürimidiini kaheahelaliste polünukleotiidide struktuurne üleminek kolmeahelalise struktuuri moodustamisega, mis sisaldab:

  • üks homopuriini ja kaks homopürimidiini ahelat ( Py-Pu-Py tripleks) [Hoogsteeni suhtlus].

    Py-Pu-Py tripleksi koostisplokid on kanoonilised isomorfsed CGC+ ja TAT triaadid. Tripleksi stabiliseerimiseks on vajalik CGC+ triaadi protoneerimine, mistõttu need tripleksid sõltuvad lahuse pH-st.

  • üks homopürimidiini ja kaks homopuriini ahelat ( Py-Pu-Pu tripleks) [Hoogsteeni vastupidine interaktsioon].

    Py-Pu-Pu tripleksi koostisosad on kanoonilised isomorfsed CGG ja TAA triaadid. Py-Pu-Pu triplekside oluline omadus on nende stabiilsuse sõltuvus kahekordselt laetud ioonide olemasolust ning erinevate järjestustega triplexide stabiliseerimiseks on vaja erinevaid ioone. Kuna Py-Pu-Pu triplekside moodustamine ei nõua nende koostises olevate nukleotiidide protoneerimist, võivad sellised tripleksid eksisteerida neutraalse pH juures.

    Märkus: Hoogsteeni otsene ja vastupidine interaktsioon on seletatav 1-metüültüümiini sümmeetriaga: 180° pöörlemisel O2 aatom asendab O4 aatomit, samas kui vesiniksidemete süsteem säilib.

Tuntud on kahte tüüpi kolmikheeliksid:

  1. paralleelsed kolmikheeliksid, milles kolmanda ahela polaarsus langeb kokku Watson-Cricki dupleksi homopuriini ahela polaarsusega
  2. antiparalleelsed kolmikheeliksid, milles kolmanda ja homopuriini ahela polaarsused on vastupidised.
Keemiliselt homoloogsed ahelad nii Py-Pu-Pu kui ka Py-Pu-Py triplexides on antiparalleelses orientatsioonis. Seda kinnitasid veel NMR-spektroskoopia andmed.

G-kvadrupleks- 4-ahelaline DNA. See struktuur moodustub nelja guaniini olemasolul, mis moodustavad nn G-kvadrupleksi – nelja guaniini ümartantsu.

Esimesed vihjed selliste struktuuride tekkimise võimaluse kohta saadi juba ammu enne Watsoni ja Cricki läbimurdetööd - juba 1910. aastal. Siis avastas saksa keemik Ivar Bang, et DNA üks komponentidest - guanosiinhape - moodustab suurtes kontsentratsioonides geelid, samas kui teistel DNA komponentidel see omadus puudub.

1962. aastal õnnestus röntgendifraktsioonimeetodil kindlaks teha selle geeli rakustruktuur. Selgus, et see koosneb neljast guaniinijäägist, mis ühendasid üksteist ringikujuliselt ja moodustasid iseloomuliku ruudu. Keskel on sidet toetav metalliioon (Na, K, Mg). Samad struktuurid võivad tekkida DNA-s, kui see sisaldab palju guaniini. Need lamedad ruudud (G-kvartetid) on virnastatud, et moodustada üsna stabiilsed tihedad struktuurid (G-kvadrupleksid).

Neljast eraldiseisvast DNA ahelast saab punuda neljaahelalisi komplekse, kuid see on pigem erand. Sagedamini seotakse üks nukleiinhappe ahel lihtsalt sõlme, moodustades iseloomulikud paksenemised (näiteks kromosoomide otstes) või kaheahelaline DNA mõnes guaniinirikkas piirkonnas moodustab lokaalse kvadrupleksi.

Enim on uuritud kvadruplekside olemasolu kromosoomide otstes – telomeerides ja kasvajapromootorites. Täielik pilt sellise DNA lokaliseerimisest inimese kromosoomides pole aga siiani teada.

Kõik need ebatavalised lineaarses vormis DNA struktuurid on võrreldes B-vormi DNA-ga ebastabiilsed. Kuid DNA eksisteerib sageli topoloogilise pinge ringikujulises vormis, kui sellel on nn superkeerdumine. Nendes tingimustes moodustuvad kergesti mittekanoonilised DNA struktuurid: Z-vormid, "ristid" ja "juuksenõelad", H-vormid, guaniini kvadrupleksid ja i-motiiv.

  • Superspireeritud vorm – märgitakse, kui see vabaneb raku tuumast, kahjustamata pentoosfosfaadi karkassi. Sellel on ülikeerutatud suletud rõngaste kuju. Superspiraalses olekus on DNA kaksikheeliks vähemalt korra "keeratud enda külge", see tähendab, et see sisaldab vähemalt ühte superpööret (võtab kaheksakujulise kuju).
  • DNA lõdvestunud olek – vaadeldakse ühe katkestusega (ühe ahela katkemine). Sel juhul superspiraalid kaovad ja DNA omandab suletud ringi kuju.
  • DNA lineaarset vormi täheldatakse, kui kaksikheeliksi kaks ahelat on katkenud.
Kõik kolm neist DNA vormidest on geelelektroforeesiga kergesti eraldatavad.

DNA tertsiaarne struktuur

DNA tertsiaarne struktuur moodustub topeltspiraalse molekuli ruumis täiendava keerdumise – selle ülikerimise – tulemusena. Erinevalt prokarüootidest toimub eukarüootsetes rakkudes DNA molekuli superkeerdumine valkudega komplekside kujul.

Peaaegu kogu eukarüootide DNA leidub tuumade kromosoomides, vaid väike kogus sisaldub mitokondrites ja taimedes plastiidides. Eukarüootsete rakkude (ka inimese kromosoomide) kromosoomide põhiaineks on kromatiin, mis koosneb kaheahelalisest DNA-st, histoonist ja mittehistoonilistest valkudest.

Histooni kromatiini valgud

Histoonid on lihtsad valgud, mis moodustavad kuni 50% kromatiinist. Kõigis uuritud looma- ja taimerakkudes leiti viis peamist histoonide klassi: H1, H2A, H2B, H3, H4, mis erinevad suuruse, aminohappe koostise ja laengu poolest (alati positiivsed).

Imetaja histoon H1 koosneb ühest polüpeptiidahelast, mis sisaldab ligikaudu 215 aminohapet; teiste histoonide suurused varieeruvad 100 kuni 135 aminohappe vahel. Kõik need on spiraalselt keeratud ja keerdunud umbes 2,5 nm läbimõõduga gloobuliteks ning sisaldavad ebatavaliselt suures koguses positiivselt laetud aminohappeid lüsiini ja arginiini. Histoonid võivad olla atsetüülitud, metüülitud, fosforüülitud, polü(ADP)-ribosüülitud ning histoonid H2A ja H2B on kovalentselt seotud ubikvitiiniga. Selliste modifikatsioonide roll histoonide struktuuri ja funktsioonide täitmisel ei ole veel täielikult välja selgitatud. Eeldatakse, et see on nende võime suhelda DNA-ga ja olla üks geenide toime reguleerimise mehhanismidest.

Histoonid interakteeruvad DNA-ga peamiselt ioonsidemete (soolasildade) kaudu, mis moodustuvad DNA negatiivselt laetud fosfaatrühmade ning histoonide positiivselt laetud lüsiini- ja arginiinijääkide vahel.

Mittehistoonilised kromatiini valgud

Mittehistoonvalgud on erinevalt histoonidest väga mitmekesised. Eraldatud on kuni 590 erinevat DNA-d siduvat mittehistooni valku. Neid nimetatakse ka happelisteks valkudeks, kuna nende struktuuris domineerivad happelised aminohapped (need on polüanioonid). Mittehistoonvalkude mitmekesisus on seotud kromatiini aktiivsuse spetsiifilise reguleerimisega. Näiteks võivad DNA replikatsiooniks ja ekspressiooniks vajalikud ensüümid seonduda kromatiiniga ajutiselt. Teised valgud, näiteks need, mis osalevad erinevates regulatoorsetes protsessides, seonduvad DNA-ga ainult spetsiifilistes kudedes või teatud diferentseerumisfaasides. Iga valk on komplementaarne spetsiifilise DNA nukleotiidide järjestusega (DNA sait). Sellesse rühma kuuluvad:

  • kohaspetsiifiliste tsingi sõrmevalkude perekond. Iga "tsink-sõrm" tunneb ära konkreetse saidi, mis koosneb 5 nukleotiidipaarist.
  • kohaspetsiifiliste valkude perekond – homodimeerid. Sellise DNA-ga kontaktis oleva valgu fragmendil on heeliksi-pöörd-heeliksi struktuur.
  • suure liikuvusega geelvalgud (HMG-valgud) on struktuursete ja regulatoorsete valkude rühm, mis on pidevalt seotud kromatiiniga. Nende molekulmass on alla 30 kDa ja neid iseloomustab kõrge laetud aminohapete sisaldus. Tänu oma madalale molekulmassile on HMG valkudel polüakrüülamiidgeelelektroforeesi ajal suur liikuvus.
  • replikatsiooni, transkriptsiooni ja parandamise ensüümid.

DNA ja RNA sünteesis osalevate struktuursete, regulatoorsete valkude ja ensüümide osalusel muundatakse nukleosoominiit valkude ja DNA tugevalt kondenseerunud kompleksiks. Saadud struktuur on 10 000 korda lühem kui algne DNA molekul.

Kromatiin

Kromatiin on valkude kompleks tuuma DNA ja anorgaaniliste ainetega. Suurem osa kromatiinist on passiivne. See sisaldab tihedalt pakitud, kondenseerunud DNA-d. See on heterokromatiin. On olemas konstitutiivne, geneetiliselt inaktiivne kromatiin (satelliit-DNA), mis koosneb ekspresseerimata piirkondadest, ja fakultatiivne - inaktiivne mitme põlvkonna jooksul, kuid teatud tingimustel on ekspressioonivõimeline.

Aktiivne kromatiin (euchromatiin) on kondenseerimata, st. pakitud vähem tihedalt. Erinevates lahtrites on selle sisaldus vahemikus 2 kuni 11%. Ajurakkudes on seda kõige rohkem - 10-11%, maksarakkudes - 3-4 ja neerurakkudes - 2-3%. Märgitakse eukromatiini aktiivset transkriptsiooni. Veelgi enam, selle struktuurne korraldus võimaldab teatud tüüpi organismile omast sama geneetilist DNA teavet kasutada spetsiaalsetes rakkudes erinevalt.

Elektronmikroskoobis meenutab kromatiini kujutis helmeid: umbes 10 nm suurused sfäärilised paksenemised, mida eraldavad niidilaadsed sillad. Neid sfäärilisi paksenemisi nimetatakse nukleosoomideks. Nukleosoom on kromatiini struktuuriüksus. Iga nukleosoom sisaldab 146 aluspaari pikkust superkeerdunud DNA segmenti, mis moodustab 1,75 vasakpööret nukleosoomi tuuma kohta. Nukleosomaalne tuum on histooni oktameer, mis koosneb histoonidest H2A, H2B, H3 ja H4, kahest igat tüüpi molekulist (joonis 9), mis näeb välja nagu 11 nm läbimõõduga ja 5,7 nm paksusega ketas. Viies histoon, H1, ei ole nukleosomaalse tuuma osa ega osale DNA histooni oktameerile kerimise protsessis. See puutub DNA-ga kokku kohtades, kus kaksikheeliks siseneb ja väljub nukleosoomi tuumast. Need on tuumadevahelised (linker) DNA lõigud, mille pikkus varieerub sõltuvalt rakutüübist 40 kuni 50 nukleotiidi paari. Sellest tulenevalt varieerub ka nukleosoomides sisalduva DNA fragmendi pikkus (186 kuni 196 nukleotiidipaari).

Nukleosoomid sisaldavad ligikaudu 90% DNA-st, ülejäänud on linkerid. Arvatakse, et nukleosoomid on "vaikse" kromatiini fragmendid ja linker on aktiivne. Nukleosoomid võivad aga lahti rulluda ja muutuda lineaarseks. Voldimata nukleosoomid on juba aktiivne kromatiin. See näitab selgelt funktsiooni sõltuvust struktuurist. Võib eeldada, et mida rohkem kromatiini globulaarsetes nukleosoomides sisaldub, seda vähem aktiivne see on. Ilmselgelt on erinevates rakkudes selliste nukleosoomide arvuga seotud puhkeoleku kromatiini ebavõrdne osakaal.

Elektronmikroskoopilistel fotodel võib kromatiin olenevalt isolatsioonitingimustest ja venitusastmest välja näha mitte ainult pika niidina, millel on paksenemised - nukleosoomide "helmed", vaid ka lühema ja tihedama fibrillina (kiuna), mille läbimõõt 30 nm, mille moodustumist täheldatakse DNA ja histooni H3 linkerpiirkonnaga seonduva histooni H1 interaktsiooni käigus, mis viib heeliksi täiendavale keerdumisele kuue nukleosoomi võrra pöörde kohta, moodustades 30 nm läbimõõduga solenoidi. Sel juhul võib histooni valk segada mitmete geenide transkriptsiooni ja seeläbi reguleerida nende aktiivsust.

DNA ülalkirjeldatud interaktsioonide tulemusena histoonidega muundatakse 186 aluspaarist koosnev DNA kaksikheeliksi segment keskmise läbimõõduga 2 nm ja pikkusega 57 nm 10 nm läbimõõduga spiraaliks. pikkus 5 nm. Kui see spiraal seejärel 30 nm läbimõõduga kiuks kokku surutakse, suureneb kondensatsiooniaste veel kuus korda.

Lõppkokkuvõttes põhjustab viie histooniga DNA dupleksi pakkimine DNA 50-kordse kondenseerumise. Kuid isegi nii kõrge kondenseerumisaste ei suuda seletada DNA peaaegu 50 000–100 000-kordset tihenemist metafaasi kromosoomis. Kahjuks pole kromatiini edasise pakendamise üksikasjad kuni metafaasi kromosoomini veel teada, seega saame arvestada ainult selle protsessi üldjoontega.

DNA tihendamise tasemed kromosoomides

Iga DNA molekul on pakitud eraldi kromosoomi. Inimese diploidsed rakud sisaldavad 46 kromosoomi, mis asuvad raku tuumas. Kõigi kromosoomide DNA kogupikkus rakus on 1,74 m, kuid tuuma läbimõõt, millesse kromosoomid on pakitud, on miljoneid kordi väiksem. Sellise DNA kompaktse pakendamise kromosoomidesse ja kromosoomidesse raku tuumas tagavad mitmesugused histooni ja mittehistooni valgud, mis interakteeruvad teatud järjestuses DNA-ga (vt eespool). DNA tihendamine kromosoomides võimaldab vähendada selle lineaarseid mõõtmeid ligikaudu 10 000 korda – ligikaudu 5 cm-lt 5 mikronile. Tihendamise tasemeid on mitu (joonis 10).

  • DNA kaksikheeliks on negatiivselt laetud molekul, mille läbimõõt on 2 nm ja pikkus mitu cm.
  • nukleosoomi tase- kromatiin näeb elektronmikroskoobis välja "helmeste" - nukleosoomide - "niidil" ahelana. Nukleosoom on universaalne struktuuriüksus, mida leidub nii eukromatiinis kui ka heterokromatiinis, faasidevahelises tuumas ja metafaasi kromosoomides.

    Nukleosomaalse tihendamise taseme tagavad spetsiaalsed valgud - histoonid. Kaheksa positiivselt laetud histooni domeeni moodustavad nukleosoomi tuuma, mille ümber on keritud negatiivselt laetud DNA molekul. See annab 7-kordse lühenemise, samal ajal kui läbimõõt suureneb 2 nm-lt 11 nm-le.

  • solenoidi tase

    Kromosoomide organiseerituse solenoidset taset iseloomustab nukleosoomi filamendi keerdumine ja 20-35 nm läbimõõduga paksemate fibrillide - solenoidide või superbidide - moodustumine. Solenoidi samm on 11 nm, ühe pöörde kohta on umbes 6-10 nukleosoomi. Solenoidpakkimist peetakse tõenäolisemaks kui superbid pakkimist, mille kohaselt 20-35 nm läbimõõduga kromatiini fibrill on graanulite ahel ehk superbid, millest igaüks koosneb kaheksast nukleosoomist. Solenoidi tasemel väheneb DNA lineaarne suurus 6-10 korda, läbimõõt suureneb 30 nm-ni.

  • silmuse tase

    Silmustaseme tagavad mittehistooni kohaspetsiifilised DNA-d siduvad valgud, mis tunnevad ära ja seonduvad spetsiifiliste DNA järjestustega, moodustades ligikaudu 30-300 kb pikkuseid silmuseid. Silmus tagab geeniekspressiooni, s.t. silmus pole mitte ainult struktuurne, vaid ka funktsionaalne moodustis. Lühenemine sellel tasemel toimub 20-30 korda. Läbimõõt suureneb 300 nm-ni. Tsütoloogilistes preparaatides võib näha silmusekujulisi struktuure, nagu „lambiharjad” kahepaiksete munarakkudes. Need silmused näivad olevat ülikeritud ja esindavad DNA domeene, mis tõenäoliselt vastavad transkriptsiooni ja kromatiini replikatsiooni ühikutele. Spetsiifilised valgud fikseerivad silmuste alused ja võib-olla ka mõned nende sisemised sektsioonid. Loop-like domeeniorganisatsioon soodustab kromatiini voltimist metafaasi kromosoomides kõrgema järgu spiraalseteks struktuurideks.

  • domeeni tasemel

    Kromosoomide organiseerituse domeenitaset pole piisavalt uuritud. Sellel tasemel täheldatakse silmusdomeenide moodustumist - 25-30 nm paksuste niitide (fibrillide) struktuurid, mis sisaldavad 60% valku, 35% DNA-d ja 5% RNA-d, on rakutsükli kõigis faasides praktiliselt nähtamatud. välja arvatud mitoos ja on jaotunud mõnevõrra juhuslikult raku tuumas. Tsütoloogilistes preparaatides võib näha silmusekujulisi struktuure, nagu „lambiharjad” kahepaiksete munarakkudes.

    Silmusdomeenid kinnituvad oma aluses tuumasisese valgumaatriksi külge niinimetatud sisseehitatud kinnituskohtades, mida sageli nimetatakse MAR/SAR järjestusteks (MAR, inglise maatriksiga seotud piirkonnast; SAR, inglise karkassi kinnituspiirkondadest) - DNA fragmendid, mille pikkus on mitusada aluspaari, mida iseloomustab kõrge A/T nukleotiidipaaride sisaldus (>65%). Igal domeenil näib olevat üks replikatsiooni alguspunkt ja see toimib autonoomse superheelilise üksusena. Iga silmusdomeen sisaldab palju transkriptsiooniühikuid, mille toimimine on tõenäoliselt koordineeritud – kogu domeen on kas aktiivses või passiivses olekus.

    Domeeni tasandil toimub järjestikuse kromatiini pakkimise tulemusena DNA lineaarsete mõõtmete vähenemine ligikaudu 200 korda (700 nm).

  • kromosomaalne tase

    Kromosomaalsel tasemel toimub propaaskromosoomi kondenseerumine metafaasi kromosoomiks koos silmusdomeenide tihendamisega mittehistoonvalkude aksiaalse raamistiku ümber. Selle ülikerimisega kaasneb kõigi rakus olevate H1 molekulide fosforüülimine. Selle tulemusena võib metafaasi kromosoomi kujutada tihedalt pakitud solenoidsilmustena, mis on keerdunud tihedaks spiraaliks. Tüüpiline inimese kromosoom võib sisaldada kuni 2600 silmust. Sellise struktuuri paksus ulatub 1400 nm-ni (kaks kromatiidi) ja DNA molekul lüheneb 104 korda, s.o. 5 cm venitatud DNA kuni 5 µm.

Kromosoomide funktsioonid

Koostoimes ekstrakromosomaalsete mehhanismidega annavad kromosoomid

  1. päriliku teabe säilitamine
  2. kasutades seda teavet mobiilsideorganisatsiooni loomiseks ja hooldamiseks
  3. päriliku teabe lugemise reguleerimine
  4. geneetilise materjali isepaljunemine
  5. geneetilise materjali ülekandmine emarakust tütarrakkudesse.

On tõendeid, et kui kromatiini piirkond on aktiveeritud, s.o. transkriptsiooni käigus eemaldatakse sellest pöörduvalt kõigepealt histoon H1 ja seejärel histooni oktett. See põhjustab kromatiini dekondensatsiooni, 30 nm kromatiini fibrillide järjestikuse ülemineku 10 nm fibrilliks ja selle edasise lahtivoltimise vaba DNA osadeks, s.o. nukleosoomi struktuuri kaotus.

Me kõik teame, et inimese välimus, mõned harjumused ja isegi haigused on päritud. Kogu see teave elusolendite kohta on kodeeritud geenidesse. Kuidas need kurikuulsad geenid välja näevad, kuidas nad toimivad ja kus nad asuvad?

Seega on iga inimese või looma kõigi geenide kandja DNA. Selle ühendi avastas Johann Friedrich Miescher aastal 1869. Keemiliselt on DNA desoksüribonukleiinhape. Mida see tähendab? Kuidas kannab see hape kogu meie planeedi elu geneetilist koodi?

Alustuseks vaatame, kus DNA asub. Inimese rakk sisaldab palju organelle, mis täidavad erinevaid funktsioone. DNA asub tuumas. Tuum on väike organell, mida ümbritseb spetsiaalne membraan ja milles on talletatud kogu geneetiline materjal – DNA.

Mis on DNA molekuli struktuur?

Kõigepealt vaatame, mis on DNA. DNA on väga pikk molekul, mis koosneb struktuurielementidest – nukleotiididest. Nukleotiide on 4 tüüpi – adeniin (A), tümiin (T), guaniin (G) ja tsütosiin (C). Nukleotiidide ahel näeb skemaatiliselt välja selline: GGAATTCTAAG... See nukleotiidide järjestus on DNA ahel.

DNA struktuuri dešifreerisid esmakordselt 1953. aastal James Watson ja Francis Crick.

Ühes DNA molekulis on kaks nukleotiidide ahelat, mis on spiraalselt üksteise ümber keerdunud. Kuidas need nukleotiidahelad koos püsivad ja spiraaliks keerduvad? See nähtus on tingitud komplementaarsuse omadusest. Komplementaarsus tähendab, et ainult teatud nukleotiidid (komplementaarsed) võivad olla kahes ahelas üksteise vastas. Seega on adeniini vastas alati tümiin ja guaniini vastas on alati ainult tsütosiin. Seega on guaniin komplementaarne tsütosiiniga, adeniin aga tümiiniga.Selliseid erinevates ahelates üksteise vastas olevaid nukleotiidipaare nimetatakse ka komplementaarseteks.

Seda saab skemaatiliselt näidata järgmiselt:

G-C
T-A
T-A
C-G

Need komplementaarsed paarid A - T ja G - C moodustavad keemilise sideme paari nukleotiidide vahel ning side G ja C vahel on tugevam kui A ja T vahel. Side tekib rangelt komplementaarsete aluste vahel, see tähendab moodustumist. mittekomplementaarse G ja A vahelise sideme loomine on võimatu.

DNA "pakendamine", kuidas saab DNA ahelast kromosoom?

Miks need DNA nukleotiidahelad ka üksteise ümber keerduvad? Miks see vajalik on? Fakt on see, et nukleotiidide arv on tohutu ja nii pikkade ahelate mahutamiseks on vaja palju ruumi. Sel põhjusel keerduvad kaks DNA ahelat spiraalselt üksteise ümber. Seda nähtust nimetatakse spiraliseerumiseks. Spiraliseerimise tulemusena lühenevad DNA ahelad 5-6 korda.

Mõnda DNA molekuli kasutab keha aktiivselt, teisi aga harva. Lisaks spiraliseerimisele läbivad sellised harva kasutatavad DNA molekulid veelgi kompaktsema "pakendi". Seda kompaktset pakendit nimetatakse superspiraaliks ja see lühendab DNA ahelat 25-30 korda!

Kuidas DNA heliksid pakendatakse?

Supercoiling kasutab histooni valke, millel on varda või niidirulli välimus ja struktuur. Nendele "mähistele" - histooni valkudele - keritakse DNA spiraalseid ahelaid. Seega pakitakse pikk niit väga kompaktselt ja võtab väga vähe ruumi.

Kui on vaja kasutada ühte või teist DNA molekuli, toimub "lahtikeeramise" protsess, see tähendab, et DNA ahel "keritakse lahti" "poolist" - histooni valk (kui see oli sellele keritud) ja keritakse lahti. spiraal kaheks paralleelseks ahelaks. Ja kui DNA molekul on sellises keerdumata olekus, siis saab sealt välja lugeda vajalikku geneetilist informatsiooni. Veelgi enam, geneetilist teavet loetakse ainult keerdumata DNA ahelatest!

Superspiraalkromosoomide komplekti nimetatakse heterokromatiin, ja teabe lugemiseks saadaolevad kromosoomid on eukromatiin.


Mis on geenid, milline on nende seos DNA-ga?

Vaatame nüüd, mis on geenid. On teada, et on olemas geenid, mis määravad veregrupi, silmade värvi, juuste, naha ja paljud muud meie keha omadused. Geen on DNA rangelt määratletud osa, mis koosneb teatud arvust nukleotiididest, mis on paigutatud rangelt määratletud kombinatsiooni. Asukoht rangelt määratletud DNA sektsioonis tähendab, et konkreetsele geenile määratakse oma koht ja seda kohta pole võimalik muuta. Kohalik on tuua järgmine võrdlus: inimene elab kindlal tänaval, kindlas majas ja korteris ning inimene ei saa vabatahtlikult kolida teise majja, korterisse või teisele tänavale. Teatud arv nukleotiide geenis tähendab, et igal geenil on kindel arv nukleotiide ja neid ei saa enam-vähem. Näiteks insuliini tootmist kodeeriv geen koosneb 60 nukleotiidipaarist; 370 nukleotiidipaari hormooni oksütotsiini tootmist kodeeriv geen.

Range nukleotiidjärjestus on iga geeni jaoks ainulaadne ja rangelt määratletud. Näiteks järjestus AATTAATA on insuliini tootmist kodeeriva geeni fragment. Insuliini saamiseks kasutatakse täpselt seda järjestust, näiteks adrenaliini saamiseks kasutatakse teistsugust nukleotiidide kombinatsiooni. Oluline on mõista, et ainult teatud nukleotiidide kombinatsioon kodeerib teatud "toodet" (adrenaliin, insuliin jne). Selline ainulaadne teatud arvu nukleotiidide kombinatsioon, mis seisab "oma kohal" - see on geen.

Lisaks geenidele sisaldab DNA ahel nn mittekodeerivaid järjestusi. Sellised mittekodeerivad nukleotiidjärjestused reguleerivad geenide talitlust, aitavad kaasa kromosoomide spiraliseerumisele ning tähistavad geeni algus- ja lõpp-punkti. Praeguseks on enamiku mittekodeerivate järjestuste roll siiski ebaselge.

Mis on kromosoom? Sugukromosoomid

Üksikisiku geenide kogumit nimetatakse genoomiks. Loomulikult ei saa kogu genoom ühes DNA-s sisalduda. Genoom on jagatud 46 paariks DNA molekule. Ühte DNA molekulide paari nimetatakse kromosoomiks. Seega on inimestel 46 neist kromosoomidest. Iga kromosoom kannab endas rangelt määratletud geenide komplekti, näiteks 18. kromosoom sisaldab geene, mis kodeerivad silmade värvi jne. Kromosoomid erinevad üksteisest pikkuse ja kuju poolest. Levinumad kujundid on X või Y, kuid on ka teisi kujundeid. Inimesel on kaks ühesuguse kujuga kromosoomi, mida nimetatakse paarideks. Selliste erinevuste tõttu on kõik paaris kromosoomid nummerdatud – neid on 23 paari. See tähendab, et on olemas kromosoomipaar nr 1, paar nr 2, nr 3 jne. Iga konkreetse tunnuse eest vastutav geen asub samas kromosoomis. Kaasaegsed juhised spetsialistidele võivad näidata geeni asukohta näiteks järgmiselt: kromosoom 22, pikk käsi.

Millised on kromosoomide erinevused?

Kuidas muidu kromosoomid üksteisest erinevad? Mida tähendab mõiste pikk õlg? Võtame kromosoomid kujul X. DNA ahelate ristumiskoht võib toimuda rangelt keskel (X) või mitte tsentraalselt. Kui selline DNA ahelate ristumiskoht ei toimu tsentraalselt, siis lõikepunkti suhtes on mõned otsad pikemad, teised vastavalt lühemad. Selliseid pikki otsi nimetatakse tavaliselt kromosoomi pikaks käeks ja lühikesi otsi lühikeseks käeks. Y-kujulistes kromosoomides on suurem osa kätest hõivatud pikkade kätega ja lühikesed on väga väikesed (neid pole skemaatilisel pildil isegi näidatud).

Kromosoomide suurus on erinev: suurimad on paaride nr 1 ja nr 3 kromosoomid, väikseimad paarid nr 17, nr 19.

Lisaks oma kujule ja suurusele erinevad kromosoomid ka funktsioonide poolest, mida nad täidavad. 23 paarist on 22 paari somaatilised ja 1 paar seksuaalsed. Mida see tähendab? Somaatilised kromosoomid määravad kindlaks kõik indiviidi välised omadused, tema käitumisreaktsioonide omadused, päriliku psühhotüübi, see tähendab iga üksiku inimese kõik tunnused ja omadused. Sugukromosoomipaar määrab inimese soo: mees või naine. Inimese sugukromosoome on kahte tüüpi: X (X) ja Y (Y). Kui need on kombineeritud kui XX (x - x) - see on naine ja kui XY (x - y) - meil on mees.

Pärilikud haigused ja kromosoomikahjustused

Küll aga toimuvad genoomi “lagunemised” ja siis avastatakse inimestel geneetilised haigused. Näiteks kui 21. kromosoomipaaris on kahe asemel kolm, sünnib inimene Downi sündroomiga.

Geneetilises materjalis on palju väiksemaid "lagunemisi", mis ei põhjusta haigusi, vaid vastupidi, annavad häid omadusi. Kõiki geneetilise materjali "lagunemisi" nimetatakse mutatsioonideks. Negatiivseteks loetakse mutatsioone, mis põhjustavad haigusi või organismi omaduste halvenemist, positiivseks aga mutatsioone, mis viivad uute kasulike omaduste tekkeni.

Enamiku haiguste puhul, mida inimesed tänapäeval põevad, ei ole aga pärilik haigus, vaid ainult eelsoodumus. Näiteks lapse isa omastab suhkrut aeglaselt. See ei tähenda, et laps sünnib diabeediga, kuid lapsel on eelsoodumus. See tähendab, et kui laps kuritarvitab maiustusi ja jahutooteid, tekib tal diabeet.

Tänapäeval on nn predikatiiv ravim. Selle meditsiinipraktika osana tehakse kindlaks inimese eelsoodumused (vastavate geenide tuvastamise põhjal) ja seejärel antakse talle soovitused - millist dieeti järgida, kuidas õigesti vahelduda töö ja puhkuse vahel, et mitte haigestuda.

Kuidas lugeda DNA-sse kodeeritud teavet?

Kuidas saate lugeda DNA-s sisalduvat teavet? Kuidas tema enda keha seda kasutab? DNA ise on omamoodi maatriks, kuid mitte lihtne, vaid kodeeritud. DNA maatriksist teabe lugemiseks kantakse see esmalt spetsiaalsele kandjale - RNA-le. RNA on keemiliselt ribonukleiinhape. See erineb DNA-st selle poolest, et suudab läbi tuumamembraani rakku tungida, samas kui DNA-l see võime puudub (seda võib leida ainult tuumast). Kodeeritud teavet kasutatakse lahtris endas. Niisiis on RNA kodeeritud teabe kandja tuumast rakku.

Kuidas toimub RNA süntees, kuidas sünteesitakse valke RNA abil?

DNA ahelad, millest tuleb teavet "lugeda", kerivad lahti, neile läheneb spetsiaalne "ehitaja" ensüüm ja sünteesib DNA ahelaga paralleelse komplementaarse RNA ahela. RNA molekul koosneb ka 4 tüüpi nukleotiididest – adeniinist (A), uratsilist (U), guaniinist (G) ja tsütosiinist (C). Sel juhul täiendavad järgmised paarid: adeniin - uratsiil, guaniin - tsütosiin. Nagu näete, kasutab RNA erinevalt DNA-st tümiini asemel uratsiili. See tähendab, et “ehitaja” ensüüm töötab järgmiselt: kui ta näeb DNA ahelas A, siis seob ta Y RNA ahelaga, kui G, siis C jne. Seega moodustub igast aktiivsest geenist transkriptsiooni käigus matriit – RNA koopia, mis suudab läbida tuumamembraani.

Kuidas toimub konkreetse geeni poolt kodeeritud valgu süntees?

Pärast tuumast lahkumist siseneb RNA tsütoplasmasse. Juba tsütoplasmas saab RNA-d põimida maatriksina spetsiaalsetesse ensüümsüsteemidesse (ribosoomidesse), mis suudavad RNA informatsioonist juhindudes sünteesida valgu aminohapete vastavat järjestust. Nagu teate, koosneb valgu molekul aminohapetest. Kuidas ribosoom teab, millist aminohapet lisada kasvavasse valguahelasse? Seda tehakse tripleti koodi alusel. Kolmikkood tähendab, et RNA ahela kolme nukleotiidi järjestus ( kolmik, näiteks GGU) kodeerib ühte aminohapet (antud juhul glütsiini). Iga aminohapet kodeerib konkreetne kolmik. Ja nii, ribosoom "loeb" tripleti, määrab, milline aminohape tuleks järgmisena lisada, lugedes RNA-s olevat teavet. Aminohapete ahela moodustumisel omandab see teatud ruumilise kuju ja muutub valguks, mis on võimeline täitma talle määratud ensümaatilisi, ehituslikke, hormonaalseid ja muid funktsioone.

Iga elusorganismi valk on geeni produkt. Just valgud määravad geenide kõik erinevad omadused, omadused ja välised ilmingud.

Lühend rakuline DNA on paljudele tuttav kooli bioloogiakursusest, kuid vähesed oskavad lihtsalt vastata, millega tegu. Kohe pärast kooli lõpetamist jääb mällu vaid ähmane ettekujutus pärilikkusest ja geneetikast. Teadmine, mis on DNA ja milline on selle mõju meie elule, võib mõnikord olla väga vajalik.

DNA molekul

Biokeemikud eristavad kolme tüüpi makromolekule: DNA, RNA ja valgud. Deoksüribonukleiinhape on biopolümeer, mis vastutab liikide pärilike tunnuste, omaduste ja arengu andmete edastamise eest põlvest põlve. Selle monomeer on nukleotiid. Mis on DNA molekulid? See on kromosoomide põhikomponent ja sisaldab geneetilist koodi.

DNA struktuur

Varem kujutasid teadlased ette, et DNA struktuuri mudel oli perioodiline, kus kordusid identsed nukleotiidide rühmad (fosfaadi- ja suhkrumolekulide kombinatsioonid). Teatud nukleotiidjärjestuste kombinatsioon annab võimaluse teavet "kodeerida". Tänu uuringutele on selgunud, et erinevatel organismidel on struktuur erinev.

Ameerika teadlased Alexander Rich, David Davis ja Gary Felsenfeld on eriti kuulsad selle küsimuse uurimisel, mis on DNA. Nad esitasid 1957. aastal kolme heeliksi nukleiinhappe kirjelduse. 28 aastat hiljem demonstreeris teadlane Maxim Davidovich Frank-Kamenitsky, kuidas kahest heeliksist koosnev desoksüribonukleiinhape voltib kolmest ahelast koosneva H-kujuliseks.

Desoksüribonukleiinhappe struktuur on kaheahelaline. Selles on nukleotiidid ühendatud paarikaupa, moodustades pikki polünukleotiidahelaid. Need ahelad võimaldavad vesiniksidemete abil moodustada kaksikheeliksi. Erandiks on viirused, millel on üheahelaline genoom. On lineaarne DNA (mõned viirused, bakterid) ja tsirkulaarne (mitokondrid, kloroplastid).

DNA koostis

Ilma teadmiseta, millest DNA koosneb, poleks meditsiini edusamme. Iga nukleotiid koosneb kolmest osast: pentoossuhkru jäägist, lämmastikku sisaldavast alusest ja fosforhappe jäägist. Ühendi omaduste põhjal võib hapet nimetada desoksüribonukleiinseks või ribonukleiinseks. DNA sisaldab tohutul hulgal kahe aluse mononukleotiide: tsütosiini ja tümiini. Lisaks sisaldab see pürimidiini derivaate, adeniini ja guaniini.

Bioloogias on definitsioon nimega DNA – rämps-DNA. Selle funktsioonid on siiani teadmata. Nime alternatiivne versioon on "mittekodeeritud", mis pole õige, kuna see sisaldab kodeerivaid valke ja transposoone, kuid nende eesmärk on samuti mõistatus. Üks tööhüpoteesidest viitab sellele, et teatud kogus seda makromolekuli aitab kaasa genoomi struktuurilisele stabiliseerimisele mutatsioonide suhtes.

Kus on

Asukoht rakusisene oleneb liigi omadustest. Üherakulistes organismides asub DNA membraanis. Teistes elusolendites paikneb see tuumas, plastiidides ja mitokondrites. Kui me räägime inimese DNA-st, siis nimetatakse seda kromosoomiks. Tõsi, see pole täiesti tõsi, sest kromosoomid on kromatiini ja desoksüribonukleiinhappe kompleks.

Roll puuris

DNA peamine roll rakkudes on pärilike geenide edasikandmine ja tulevase põlvkonna ellujäämine. Sellest ei sõltu mitte ainult tulevase indiviidi välisandmed, vaid ka tema iseloom ja tervis. Desoksüribonukleiinhape on superkeerdunud olekus, kuid kvaliteetse eluprotsessi jaoks peab see olema lahti keeratud. Selles aitavad teda ensüümid – topoisomeraasid ja helikaasid.

Topoisomeraasid on nukleaasid ja on võimelised muutma väändeastet. Teine nende ülesanne on osalemine transkriptsioonis ja replikatsioonis (rakkude jagunemine). Helikaasid lõhuvad aluste vahelisi vesiniksidemeid. On ligaasi ensüüme, mis "ristsiduvad" katkenud sidemeid, ja polümeraase, mis osalevad uute polünukleotiidahelate sünteesis.

Kuidas DNA dešifreeritakse

See bioloogia lühend on tuttav. DNA täisnimi on desoksüribonukleiinhape. Kõik ei saa seda esimest korda öelda, seetõttu jäetakse DNA dekodeerimine kõnes sageli ära. Samuti on olemas RNA mõiste – ribonukleiinhape, mis koosneb aminohapete järjestustest valkudes. Need on otseselt seotud ja RNA on tähtsuselt teine ​​makromolekul.

Inimese DNA

Inimese kromosoomid on tuumas eraldatud, muutes inimese DNA kõige stabiilsemaks ja täielikumaks teabekandjaks. Geneetilise rekombinatsiooni käigus eraldatakse heliksid, vahetatakse sektsioone ja seejärel taastatakse ühendus. DNA kahjustuse tõttu tekivad uued kombinatsioonid ja mustrid. Kogu mehhanism soodustab looduslikku valikut. Siiani pole teada, kui kaua see on vastutanud genoomi ülekande eest ja milline on olnud selle metaboolne areng.

Kes avas

DNA struktuuri esimene avastus omistatakse inglise bioloogidele James Watsonile ja Francis Crickile, kes 1953. aastal paljastasid molekuli struktuurilised tunnused. Selle leidis Šveitsi arst Friedrich Miescher 1869. aastal. Ta uuris loomarakkude keemilist koostist leukotsüütide abil, mis kogunevad massiliselt mädakolletesse.

Miescher uuris valgete vereliblede pesemise meetodeid, eraldas valke, kui avastas, et peale nende on veel midagi. Töötlemise käigus anuma põhja tekkis helveste sete. Olles neid ladestusi mikroskoobi all uurinud, avastas noor arst tuumad, mis jäid alles pärast vesinikkloriidhappega töötlemist. See sisaldas ühendit, mida Friedrich nimetas nukleiiniks (ladina keelest nucleus - tuum).

DNA molekul koosneb kahest ahelast, mis moodustavad topeltheeliksi. Selle struktuuri dešifreerisid esmakordselt Francis Crick ja James Watson 1953. aastal.

Alguses tekitas DNA molekul, mis koosneb paarist üksteise ümber keerdunud nukleotiidahelatest, küsimusi, miks sellel on just selline kuju. Teadlased nimetavad seda nähtust komplementaarsuseks, mis tähendab, et selle ahelates võib leida ainult teatud nukleotiide. Näiteks adeniin on alati tümiini vastas ja guaniin alati tsütosiini vastas. Neid DNA molekuli nukleotiide nimetatakse komplementaarseteks.

Skemaatiliselt on see kujutatud järgmiselt:

T-A

C-G

Need paarid moodustavad keemilise nukleotiidsideme, mis määrab aminohapete järjestuse. Esimesel juhul on see veidi nõrgem. Seos C ja G vahel on tugevam. Mittekomplementaarsed nukleotiidid ei moodusta omavahel paare.


Hoone kohta

Seega on DNA molekuli struktuur eriline. Sellel on selline kuju põhjusega: tõsiasi on see, et nukleotiidide arv on väga suur ja pikkade ahelate mahutamiseks on vaja palju ruumi. Just sel põhjusel iseloomustab kette spiraalne keerdumine. Seda nähtust nimetatakse spiraliseerumiseks, see võimaldab niitidel lüheneda umbes viis kuni kuus korda.

Keha kasutab mõnda seda tüüpi molekuli väga aktiivselt, teisi harva. Viimased läbivad lisaks spiraliseerimisele ka sellise “kompaktse pakendamise” nagu superspiraliseerimine. Ja siis väheneb DNA molekuli pikkus 25-30 korda.

Mis on molekuli "pakend"?

Ülikerimise protsess hõlmab histooni valke. Neil on niidipooli või varda struktuur ja välimus. Neile keritakse spiraalseid niite, mis kohe “kompaktseks pakitakse” ja võtavad vähe ruumi. Kui tekib vajadus üht või teist niiti kasutada, keritakse see poolilt lahti, näiteks histooni valk ja spiraal kerib lahti kaheks paralleelseks ahelaks. Kui DNA molekul on sellises olekus, saab sealt välja lugeda vajalikud geneetilised andmed. Siiski on üks tingimus. Teabe saamine on võimalik ainult siis, kui DNA molekuli struktuur on keerdumata kujul. Lugemiseks ligipääsetavaid kromosoome nimetatakse eukromatiinideks ja kui need on ülikeerdunud, siis on need juba heterokromatiinid.

Nukleiinhapped

Nukleiinhapped, nagu valgud, on biopolümeerid. Peamine funktsioon on päriliku (geneetilise teabe) säilitamine, rakendamine ja edastamine. Neid on kahte tüüpi: DNA ja RNA (desoksüribonukleiinne ja ribonukleiinne). Neis sisalduvad monomeerid on nukleotiidid, millest igaüks sisaldab fosforhappejääki, viiesüsinikulist suhkrut (desoksüriboos/riboos) ja lämmastikualust. DNA kood sisaldab 4 tüüpi nukleotiide - adeniin (A) / guaniin (G) / tsütosiin (C) / tümiin (T). Need erinevad neis sisalduva lämmastikaluse poolest.

DNA molekulis võib nukleotiidide arv olla tohutu – mitmest tuhandest kümnete ja sadade miljoniteni. Selliseid hiiglaslikke molekule saab uurida elektronmikroskoobiga. Sel juhul näete polünukleotiidahelate topeltahelat, mis on omavahel ühendatud nukleotiidide lämmastikualuste vesiniksidemetega.

Uurimine

Uurimistöö käigus avastasid teadlased, et DNA molekulide tüübid on erinevates elusorganismides erinevad. Samuti leiti, et ühe ahela guaniin saab seonduda ainult tsütosiiniga ja tümiin adeniiniga. Nukleotiidide paigutus ühes ahelas vastab rangelt paralleelsele. Tänu sellele polünukleotiidide komplementaarsusele on DNA molekul võimeline kahekordistuma ja ise paljunema. Kuid kõigepealt lahknevad komplementaarsed ahelad spetsiaalsete ensüümide mõjul, mis hävitavad paaritud nukleotiide, ja seejärel algab igaühes neist puuduva ahela süntees. Selle põhjuseks on vabad nukleotiidid, mis esinevad igas rakus suurtes kogustes. Selle tulemusena moodustub "emamolekuli" asemel kaks "tütar" molekuli, mis on koostiselt ja struktuurilt identsed ning DNA kood muutub algseks. See protsess on rakkude jagunemise eelkäija. See tagab kõigi pärilike andmete edastamise emarakkudest tütarrakkudesse, aga ka kõikidesse järgmistesse põlvkondadesse.

Kuidas geenikoodi loetakse?

Tänapäeval ei arvutata ainult DNA molekuli massi – on võimalik välja selgitada ka keerukamaid andmeid, mis varem teadlastele kättesaamatud olid. Näiteks saate lugeda teavet selle kohta, kuidas organism oma rakku kasutab. Loomulikult on see teave algul kodeeritud kujul ja teatud maatriksi kujul ning seetõttu tuleb see transportida spetsiaalsesse kandjasse, milleks on RNA. Ribonukleiinhape on võimeline tungima rakku läbi tuumamembraani ja lugema sisse kodeeritud informatsiooni. Seega on RNA varjatud andmete kandja tuumast rakku ja see erineb DNA-st selle poolest, et sisaldab desoksüriboosi asemel riboosi ja tümiini asemel uratsiili. Lisaks on RNA üheahelaline.

RNA süntees

DNA süvaanalüüs on näidanud, et pärast RNA lahkumist tuumast satub see tsütoplasmasse, kus saab integreerida maatriksina ribosoomidesse (spetsiaalsed ensüümsüsteemid). Saadud teabest juhindudes saavad nad sünteesida sobiva valgu aminohapete järjestuse. Ribosoom õpib tripleti koodist, millist tüüpi orgaanilist ühendit tuleb moodustava valguahela külge kinnitada. Igal aminohappel on oma spetsiifiline kolmik, mis seda kodeerib.

Pärast ahela moodustumise lõppu omandab see spetsiifilise ruumilise vormi ja muutub valguks, mis on võimeline täitma oma hormonaalseid, ehituslikke, ensümaatilisi ja muid funktsioone. Iga organismi jaoks on see geeniprodukt. Just sellest määratakse geenide igasugused omadused, omadused ja ilmingud.

Geenid

Sekveneerimisprotsessid töötati välja peamiselt selleks, et saada teavet selle kohta, mitu geeni DNA molekuli struktuuris on. Ja kuigi uuringud on võimaldanud teadlastel selles küsimuses suuri edusamme teha, pole nende täpset arvu veel võimalik teada.

Veel paar aastat tagasi eeldati, et DNA molekulid sisaldavad ligikaudu 100 tuhat geeni. Veidi hiljem vähenes see arv 80 tuhandeni ja 1998. aastal väitsid geneetikud, et ühes DNA-s on vaid 50 tuhat geeni, mis on vaid 3% kogu DNA pikkusest. Kuid geneetikute viimased järeldused olid rabavad. Nüüd väidavad nad, et genoom sisaldab 25-40 tuhat neist ühikutest. Selgub, et ainult 1,5% kromosomaalsest DNA-st vastutab valkude kodeerimise eest.

Uurimine sellega ei piirdunud. Geenitehnoloogia spetsialistide paralleelrühm leidis, et ühes molekulis on geenide arv täpselt 32 tuhat. Nagu näete, on lõplikku vastust siiski võimatu saada. Liiga palju on vastuolusid. Kõik teadlased tuginevad ainult oma tulemustele.

Kas toimus evolutsioon?

Hoolimata asjaolust, et molekuli evolutsiooni kohta puuduvad tõendid (kuna DNA molekuli struktuur on habras ja väikese suurusega), tegid teadlased siiski ühe oletuse. Laboratoorsete andmete põhjal väljendasid nad järgmist versiooni: selle ilmumise algstaadiumis oli molekul lihtsa isepaljuneva peptiidi kujul, mis sisaldas kuni 32 iidsetest ookeanidest leitud aminohapet.

Pärast isepaljunemist omandasid molekulid tänu loodusliku valiku jõududele võime end kaitsta väliste elementide eest. Nad hakkasid kauem elama ja paljunema suuremates kogustes. Lipiidimulli sattunud molekulidel oli kõik võimalused end taastoota. Järjestikuste tsüklite seeria tulemusena omandasid lipiidimullid rakumembraanide ja seejärel tuntud osakesed. Tuleb märkida, et tänapäeval on DNA molekuli mis tahes osa keeruline ja selgelt toimiv struktuur, mille kõiki omadusi teadlased pole veel täielikult uurinud.

Kaasaegne maailm

Hiljuti on Iisraeli teadlased välja töötanud arvuti, mis suudab sooritada triljoneid toiminguid sekundis. Täna on see Maa kiireim auto. Kogu saladus seisneb selles, et uuendusliku seadme toiteallikaks on DNA. Professorid ütlevad, et lähitulevikus suudavad sellised arvutid isegi energiat toota.

Aasta tagasi teatasid Rehovotis (Iisrael) asuva Weizmanni Instituudi spetsialistid molekulidest ja ensüümidest koosneva programmeeritava molekulaararvutusmasina loomisest. Nad asendasid räni mikrokiibid nendega. Tänaseks on meeskond teinud edasisi edusamme. Nüüd suudab vaid üks DNA molekul varustada arvutit vajalike andmete ja kütusega.

Biokeemilised "nanoarvutid" ei ole väljamõeldis, need on looduses juba olemas ja avalduvad igas elusolendis. Kuid sageli ei juhi neid inimesed. Inimene ei saa veel ühegi taime genoomiga opereerida, et arvutada näiteks arv “Pi”.

Idee kasutada DNA-d andmete salvestamiseks/töötlemiseks tekkis teadlastel esmakordselt 1994. aastal. Just siis kasutati molekuli lihtsa matemaatilise ülesande lahendamiseks. Sellest ajast peale on mitmed uurimisrühmad pakkunud välja erinevaid DNA-arvutitega seotud projekte. Kuid siin põhinesid kõik katsed ainult energiamolekulil. Sellist arvutit palja silmaga ei näe, see näeb välja nagu läbipaistev veelahus katseklaasis. Selles pole mehaanilisi osi, vaid ainult triljoneid biomolekulaarseid seadmeid – ja see on vaid ühes vedelikutilgas!

Inimese DNA

Inimesed said inimese DNA tüübist teadlikuks 1953. aastal, kui teadlased suutsid esimest korda maailmale demonstreerida kaheahelalist DNA mudelit. Selle eest said Kirk ja Watson Nobeli preemia, kuna see avastus sai 20. sajandil fundamentaalseks.

Aja jooksul nad muidugi tõestasid, et struktureeritud inimmolekul võib välja näha mitte ainult selline, nagu pakutud versioonis. Pärast üksikasjalikuma DNA analüüsi läbiviimist avastasid nad A-, B- ja vasakukäelise vormi Z-. Vorm A- on sageli erand, kuna see moodustub ainult niiskuse puudumisel. Kuid see on võimalik ainult laboratoorsetes uuringutes, looduskeskkonna jaoks on see ebanormaalne, elusrakus sellist protsessi ei saa toimuda.

B-kuju on klassikaline ja seda tuntakse kahekordse paremakäelise kettina, kuid Z-kuju ei ole mitte ainult vasakule vastassuunas keerdunud, vaid on ka siksakilisema välimusega. Teadlased on tuvastanud ka G-kvadrupleksi vormi. Selle struktuuris pole mitte 2, vaid 4 niiti. Geneetikute sõnul esineb see vorm piirkondades, kus guaniini on liiga palju.

Kunstlik DNA

Tänapäeval on juba olemas kunstlik DNA, mis on päris DNA identne koopia; see järgib suurepäraselt loodusliku kaksikheeliksi struktuuri. Kuid erinevalt algsest polünukleotiidist on tehispolünukleotiidil ainult kaks täiendavat nukleotiidi.

Kuna dubleerimine loodi reaalse DNA erinevatest uuringutest saadud teabe põhjal, saab seda ka kopeerida, isepaljundada ja areneda. Eksperdid on sellise tehismolekuli loomisega tegelenud umbes 20 aastat. Tulemuseks on hämmastav leiutis, mis suudab kasutada geneetilist koodi samal viisil kui looduslikku DNA-d.

Neljale olemasolevale lämmastikualusele lisasid geneetikud kaks täiendavat, mis loodi looduslike aluste keemilise modifitseerimise teel. Erinevalt looduslikust DNA-st osutus tehis-DNA üsna lühikeseks. See sisaldab ainult 81 aluspaari. Kuid see ka paljuneb ja areneb.

Kunstlikult saadud molekuli replikatsioon toimub tänu polümeraasi ahelreaktsioonile, kuid seni ei toimu see iseseisvalt, vaid teadlaste sekkumise kaudu. Nad lisavad iseseisvalt nimetatud DNA-le vajalikud ensüümid, asetades selle spetsiaalselt ettevalmistatud vedelasse söötmesse.

Lõpptulemus

DNA arengu protsessi ja lõpptulemust võivad mõjutada mitmesugused tegurid, näiteks mutatsioonid. Seetõttu on vaja aineproove uurida, et analüüsitulemus oleks usaldusväärne ja usaldusväärne. Näiteks isadustest. Kuid me ei saa jätta rõõmustamata, et sellised juhtumid nagu mutatsioon on haruldased. Sellegipoolest kontrollitakse aineproove alati uuesti, et analüüsi põhjal saada täpsemat teavet.

Taimne DNA

Tänu kõrgetele järjestustehnoloogiatele (HTS) on genoomika vallas tehtud revolutsioon – võimalik on ka DNA eraldamine taimedest. Muidugi tekitab taimsest materjalist kvaliteetse molekulmassiga DNA saamine mõningaid raskusi mitokondrite ja kloroplasti DNA koopiate suure arvu ning polüsahhariidide ja fenoolsete ühendite kõrge taseme tõttu. Käesoleval juhul kaalutava struktuuri eraldamiseks kasutatakse mitmesuguseid meetodeid.

Vesinikside DNA-s

DNA molekulis olev vesinikside vastutab elektromagnetilise külgetõmbe eest, mis tekib positiivselt laetud vesinikuaatomi vahel, mis on seotud elektronegatiivse aatomiga. See dipoolne vastastikmõju ei vasta keemilise sideme kriteeriumile. Kuid see võib esineda molekulidevaheliselt või molekuli erinevates osades, st intramolekulaarselt.

Vesinikuaatom kinnitub elektronegatiivse aatomi külge, mis on sideme doonor. Elektronegatiivne aatom võib olla lämmastik, fluor või hapnik. See meelitab detsentraliseerimise kaudu elektronipilve vesiniku tuumast enda poole ja muudab vesinikuaatomi (osaliselt) positiivselt laetuks. Kuna H on teiste molekulide ja aatomitega võrreldes väike, on ka laeng väike.

DNA dekodeerimine

Enne DNA molekuli dešifreerimist võtavad teadlased kõigepealt tohutu hulga rakke. Kõige täpsema ja edukama töö jaoks on neid vaja umbes miljonit. Uuringu käigus saadud tulemusi võrreldakse ja registreeritakse pidevalt. Tänapäeval pole genoomi dekodeerimine enam haruldus, vaid ligipääsetav protseduur.

Muidugi on üksiku raku genoomi dešifreerimine ebapraktiline ülesanne. Selliste uuringute käigus saadud andmed teadlastele huvi ei paku. Kuid on oluline mõista, et kõik praegu olemasolevad dekodeerimismeetodid ei ole nende keerukusest hoolimata piisavalt tõhusad. Need võimaldavad lugeda ainult 40–70% DNA-st.

Harvardi professorid teatasid aga hiljuti meetodist, mille abil saab dešifreerida 90% genoomist. Tehnika põhineb isoleeritud rakkudele praimermolekulide lisamisel, mille abil algab DNA replikatsioon. Kuid isegi seda meetodit ei saa pidada edukaks, seda tuleb veel täpsustada, enne kui seda saab teaduses avalikult kasutada.



© 2024 netdenegnakino.ru – kahekesi ei. Keemia. Füüsika. Õigekiri. Geograafia