Apakah struktur molekul DNA? Struktur dan tahap organisasi DNA

Genetik molekul – satu cabang genetik yang berkaitan dengan kajian keturunan pada peringkat molekul.

Asid nukleik. replikasi DNA. Tindak balas sintesis templat

Asid nukleik (DNA, RNA) ditemui pada tahun 1868 oleh ahli biokimia Switzerland I.F. Misher. Asid nukleik ialah biopolimer linear yang terdiri daripada monomer - nukleotida.

DNA - struktur dan fungsi

Struktur kimia DNA telah ditafsirkan pada tahun 1953 oleh ahli biokimia Amerika J. Watson dan ahli fizik Inggeris F. Crick.

Struktur umum DNA. Molekul DNA terdiri daripada 2 rantai yang dipintal menjadi lingkaran (Rajah 11) satu di sekeliling yang lain dan di sekeliling paksi yang sama. Molekul DNA boleh mengandungi dari 200 hingga 2x10 8 pasangan nukleotida. Di sepanjang heliks DNA, nukleotida jiran terletak pada jarak 0.34 nm antara satu sama lain. Satu pusingan penuh heliks termasuk 10 pasangan asas. Panjangnya ialah 3.4 nm.

nasi. 11 . Gambar rajah struktur DNA (double helix)

Polimeriti molekul DNA. Molekul DNA - bioploimer terdiri daripada sebatian kompleks - nukleotida.

Struktur nukleotida DNA. Nukleotida DNA terdiri daripada 3 unit: satu daripada bes nitrogen (adenine, guanina, sitosin, timin); deoksiribosa (monosakarida); sisa asid fosforik (Rajah 12).

Terdapat 2 kumpulan asas nitrogen:

purin - adenine (A), guanin (G), mengandungi dua cincin benzena;

pirimidin - timin (T), sitosin (C), mengandungi satu cincin benzena.

DNA mengandungi jenis nukleotida berikut: adenina (A); guanina (G); sitosin (C); timin (T). Nama-nama nukleotida sepadan dengan nama-nama bes nitrogen yang membentuknya: adenine nukleotida - adenine bes nitrogen; guanina nukleotida nitrogenous base guanin; sitosin nukleotida asas nitrogen sitosin; timin nukleotida asas nitrogen timin.

Menggabungkan dua helai DNA menjadi satu molekul

Nukleotida A, G, C dan T satu rantai disambungkan, masing-masing, kepada nukleotida T, C, G dan A rantai yang lain. ikatan hidrogen. Dua ikatan hidrogen terbentuk antara A dan T, dan tiga ikatan hidrogen terbentuk antara G dan C (A=T, G≡C).

Pasangan bes (nukleotida) A - T dan G - C dipanggil pelengkap, iaitu saling sepadan. Pelengkap- ini ialah korespondensi kimia dan morfologi nukleotida antara satu sama lain dalam rantai DNA berpasangan.

5 ’ 3 ’

1 2 3

3’ 5’

nasi. 12 Bahagian heliks berganda DNA. Struktur nukleotida (1 – sisa asid fosforik; 2 – deoksiribosa; 3 – bes nitrogen). Menyambung nukleotida menggunakan ikatan hidrogen.

Rantai dalam molekul DNA antiselari, iaitu, ia diarahkan ke arah yang bertentangan, supaya hujung 3' satu rantai terletak bertentangan dengan hujung 5' rantai yang lain. Maklumat genetik dalam DNA ditulis mengikut arah dari hujung 5' hingga hujung 3'. Helai ini dipanggil DNA deria,

kerana di sinilah letaknya gen. Benang kedua - 3'–5' berfungsi sebagai standard untuk menyimpan maklumat genetik.

Hubungan antara bilangan bes yang berbeza dalam DNA telah ditubuhkan oleh E. Chargaff pada tahun 1949. Chargaff mendapati bahawa dalam DNA pelbagai spesies jumlah adenine adalah sama dengan jumlah timin, dan jumlah guanin adalah sama dengan jumlah sitosin.

E. Peraturan Chargaff:

dalam molekul DNA, bilangan nukleotida A (adenine) sentiasa sama dengan bilangan nukleotida T (timin) atau nisbah ∑ A kepada ∑ T = 1. Jumlah nukleotida G (guanine) adalah sama dengan jumlah nukleotida C (sitosin) atau nisbah ∑ G kepada ∑ C = 1;

jumlah bes purin (A+G) adalah sama dengan jumlah bes pirimidin (T+C) atau nisbah ∑ (A+G) kepada ∑ (T+C)=1;

Kaedah sintesis DNA - replikasi. Replikasi ialah proses penduaan sendiri molekul DNA, yang dijalankan dalam nukleus di bawah kawalan enzim. Kepuasan diri terhadap molekul DNA berlaku berdasarkan saling melengkapi– surat-menyurat ketat nukleotida antara satu sama lain dalam rantai DNA berpasangan. Pada permulaan proses replikasi, molekul DNA dilepaskan (despirals) di kawasan tertentu (Rajah 13), dan ikatan hidrogen dilepaskan. Pada setiap rantai yang terbentuk selepas pemecahan ikatan hidrogen, dengan penyertaan enzim polimerase DNA untai anak DNA disintesis. Bahan untuk sintesis ialah nukleotida bebas yang terkandung dalam sitoplasma sel. Nukleotida ini diselaraskan sebagai pelengkap kepada nukleotida dua helai DNA ibu. enzim DNA polimerase melekat nukleotida pelengkap pada helai templat DNA. Sebagai contoh, kepada nukleotida A polimerase menambah nukleotida pada helai templat T dan, dengan itu, kepada nukleotida G - nukleotida C (Rajah 14). Pertautan silang nukleotida pelengkap berlaku dengan bantuan enzim Ligase DNA. Oleh itu, dua helai anak perempuan DNA disintesis oleh penduaan diri.

Dua molekul DNA yang terhasil daripada satu molekul DNA ialah model separa konservatif, kerana ia terdiri daripada ibu tua dan rantai anak perempuan baru dan merupakan salinan tepat molekul ibu (Rajah 14). Makna biologi replikasi terletak pada pemindahan maklumat keturunan yang tepat dari molekul ibu kepada molekul anak perempuan.

nasi. 13 . Penyahspiralan molekul DNA menggunakan enzim

1

nasi. 14 . Replikasi ialah pembentukan dua molekul DNA daripada satu molekul DNA: 1 – molekul DNA anak perempuan; 2 – molekul DNA ibu (ibu bapa).

Enzim DNA polimerase hanya boleh bergerak sepanjang untaian DNA dalam arah 3’ –> 5’. Oleh kerana rantai pelengkap dalam molekul DNA diarahkan ke arah yang bertentangan, dan enzim polimerase DNA boleh bergerak sepanjang rantai DNA hanya dalam arah 3'-> 5', sintesis rantai baru berjalan secara antiselari ( mengikut prinsip antiparalelisme).

tapak penyetempatan DNA. DNA ditemui dalam nukleus sel dan dalam matriks mitokondria dan kloroplas.

Jumlah DNA dalam sel adalah malar dan berjumlah 6.6x10 -12 g.

Fungsi DNA:

Penyimpanan dan penghantaran maklumat genetik dari generasi ke generasi kepada molekul dan - RNA;

berstruktur. DNA ialah asas struktur kromosom (kromosom ialah 40% DNA).

Kekhususan spesies DNA. Komposisi nukleotida DNA berfungsi sebagai kriteria spesies.

RNA, struktur dan fungsi.

Struktur am.

RNA ialah biopolimer linear yang terdiri daripada satu rantai polinukleotida. Terdapat struktur primer dan sekunder RNA. Struktur utama RNA ialah molekul beruntai tunggal, dan struktur sekunder mempunyai bentuk salib dan merupakan ciri t-RNA.

Polimeriti molekul RNA. Molekul RNA boleh mengandungi daripada 70 nukleotida hingga 30,000 nukleotida. Nukleotida yang membentuk RNA adalah seperti berikut: adenil (A), guanyl (G), cytidyl (C), uracil (U). Dalam RNA, nukleotida timin digantikan oleh urasil (U).

Struktur nukleotida RNA.

Nukleotida RNA merangkumi 3 unit:

asas nitrogen (adenine, guanina, sitosin, urasil);

monosakarida - ribosa (ribosa mengandungi oksigen pada setiap atom karbon);

sisa asid fosforik.

Kaedah sintesis RNA - transkripsi. Transkripsi, seperti replikasi, ialah tindak balas sintesis templat. Matriks ialah molekul DNA. Tindak balas berjalan mengikut prinsip saling melengkapi pada salah satu rantai DNA (Rajah 15). Proses transkripsi bermula dengan despiralisasi molekul DNA di tapak tertentu. Untai DNA yang ditranskripsi mengandungi penganjur - sekumpulan nukleotida DNA dari mana sintesis molekul RNA bermula. Enzim melekat pada promoter RNA polimerase. Enzim mengaktifkan proses transkripsi. Mengikut prinsip saling melengkapi, nukleotida yang datang dari sitoplasma sel ke rantai DNA yang ditranskripsi selesai. RNA polimerase mengaktifkan penjajaran nukleotida menjadi satu rantai dan pembentukan molekul RNA.

Terdapat empat peringkat dalam proses transkripsi: 1) pengikatan polimerase RNA kepada promoter; 2) permulaan sintesis (permulaan); 3) pemanjangan - pertumbuhan rantai RNA, iaitu nukleotida ditambah secara berurutan antara satu sama lain; 4) penamatan - penyiapan sintesis mRNA.

nasi. 15 . Skim transkripsi

1 – molekul DNA (helai berganda); 2 – molekul RNA; 3-kodon; 4– penganjur.

Pada tahun 1972, saintis Amerika - ahli virologi H.M. Temin dan ahli biologi molekul D. Baltimore menemui transkripsi terbalik menggunakan virus dalam sel tumor. Transkripsi terbalik– menulis semula maklumat genetik daripada RNA kepada DNA. Proses ini berlaku dengan bantuan enzim transkripase terbalik.

Jenis RNA mengikut fungsi

RNA Messenger (i-RNA atau m-RNA) memindahkan maklumat genetik daripada molekul DNA ke tapak sintesis protein - ribosom. Ia disintesis dalam nukleus dengan penyertaan enzim RNA polimerase. Ia membentuk 5% daripada semua jenis RNA dalam sel. mRNA mengandungi daripada 300 nukleotida hingga 30,000 nukleotida (rantai terpanjang antara RNA).

Pemindahan RNA (tRNA) mengangkut asid amino ke tapak sintesis protein, ribosom. Ia mempunyai bentuk salib (Rajah 16) dan terdiri daripada 70–85 nukleotida. Jumlahnya dalam sel ialah 10-15% daripada RNA sel.

nasi. 16. Skim struktur t-RNA: A–G – pasangan nukleotida yang disambungkan oleh ikatan hidrogen; D – tempat lampiran asid amino (tapak penerima); E – antikodon.

3. RNA ribosom (r-RNA) disintesis dalam nukleolus dan merupakan sebahagian daripada ribosom. Termasuk kira-kira 3000 nukleotida. Membina 85% daripada RNA sel. RNA jenis ini terdapat dalam nukleus, dalam ribosom, pada retikulum endoplasma, dalam kromosom, dalam matriks mitokondria, dan juga dalam plastid.

Asas sitologi. Menyelesaikan masalah biasa

Masalah 1

Berapa banyak nukleotida timin dan adenina terkandung dalam DNA jika 50 nukleotida sitosin ditemui di dalamnya, iaitu 10% daripada semua nukleotida.

Penyelesaian. Menurut peraturan saling melengkapi dalam untai ganda DNA, sitosin sentiasa pelengkap kepada guanin. 50 nukleotida sitosin membentuk 10%, oleh itu, mengikut peraturan Chargaff, 50 nukleotida guanin juga membentuk 10%, atau (jika ∑C = 10%, maka ∑G = 10%).

Jumlah pasangan nukleotida C + G ialah 20%

Jumlah pasangan nukleotida T + A = 100% – 20% (C + G) = 80%

Untuk mengetahui berapa banyak nukleotida timin dan adenin terkandung dalam DNA, anda perlu membuat perkadaran berikut:

50 nukleotida sitosin → 10%

X (T + A) →80%

X = 50x80:10=400 keping

Mengikut peraturan Chargaff, ∑A= ∑T, oleh itu ∑A=200 dan ∑T=200.

Jawapan: bilangan nukleotida timin dan adenin dalam DNA ialah 200.

Masalah 2

Nukleotida timin dalam DNA membentuk 18% daripada jumlah nukleotida. Tentukan peratusan jenis nukleotida lain yang terkandung dalam DNA.

Penyelesaian.∑Т=18%. Menurut peraturan Chargaff ∑T=∑A, oleh itu bahagian nukleotida adenin juga menyumbang 18% (∑A=18%).

Jumlah pasangan nukleotida T+A ialah 36% (18% + 18% = 36%). Setiap pasangan nukleotida GiC terdapat: G+C = 100% –36% = 64%. Oleh kerana guanin sentiasa pelengkap kepada sitosin, kandungannya dalam DNA akan sama,

iaitu ∑ Г= ∑Ц=32%.

Jawab: kandungan guanin, seperti sitosin, ialah 32%.

Masalah 3

20 sitosin nukleotida DNA membentuk 10% daripada jumlah nukleotida. Berapakah bilangan nukleotida adenin dalam molekul DNA?

Penyelesaian. Dalam untaian ganda DNA, jumlah sitosin adalah sama dengan jumlah guanin, oleh itu, jumlahnya ialah: C + G = 40 nukleotida. Cari jumlah bilangan nukleotida:

20 nukleotida sitosin → 10%

X (jumlah bilangan nukleotida) →100%

X=20x100:10=200 keping

A+T=200 – 40=160 keping

Oleh kerana adenine adalah pelengkap kepada timin, kandungannya akan sama,

iaitu 160 keping: 2=80 keping, atau ∑A=∑T=80.

Jawab: Terdapat 80 nukleotida adenin dalam molekul DNA.

Masalah 4

Tambahkan nukleotida rantai kanan DNA jika nukleotida rantai kirinya diketahui: AGA – TAT – GTG – TCT

Penyelesaian. Pembinaan helai kanan DNA di sepanjang helai kiri yang diberikan dijalankan mengikut prinsip saling melengkapi - korespondensi ketat nukleotida antara satu sama lain: adenony - timin (A-T), guanin - sitosin (G-C). Oleh itu, nukleotida untaian kanan DNA hendaklah seperti berikut: TCT - ATA - CAC - AGA.

Jawab: nukleotida untaian kanan DNA: TCT – ATA – TsAC – AGA.

Masalah 5

Tuliskan transkripsi jika rantai DNA yang ditranskripsi mempunyai susunan nukleotida berikut: AGA - TAT - TGT - TCT.

Penyelesaian. Molekul mRNA disintesis mengikut prinsip saling melengkapi pada salah satu rantai molekul DNA. Kita tahu susunan nukleotida dalam rantai DNA yang ditranskripsi. Oleh itu, adalah perlu untuk membina rantaian pelengkap mRNA. Perlu diingat bahawa bukannya timin, molekul RNA mengandungi urasil. Oleh itu:

Rantai DNA: AGA – TAT – TGT – TCT

rantai mRNA: UCU – AUA – ACA – AGA.

Jawab: jujukan nukleotida i-RNA adalah seperti berikut: UCU – AUA – ACA – AGA.

Masalah 6

Tulis transkripsi terbalik, iaitu bina serpihan molekul DNA bertali dua berdasarkan serpihan i-RNA yang dicadangkan, jika rantai i-RNA mempunyai urutan nukleotida berikut:

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

Penyelesaian. Transkripsi terbalik ialah sintesis molekul DNA berdasarkan kod genetik mRNA. Pengekodan mRNA molekul DNA mempunyai susunan nukleotida berikut: GCH - ACA - UUU - UCG - TsGU - AGU - AGA. Rantaian DNA yang pelengkap kepadanya ialah: CGC - TGT - AAA - AGC - GCA - TCA - TCT. Untaian DNA kedua: HCH–ACA–TTT–TCG–CHT–AGT–AGA.

Jawab: hasil daripada transkripsi terbalik, dua rantai molekul DNA telah disintesis: CGC - TTG - AAA - AGC - GCA - TCA dan GCH - ACA - TTT - TCG - CGT - AGT - AGA.

Kod genetik. Biosintesis protein.

gen– bahagian molekul DNA yang mengandungi maklumat genetik tentang struktur utama satu protein tertentu.

Struktur ekson-intron geneukariota

promoter– bahagian DNA (sehingga 100 nukleotida panjang) di mana enzim melekat RNA polimerase, perlu untuk transkripsi;

2) zon kawal selia– zon yang menjejaskan aktiviti gen;

3) bahagian struktur gen– maklumat genetik tentang struktur utama protein.

Urutan nukleotida DNA yang membawa maklumat genetik tentang struktur utama protein - exon. Mereka juga merupakan sebahagian daripada mRNA. Urutan nukleotida DNA yang tidak membawa maklumat genetik tentang struktur utama protein – intron. Mereka bukan sebahagian daripada mRNA. Semasa transkripsi, dengan bantuan enzim khas, salinan intron dipotong daripada i-RNA dan salinan ekson dicantum bersama untuk membentuk molekul i-RNA (Rajah 20). Proses ini dipanggil penyambungan.

nasi. 20 . Corak splicing (pembentukan mRNA matang dalam eukariota)

Kod genetik - sistem jujukan nukleotida dalam molekul DNA, atau RNA, yang sepadan dengan jujukan asid amino dalam rantai polipeptida.

Sifat kod genetik:

Triplety(ACA – GTG – GCH…)

Kod genetik ialah kembar tiga, kerana setiap satu daripada 20 asid amino dikodkan oleh urutan tiga nukleotida ( triplet, kodon).

Terdapat 64 jenis triplet nukleotida (4 3 =64).

Ketidaksamaan (kekhususan)

Kod genetik tidak jelas kerana setiap individu triplet nukleotida (kodon) kod untuk hanya satu asid amino, atau satu kodon sentiasa sepadan dengan satu asid amino (Jadual 3).

Kepelbagaian (kelebihan, atau degenerasi)

Asid amino yang sama boleh dikodkan oleh beberapa triplet (dari 2 hingga 6), kerana terdapat 20 asid amino pembentuk protein dan 64 triplet.

Kesinambungan

Pembacaan maklumat genetik berlaku dalam satu arah, dari kiri ke kanan. Jika satu nukleotida hilang, maka apabila dibaca, tempatnya akan diambil oleh nukleotida terdekat dari triplet jiran, yang akan membawa kepada perubahan maklumat genetik.

serba boleh

Kod genetik adalah biasa kepada semua organisma hidup, dan triplet yang sama kod untuk asid amino yang sama dalam semua organisma hidup.

Mempunyai kembar tiga permulaan dan terminal(bermula triplet - AUG, triplet terminal UAA, UGA, UAG). Kembar tiga jenis ini tidak mengekodkan asid amino.

Tidak bertindih (discreteness)

Kod genetik tidak bertindih, kerana nukleotida yang sama tidak boleh serentak menjadi sebahagian daripada dua kembar tiga berjiran. Nukleotida boleh tergolong dalam hanya satu triplet, dan jika ia disusun semula menjadi triplet lain, maklumat genetik akan berubah.

Jadual 3 – Jadual kod genetik

		Pangkalan kodon

Nota: nama singkatan asid amino diberikan mengikut terminologi antarabangsa.

Biosintesis protein

Biosintesis protein - jenis pertukaran plastik bahan dalam sel yang berlaku dalam organisma hidup di bawah tindakan enzim. Biosintesis protein didahului oleh tindak balas sintesis matriks (replikasi - sintesis DNA; transkripsi - sintesis RNA; terjemahan - pemasangan molekul protein pada ribosom). Terdapat 2 peringkat dalam proses biosintesis protein:

transkripsi

siaran

Semasa transkripsi, maklumat genetik yang terkandung dalam DNA yang terletak dalam kromosom nukleus dipindahkan ke molekul RNA. Setelah selesai proses transkripsi, mRNA memasuki sitoplasma sel melalui liang dalam membran nuklear, terletak di antara 2 subunit ribosom dan mengambil bahagian dalam biosintesis protein.

Terjemahan ialah proses menterjemah kod genetik ke dalam urutan asid amino. Terjemahan berlaku dalam sitoplasma sel pada ribosom, yang terletak di permukaan ER (retikulum endoplasma). Ribosom adalah butiran sfera dengan diameter purata 20 nm, terdiri daripada subunit besar dan kecil. Molekul mRNA terletak di antara dua subunit ribosom. Proses terjemahan melibatkan asid amino, ATP, mRNA, t-RNA, dan enzim amino-acyl t-RNA synthetase.

kodon- bahagian molekul DNA, atau mRNA, yang terdiri daripada tiga nukleotida terletak secara berurutan, mengekod satu asid amino.

Antikodon– bahagian molekul t-RNA, yang terdiri daripada tiga nukleotida berturut-turut dan pelengkap kepada kodon molekul i-RNA. Kodon adalah pelengkap kepada antikodon yang sepadan dan disambungkan kepada mereka menggunakan ikatan hidrogen (Rajah 21).

Sintesis protein bermula dengan mulakan kodon AUG. Daripadanya ribosom

bergerak sepanjang molekul mRNA, triplet demi triplet. Asid amino dibekalkan mengikut kod genetik. Penyepaduan mereka ke dalam rantai polipeptida pada ribosom berlaku dengan bantuan t-RNA. Struktur utama t-RNA (rantai) berubah menjadi struktur sekunder yang menyerupai bentuk salib, dan pada masa yang sama pelengkap nukleotida dipelihara di dalamnya. Di bahagian bawah tRNA terdapat tapak penerima yang mana asid amino dilekatkan (Rajah 16). Pengaktifan asid amino dijalankan menggunakan enzim aminoacyl tRNA synthetase. Intipati proses ini ialah enzim ini berinteraksi dengan asid amino dan ATP. Dalam kes ini, kompleks ternary terbentuk, diwakili oleh enzim ini, asid amino dan ATP. Asid amino diperkaya dengan tenaga, diaktifkan, dan memperoleh keupayaan untuk membentuk ikatan peptida dengan asid amino jiran. Tanpa proses pengaktifan asid amino, rantai polipeptida daripada asid amino tidak dapat dibentuk.

Bahagian atas molekul tRNA yang bertentangan mengandungi triplet nukleotida antikodon, dengan bantuan tRNA yang dilekatkan pada kodon pelengkapnya (Rajah 22).

Molekul t-RNA pertama, dengan asid amino teraktif yang melekat padanya, melekatkan antikodonnya pada kodon i-RNA, dan satu asid amino berakhir di ribosom. Kemudian tRNA kedua dilampirkan dengan antikodonnya kepada kodon mRNA yang sepadan. Dalam kes ini, ribosom sudah mengandungi 2 asid amino, di antaranya ikatan peptida terbentuk. TRNA pertama meninggalkan ribosom sebaik sahaja ia menderma asid amino kepada rantai polipeptida pada ribosom. Kemudian asid amino ke-3 ditambah kepada dipeptida, ia dibawa oleh tRNA ketiga, dsb. Sintesis protein berhenti pada salah satu kodon terminal - UAA, UAG, UGA (Rajah 23).

1 – kodon mRNA; kodonUCGUCG; CUACUA; CGU -Universiti Negeri Tengah;

2– antikodon tRNA; antikodon GAT - GAT

nasi. 21 . Fasa terjemahan: kodon mRNA tertarik kepada antikodon tRNA oleh nukleotida pelengkap (bes) yang sepadan.

Asid nukleik ialah bahan bermolekul tinggi yang terdiri daripada mononukleotida, yang disambungkan antara satu sama lain dalam rantai polimer menggunakan ikatan fosfodiester 3", 5" dan dibungkus dalam sel dengan cara tertentu.

Asid nukleik adalah biopolimer daripada dua jenis: asid ribonukleik (RNA) dan asid deoksiribonukleik (DNA). Setiap biopolimer terdiri daripada nukleotida yang berbeza dalam sisa karbohidrat (ribosa, deoksiribosa) dan salah satu daripada bes nitrogen (urasil, timin). Mengikut perbezaan ini, asid nukleik menerima namanya.

Struktur asid deoksiribonukleik

Asid nukleik mempunyai struktur primer, sekunder dan tertier.

Struktur utama DNA

Struktur utama DNA ialah rantai polinukleotida linear di mana mononukleotida disambungkan oleh ikatan fosfodiester 3", 5". Bahan permulaan untuk pemasangan rantai asid nukleik dalam sel ialah nukleosida 5"-trifosfat, yang, sebagai hasil daripada penyingkiran sisa asid β dan γ fosforik, mampu melekatkan atom karbon 3" nukleosida lain. . Oleh itu, atom karbon 3" satu deoksiribosa dikaitkan secara kovalen kepada 5" atom karbon deoksiribosa lain melalui satu residu asid fosforik dan membentuk rantai polinukleotida linear asid nukleik. Oleh itu nama: 3", 5" ikatan fosfodiester. Bes nitrogen tidak mengambil bahagian dalam menyambung nukleotida satu rantai (Rajah 1.).

Sambungan sedemikian, antara sisa molekul asid fosforik satu nukleotida dan karbohidrat yang lain, membawa kepada pembentukan rangka pentosa-fosfat molekul polinukleotida, di mana bes nitrogen dilekatkan pada sisi satu demi satu. Urutan susunan mereka dalam rantai molekul asid nukleik adalah khusus untuk sel-sel organisma yang berbeza, i.e. mempunyai watak tertentu (peraturan Chargaff).

Rantai DNA linear, panjangnya bergantung pada bilangan nukleotida yang termasuk dalam rantai, mempunyai dua hujung: satu dipanggil hujung 3" dan mengandungi hidroksil bebas, dan satu lagi dipanggil hujung 5" dan mengandungi fosforik. sisa asid. Litar adalah kutub dan boleh mempunyai arah 5"->3" dan 3"->5". Pengecualian adalah DNA bulat.

"Teks" genetik DNA terdiri daripada kod "perkataan" - triplet nukleotida dipanggil kodon. Bahagian DNA yang mengandungi maklumat tentang struktur utama semua jenis RNA dipanggil gen struktur.

Rantai DNA polinukleotida mencapai saiz yang sangat besar, jadi ia dibungkus dengan cara tertentu di dalam sel.

Semasa mengkaji komposisi DNA, Chargaff (1949) mewujudkan corak penting mengenai kandungan asas DNA individu. Mereka membantu mendedahkan struktur sekunder DNA. Corak ini dipanggil peraturan Chargaff. Peraturan Chargaff jumlah nukleotida purin adalah sama dengan jumlah nukleotida pirimidin, iaitu A+G / C+T = 1 kandungan adenine adalah sama dengan kandungan timin (A = T, atau A/T = 1); kandungan guanin adalah sama dengan kandungan sitosin (G = C, atau G/C = 1); bilangan kumpulan 6-amino adalah sama dengan bilangan kumpulan bes 6-keto yang terkandung dalam DNA: G + T = A + C; hanya jumlah A + T dan G + C adalah berubah-ubah Jika A + T > G-C, maka ini adalah jenis AT DNA; jika G+C > A+T, maka ini adalah DNA jenis GC. Peraturan ini menunjukkan bahawa apabila membina DNA, korespondensi yang agak ketat (berpasangan) mesti diperhatikan bukan asas purin dan pirimidin secara umum, tetapi khususnya timin dengan adenin dan sitosin dengan guanin. Berdasarkan peraturan ini, pada tahun 1953, Watson dan Crick mencadangkan model struktur sekunder DNA, yang dipanggil heliks berganda (Rajah).

Struktur sekunder DNA

Struktur sekunder DNA ialah heliks berganda, model yang dicadangkan oleh D. Watson dan F. Crick pada tahun 1953.

Prasyarat untuk mencipta model DNA

Hasil daripada analisis awal, dipercayai bahawa DNA dari mana-mana asal mengandungi kesemua empat nukleotida dalam kuantiti molar yang sama. Walau bagaimanapun, pada tahun 1940-an, E. Chargaff dan rakan-rakannya, sebagai hasil daripada menganalisis DNA yang diasingkan daripada pelbagai organisma, jelas menunjukkan bahawa ia mengandungi bes nitrogen dalam nisbah kuantitatif yang berbeza. Chargaff mendapati bahawa walaupun nisbah ini adalah sama untuk DNA daripada semua sel spesies organisma yang sama, DNA daripada spesies berbeza boleh berbeza dengan ketara dalam kandungan nukleotida tertentu. Ini mencadangkan bahawa perbezaan dalam nisbah bes nitrogen mungkin dikaitkan dengan beberapa jenis kod biologi. Walaupun nisbah asas purin dan pirimidin individu dalam sampel DNA yang berbeza ternyata berbeza, apabila membandingkan keputusan ujian, corak tertentu muncul: dalam semua sampel, jumlah bilangan purin adalah sama dengan jumlah bilangan pirimidin (A + G = T + C), jumlah adenin adalah sama dengan jumlah timin (A = T), dan jumlah guanin ialah jumlah sitosin (G = C). DNA yang diasingkan daripada sel mamalia secara amnya lebih kaya dengan adenine dan timin dan lebih miskin dalam guanin dan sitosin, manakala DNA daripada bakteria lebih kaya dengan guanin dan sitosin dan secara relatifnya lebih miskin dalam adenina dan timin. Data ini membentuk bahagian penting dalam bahan fakta berdasarkan model struktur DNA Watson-Crick yang kemudiannya dibina.

Satu lagi petunjuk tidak langsung penting tentang kemungkinan struktur DNA telah disediakan oleh data L. Pauling mengenai struktur molekul protein. Pauling menunjukkan bahawa beberapa konfigurasi stabil yang berbeza bagi rantai asid amino dalam molekul protein adalah mungkin. Satu konfigurasi rantai peptida biasa, α-helix, ialah struktur heliks biasa. Dengan struktur ini, pembentukan ikatan hidrogen antara asid amino yang terletak pada lilitan rantai bersebelahan adalah mungkin. Pauling menerangkan konfigurasi α-heliks rantai polipeptida pada tahun 1950 dan mencadangkan bahawa molekul DNA mungkin mempunyai struktur heliks yang dipegang oleh ikatan hidrogen.

Walau bagaimanapun, maklumat yang paling berharga tentang struktur molekul DNA telah disediakan oleh hasil analisis difraksi sinar-X. Sinar-X yang melalui kristal DNA mengalami pembelauan, iaitu, ia terpesong ke arah tertentu. Tahap dan sifat pesongan sinar bergantung pada struktur molekul itu sendiri. Corak pembelauan sinar-X (Rajah 3) memberikan mata yang berpengalaman beberapa petunjuk tidak langsung mengenai struktur molekul bahan yang dikaji. Analisis corak pembelauan sinar-X DNA membawa kepada kesimpulan bahawa bes nitrogen (yang mempunyai bentuk rata) tersusun seperti timbunan plat. Corak difraksi sinar-X mendedahkan tiga tempoh utama dalam struktur DNA kristal: 0.34, 2 dan 3.4 nm.

Model DNA Watson-Crick

Berdasarkan data analisis Chargaff, corak sinar-X Wilkins, dan penyelidikan ahli kimia yang memberikan maklumat tentang jarak tepat antara atom dalam molekul, sudut antara ikatan atom tertentu, dan saiz atom, Watson dan Crick mula membina model fizikal komponen individu molekul DNA pada skala tertentu dan "menyesuaikan" antara satu sama lain sedemikian rupa sehingga sistem yang dihasilkan sepadan dengan pelbagai data eksperimen. [tunjukkan] .

Telah diketahui lebih awal lagi bahawa nukleotida jiran dalam rantai DNA disambungkan oleh jambatan fosfodiester, menghubungkan atom 5"-karbon deoksiribosa satu nukleotida dengan atom deoksiribosa 3"-karbon nukleotida seterusnya. Watson dan Crick tidak meragui bahawa tempoh 0.34 nm sepadan dengan jarak antara nukleotida berturut-turut dalam rantai DNA. Selanjutnya, boleh diandaikan bahawa tempoh 2 nm sepadan dengan ketebalan rantai. Dan untuk menjelaskan struktur sebenar yang sepadan dengan tempoh 3.4 nm, Watson dan Crick, serta Pauling sebelum ini, mencadangkan bahawa rantai itu dipintal dalam bentuk lingkaran (atau, lebih tepat lagi, membentuk garis heliks, kerana lingkaran dalam erti kata yang ketat perkataan ini diperolehi apabila gegelung membentuk permukaan kon dan bukannya silinder di angkasa). Kemudian tempoh 3.4 nm akan sepadan dengan jarak antara pusingan berturut-turut heliks ini. Lingkaran sedemikian boleh menjadi sangat padat atau agak terbentang, iaitu, lilitannya boleh rata atau curam. Oleh kerana tempoh 3.4 nm adalah tepat 10 kali jarak antara nukleotida berturut-turut (0.34 nm), adalah jelas bahawa setiap pusingan lengkap heliks mengandungi 10 nukleotida. Daripada data ini, Watson dan Crick dapat mengira ketumpatan rantai polinukleotida yang dipintal menjadi heliks dengan diameter 2 nm, dengan jarak antara lilitan 3.4 nm. Ternyata rantai sedemikian akan mempunyai ketumpatan yang separuh daripada ketumpatan sebenar DNA, yang sudah diketahui. Saya terpaksa mengandaikan bahawa molekul DNA terdiri daripada dua rantai - bahawa ia adalah heliks berganda nukleotida.

Tugas seterusnya, sudah tentu, untuk menjelaskan hubungan ruang antara dua rantai yang membentuk heliks berganda. Setelah mencuba beberapa pilihan untuk susunan rantai pada model fizikal mereka, Watson dan Crick mendapati bahawa semua data yang tersedia paling sesuai dengan pilihan di mana dua heliks polinukleotida pergi ke arah yang bertentangan; dalam kes ini, rantai yang terdiri daripada sisa gula dan fosfat membentuk permukaan heliks berganda, dan purin dan pirimidin terletak di dalamnya. Pangkalan yang terletak bertentangan antara satu sama lain, kepunyaan dua rantai, disambungkan secara berpasangan oleh ikatan hidrogen; Ikatan hidrogen inilah yang memegang rantai bersama-sama, dengan itu menetapkan konfigurasi keseluruhan molekul.

Heliks ganda DNA boleh dibayangkan sebagai tangga tali yang dipintal secara heliks, supaya anak tangganya kekal mendatar. Kemudian dua tali membujur akan sepadan dengan rantaian sisa gula dan fosfat, dan palang akan sepadan dengan pasangan bes nitrogen yang disambungkan oleh ikatan hidrogen.

Hasil daripada kajian lanjut tentang model yang mungkin, Watson dan Crick membuat kesimpulan bahawa setiap "palang" harus terdiri daripada satu purin dan satu pirimidin; pada tempoh 2 nm (bersesuaian dengan diameter heliks berganda), tidak akan ada ruang yang cukup untuk dua purin, dan dua pirimidin tidak boleh cukup rapat antara satu sama lain untuk membentuk ikatan hidrogen yang betul. Kajian mendalam mengenai model terperinci menunjukkan bahawa adenine dan sitosin, semasa membentuk gabungan saiz yang sesuai, masih tidak boleh diletakkan sedemikian rupa sehingga ikatan hidrogen akan terbentuk di antara mereka. Laporan yang sama memaksa pengecualian kombinasi guanina - timin, manakala kombinasi adenine - timin dan guanina - sitosin ternyata agak boleh diterima. Sifat ikatan hidrogen adalah sedemikian rupa sehingga adenin membentuk pasangan dengan timin, dan guanin dengan sitosin. Idea pasangan asas khusus ini memungkinkan untuk menerangkan "peraturan Chargaff", mengikut mana dalam mana-mana molekul DNA jumlah adenine sentiasa sama dengan kandungan timin, dan jumlah guanin sentiasa sama dengan jumlah daripada sitosin. Dua ikatan hidrogen terbentuk antara adenine dan timin, dan tiga antara guanin dan sitosin. Disebabkan kekhususan ini, pembentukan ikatan hidrogen terhadap setiap adenin dalam satu rantai menyebabkan timin terbentuk pada yang lain; dengan cara yang sama, hanya sitosin boleh bertentangan dengan setiap guanin. Oleh itu, rantai itu saling melengkapi antara satu sama lain, iaitu jujukan nukleotida dalam satu rantai secara unik menentukan jujukannya dalam rantai yang lain. Kedua-dua rantai berjalan dalam arah yang bertentangan dan kumpulan fosfat terminal mereka berada di hujung bertentangan heliks berganda.

Hasil daripada penyelidikan mereka, pada tahun 1953 Watson dan Crick mencadangkan model struktur molekul DNA (Rajah 3), yang kekal relevan sehingga hari ini. Menurut model, molekul DNA terdiri daripada dua rantai polinukleotida pelengkap. Setiap helai DNA ialah polinukleotida yang terdiri daripada beberapa puluh ribu nukleotida. Di dalamnya, nukleotida jiran membentuk tulang belakang pentosa-fosfat biasa kerana sambungan sisa asid fosforik dan deoksiribosa oleh ikatan kovalen yang kuat. Bes bernitrogen bagi satu rantai polinukleotida disusun dalam susunan yang ditetapkan dengan ketat bertentangan dengan bes nitrogen yang lain. Pertukaran bes nitrogen dalam rantai polinukleotida adalah tidak teratur.

Susunan bes nitrogen dalam rantai DNA adalah pelengkap (dari bahasa Yunani "pelengkap" - penambahan), i.e. Timina (T) sentiasa menentang adenin (A), dan hanya sitosin (C) menentang guanin (G). Ini dijelaskan oleh fakta bahawa A dan T, serta G dan C, sangat sesuai antara satu sama lain, i.e. saling melengkapi. Korespondensi ini ditentukan oleh struktur kimia asas, yang membolehkan pembentukan ikatan hidrogen dalam pasangan purin dan pirimidin. Terdapat dua sambungan antara A dan T, dan tiga antara G dan C. Ikatan ini memberikan penstabilan separa molekul DNA di angkasa. Kestabilan heliks berganda adalah berkadar terus dengan bilangan ikatan G≡C, yang lebih stabil berbanding ikatan A=T.

Urutan susunan nukleotida yang diketahui dalam satu rantai DNA memungkinkan, menurut prinsip saling melengkapi, untuk membentuk nukleotida rantai lain.

Di samping itu, telah ditetapkan bahawa bes nitrogen yang mempunyai struktur aromatik dalam larutan akueus terletak satu di atas yang lain, membentuk, seolah-olah, timbunan syiling. Proses pembentukan timbunan molekul organik ini dipanggil tindanan. Rantai polinukleotida molekul DNA model Watson-Crick yang sedang dipertimbangkan mempunyai keadaan fizikokimia yang sama, bes nitrogen mereka disusun dalam bentuk timbunan syiling, di antara satah yang mana interaksi van der Waals (interaksi susun) timbul.

Ikatan hidrogen antara bes pelengkap (mendatar) dan interaksi susun antara satah bes dalam rantai polinukleotida disebabkan oleh daya van der Waals (menegak) menyediakan molekul DNA dengan penstabilan tambahan dalam ruang.

Tulang belakang gula fosfat kedua-dua rantai menghadap ke luar, dan pangkalan menghadap ke dalam, ke arah satu sama lain. Arah rantai dalam DNA adalah antiselari (salah satu daripadanya mempunyai arah 5"->3", yang lain - 3"->5", iaitu hujung 3" satu rantai terletak bertentangan dengan hujung 5" yang lain.). Rantai membentuk lingkaran tangan kanan dengan paksi yang sama. Satu pusingan heliks ialah 10 nukleotida, saiz lilitan ialah 3.4 nm, ketinggian setiap nukleotida ialah 0.34 nm, diameter heliks ialah 2.0 nm. Hasil daripada putaran satu helai di sekeliling yang lain, alur utama (kira-kira 20 Å diameter) dan alur kecil (kira-kira 12 Å diameter) heliks berganda DNA terbentuk. Bentuk heliks ganda Watson-Crick ini kemudiannya dipanggil bentuk B. Dalam sel, DNA biasanya wujud dalam bentuk B, iaitu yang paling stabil.

Fungsi DNA

Model yang dicadangkan menjelaskan banyak sifat biologi asid deoksiribonukleik, termasuk penyimpanan maklumat genetik dan kepelbagaian gen yang disediakan oleh pelbagai jenis kombinasi berurutan 4 nukleotida dan fakta kewujudan kod genetik, keupayaan untuk membiak sendiri. dan menghantar maklumat genetik yang disediakan oleh proses replikasi, dan pelaksanaan maklumat genetik dalam bentuk protein, serta sebarang sebatian lain yang terbentuk dengan bantuan protein enzim.

Fungsi asas DNA.

1. DNA adalah pembawa maklumat genetik, yang dipastikan oleh fakta kewujudan kod genetik.
2. Pembiakan dan penghantaran maklumat genetik merentasi generasi sel dan organisma. Fungsi ini disediakan oleh proses replikasi.
3. Pelaksanaan maklumat genetik dalam bentuk protein, serta sebarang sebatian lain yang terbentuk dengan bantuan protein enzim. Fungsi ini disediakan oleh proses transkripsi dan terjemahan.

Bentuk organisasi DNA rantai dua

DNA boleh membentuk beberapa jenis heliks berganda (Rajah 4). Pada masa ini, enam bentuk sudah diketahui (dari A hingga E dan bentuk Z).

Bentuk struktur DNA, seperti yang ditubuhkan Rosalind Franklin, bergantung pada ketepuan molekul asid nukleik dengan air. Dalam kajian gentian DNA menggunakan analisis pembelauan sinar-X, telah ditunjukkan bahawa corak sinar-X secara radikal bergantung kepada kelembapan relatif pada tahap ketepuan air gentian ini eksperimen itu berlaku. Jika gentian itu cukup tepu dengan air, maka satu corak x-ray diperolehi. Apabila dikeringkan, corak sinar-X yang berbeza sama sekali muncul, sangat berbeza daripada corak sinar-X gentian kelembapan tinggi.

Molekul DNA kelembapan tinggi dipanggil B-bentuk. Di bawah keadaan fisiologi (kepekatan garam yang rendah, tahap penghidratan yang tinggi), jenis struktur DNA yang dominan ialah bentuk B (bentuk utama DNA terkandas dua - model Watson-Crick). Pic heliks bagi molekul sedemikian ialah 3.4 nm. Terdapat 10 pasangan pelengkap setiap giliran dalam bentuk susunan berpintal "syiling" - bes nitrogen. Tindanan disatukan oleh ikatan hidrogen di antara dua "syiling" yang bertentangan pada tindanan, dan "diluka" oleh dua reben tulang belakang fosfodiester yang dipintal menjadi heliks tangan kanan. Satah asas nitrogen berserenjang dengan paksi heliks. Pasangan pelengkap bersebelahan diputar secara relatif antara satu sama lain sebanyak 36°. Diameter heliks ialah 20Å, dengan nukleotida purin menduduki 12Å dan nukleotida pirimidin 8Å.

Molekul DNA kelembapan yang lebih rendah dipanggil bentuk A. Bentuk A terbentuk dalam keadaan penghidratan yang kurang tinggi dan pada kandungan ion Na + atau K + yang lebih tinggi. Konformasi heliks tangan kanan yang lebih luas ini mempunyai 11 pasangan asas setiap pusingan. Satah asas nitrogen mempunyai kecenderungan yang lebih kuat kepada paksi heliks; ia terpesong daripada paksi normal kepada paksi heliks sebanyak 20°. Ini membayangkan kehadiran lompang dalaman dengan diameter 5Å. Jarak antara nukleotida bersebelahan ialah 0.23 nm, panjang lilitan ialah 2.5 nm, dan diameter heliks ialah 2.3 nm.

Bentuk A DNA pada mulanya dianggap kurang penting. Walau bagaimanapun, ia kemudian menjadi jelas bahawa bentuk A DNA, seperti bentuk B, mempunyai kepentingan biologi yang sangat besar. Heliks RNA-DNA dalam kompleks templat-primer mempunyai bentuk A, serta heliks RNA-RNA dan struktur jepit rambut RNA (kumpulan 2'-hidroksil ribosa menghalang molekul RNA daripada membentuk bentuk B). Bentuk A DNA terdapat dalam spora. Telah ditetapkan bahawa bentuk A DNA adalah 10 kali lebih tahan terhadap sinar UV daripada bentuk B.

Bentuk A dan bentuk B dipanggil bentuk kanonik DNA.

Borang C-E juga tangan kanan, pembentukan mereka hanya boleh diperhatikan dalam eksperimen khas, dan, nampaknya, mereka tidak wujud dalam vivo. Bentuk C DNA mempunyai struktur yang serupa dengan DNA B. Bilangan pasangan asas setiap pusingan ialah 9.33, panjang pusingan heliks ialah 3.1 nm. Pasangan asas condong pada sudut 8 darjah berbanding kedudukan serenjang dengan paksi. Saiz alur adalah serupa dengan alur B-DNA. Dalam kes ini, alur utama agak cetek, dan alur kecil lebih dalam. Polinukleotida DNA semulajadi dan sintetik boleh berubah menjadi bentuk-C.

Jadual 1. Ciri-ciri beberapa jenis struktur DNA
Jenis lingkaran	A	B	Z
Padang lingkaran	0.32 nm	3.38 nm	4.46 nm
Pusingan lingkaran	Betul	Betul	Dibiarkan
Bilangan pasangan asas setiap giliran	11	10	12
Jarak antara satah asas	0.256 nm	0.338 nm	0.371 nm
Konformasi ikatan glikosidik	anti	anti	anti-C dosa-G
Konformasi cincin furanose	C3"-endo	C2"-endo	C3"-endo-G C2"-endo-C
Lebar alur, kecil/besar	1.11/0.22 nm	0.57/1.17 nm	0.2/0.88 nm
Kedalaman alur, kecil/besar	0.26/1.30 nm	0.82/0.85 nm	1.38/0.37 nm
Diameter lingkaran	2.3 nm	2.0 nm	1.8 nm

Unsur struktur DNA
(struktur DNA bukan kanonik)

Unsur-unsur struktur DNA termasuk struktur luar biasa yang dihadkan oleh beberapa urutan khas:

DNA bentuk Z - terbentuk di tempat DNA bentuk B, di mana purin berselang-seli dengan pirimidin atau dalam ulangan yang mengandungi sitosin metilasi. Palindrom ialah jujukan terbalik, ulangan terbalik bagi jujukan asas yang mempunyai simetri tertib kedua berbanding dua helai DNA dan membentuk "jepit rambut" dan "salib." Bentuk H DNA dan DNA triple helices terbentuk apabila terdapat bahagian yang mengandungi hanya purin dalam satu rantai dupleks Watson-Crick biasa, dan dalam rantai kedua, masing-masing, pirimidin yang saling melengkapi. G-quadruplex (G-4) ialah heliks DNA empat rantai, di mana 4 bes guanin daripada rantai berbeza membentuk G-quartet (G-tetrads), yang disatukan oleh ikatan hidrogen untuk membentuk G-quadruplexes.

DNA bentuk Z telah ditemui pada tahun 1979 semasa mengkaji heksanukleotida d(CG)3 -. Ia ditemui oleh profesor MIT Alexander Rich dan rakan-rakannya. Bentuk Z telah menjadi salah satu unsur struktur DNA yang paling penting kerana fakta bahawa pembentukannya telah diperhatikan di kawasan DNA di mana purin berselang-seli dengan pirimidin (contohnya, 5'-GCGCGC-3'), atau dalam ulangan 5 '-CGCGCG-3' mengandungi sitosin metilasi. Keadaan penting untuk pembentukan dan penstabilan Z-DNA ialah kehadiran nukleotida purin di dalamnya dalam konformasi syn, berselang seli dengan asas pirimidin dalam anti konformasi.

Molekul DNA semulajadi terutamanya wujud dalam bentuk B tangan kanan melainkan ia mengandungi urutan seperti (CG)n. Walau bagaimanapun, jika jujukan sedemikian adalah sebahagian daripada DNA, maka bahagian ini, apabila kekuatan ionik larutan atau kation yang meneutralkan cas negatif pada rangka kerja fosfodiester berubah, bahagian ini boleh berubah menjadi bentuk Z, manakala bahagian lain DNA dalam rantai kekal dalam bentuk B klasik. Kemungkinan peralihan sedemikian menunjukkan bahawa dua helai dalam heliks berganda DNA berada dalam keadaan dinamik dan boleh berehat secara relatif antara satu sama lain, bergerak dari bentuk tangan kanan kepada yang kidal dan sebaliknya. Akibat biologi labiliti sedemikian, yang membolehkan transformasi konformasi struktur DNA, masih belum difahami sepenuhnya. Adalah dipercayai bahawa bahagian Z-DNA memainkan peranan tertentu dalam mengawal ekspresi gen tertentu dan mengambil bahagian dalam penggabungan semula genetik.

DNA bentuk Z ialah heliks berganda kidal di mana tulang belakang fosfodiester terletak dalam corak zigzag di sepanjang paksi molekul. Oleh itu nama molekul (zigzag)-DNK. Z-DNA ialah DNA paling sedikit berpintal (12 pasangan asas setiap giliran) dan DNA paling nipis yang diketahui dalam alam semula jadi. Jarak antara nukleotida bersebelahan ialah 0.38 nm, panjang pusingan ialah 4.56 nm, dan diameter Z-DNA ialah 1.8 nm. Di samping itu, penampilan molekul DNA ini dibezakan dengan kehadiran satu alur.

Bentuk Z DNA telah ditemui dalam sel prokariotik dan eukariotik. Antibodi kini telah diperolehi yang boleh membezakan bentuk-Z daripada bentuk-B DNA. Antibodi ini mengikat kawasan tertentu kromosom gergasi sel kelenjar air liur Drosophila (Dr. melanogaster). Tindak balas pengikatan mudah dipantau kerana struktur luar biasa kromosom ini, di mana kawasan yang lebih padat (cakera) berbeza dengan kawasan yang kurang padat (antara cakera). Kawasan Z-DNA terletak dalam interdisc. Ia berikutan daripada ini bahawa bentuk Z sebenarnya wujud dalam keadaan semula jadi, walaupun saiz bahagian individu bentuk Z masih tidak diketahui.

(inverter) ialah jujukan asas yang paling terkenal dan kerap berlaku dalam DNA. Palindrom ialah perkataan atau frasa yang berbunyi sama dari kiri ke kanan dan sebaliknya. Contoh perkataan atau frasa tersebut ialah: HUT, COSSACK, BANJIR, DAN MAWAR JATUH DI KAKI AZOR. Apabila digunakan pada bahagian DNA, istilah ini (palindrome) bermaksud penggantian nukleotida yang sama di sepanjang rantai dari kanan ke kiri dan kiri ke kanan (seperti huruf dalam perkataan "pondok", dll.).

Palindrom dicirikan oleh kehadiran ulangan terbalik bagi jujukan asas yang mempunyai simetri tertib kedua berbanding dua helai DNA. Urutan sedemikian, atas sebab yang jelas, adalah pelengkap diri dan cenderung membentuk struktur jepit rambut atau salib (Rajah). Sepit rambut membantu protein pengawalseliaan mengenali tempat teks genetik DNA kromosom disalin.

Apabila ulangan terbalik hadir pada helai DNA yang sama, urutan itu dipanggil ulangan cermin. Ulangan cermin tidak mempunyai sifat saling melengkapi dan, oleh itu, tidak mampu membentuk struktur jepit rambut atau salib. Urutan jenis ini terdapat dalam hampir semua molekul DNA yang besar dan boleh terdiri daripada hanya beberapa pasangan asas kepada beberapa ribu pasangan asas.

Kehadiran palindrom dalam bentuk struktur salib dalam sel eukariotik belum terbukti, walaupun sebilangan struktur salib telah dikesan secara in vivo dalam sel E. coli. Kehadiran urutan pelengkap diri dalam RNA atau DNA untai tunggal adalah sebab utama lipatan rantai asid nukleik dalam larutan ke dalam struktur spatial tertentu, yang dicirikan oleh pembentukan banyak "jepit rambut".

DNA bentuk H ialah heliks yang dibentuk oleh tiga helai DNA - heliks triple DNA. Ia adalah kompleks heliks berkembar Watson-Crick dengan helai DNA untai tunggal ketiga, yang sesuai dengan alur utamanya, membentuk pasangan Hoogsteen yang dipanggil.

Pembentukan tripleks sedemikian berlaku akibat lipatan heliks berganda DNA sedemikian rupa sehingga separuh bahagiannya kekal dalam bentuk heliks berganda, dan separuh lagi dipisahkan. Dalam kes ini, salah satu heliks yang terputus membentuk struktur baru dengan separuh pertama heliks berganda - heliks tiga kali ganda, dan yang kedua ternyata tidak berstruktur, dalam bentuk bahagian terkandas tunggal. Satu ciri peralihan struktur ini ialah pergantungan tajamnya pada pH medium, yang protonnya menstabilkan struktur baru. Disebabkan oleh ciri ini, struktur baru dipanggil DNA bentuk-H, yang pembentukannya ditemui dalam plasmid bergelung super yang mengandungi kawasan homopurine-homopyrimidine, yang merupakan ulangan cermin.

Dalam kajian lanjut, telah ditetapkan bahawa adalah mungkin untuk menjalankan peralihan struktur beberapa polinukleotida untai dua homopurine-homopyrimidine dengan pembentukan struktur tiga untai yang mengandungi:

• satu homopurine dan dua helai homopyrimidine ( Py-Pu-Py tripleks) [Interaksi Hoogsteen].

  Blok konstituen tripleks Py-Pu-Py ialah triad CGC+ isomorfik kanonik dan TAT. Penstabilan tripleks memerlukan protonasi triad CGC+, jadi tripleks ini bergantung pada pH larutan.

• satu homopyrimidine dan dua helai homopurine ( Py-Pu-Pu tripleks) [interaksi Hoogsteen songsang].

  Blok konstituen tripleks Py-Pu-Pu ialah triad CGG dan TAA isomorfik kanonik. Sifat penting bagi tripleks Py-Pu-Pu ialah pergantungan kestabilannya pada kehadiran ion bercas dua kali ganda, dan ion berbeza diperlukan untuk menstabilkan tripleks daripada jujukan yang berbeza. Oleh kerana pembentukan tripleks Py-Pu-Pu tidak memerlukan protonasi nukleotida konstituennya, tripleks tersebut boleh wujud pada pH neutral.

  Nota: interaksi Hoogsteen secara langsung dan terbalik dijelaskan oleh simetri 1-metilthymine: putaran 180° mengakibatkan atom O2 menggantikan atom O4, manakala sistem ikatan hidrogen dikekalkan.

Dua jenis triple helices diketahui:

1. tiga heliks selari di mana kekutuban helai ketiga bertepatan dengan kekutuban rantai homopurine dupleks Watson-Crick
2. heliks tiga kali ganda antiselari, di mana kekutuban rantai ketiga dan homopurine adalah bertentangan.

Rantai homolog kimia dalam kedua-dua tripleks Py-Pu-Pu dan Py-Pu-Py berada dalam orientasi antiselari. Ini selanjutnya disahkan oleh data spektroskopi NMR.

G-quadruplex- DNA 4 helai. Struktur ini terbentuk jika terdapat empat guanine, yang membentuk apa yang dipanggil G-quadruplex - tarian bulat empat guanine.

Petunjuk pertama kemungkinan pembentukan struktur sedemikian diterima jauh sebelum kerja terobosan Watson dan Crick - pada tahun 1910. Kemudian ahli kimia Jerman Ivar Bang mendapati bahawa salah satu komponen DNA - asid guanosinik - membentuk gel pada kepekatan tinggi, manakala komponen DNA lain tidak mempunyai sifat ini.

Pada tahun 1962, menggunakan kaedah pembelauan sinar-X, adalah mungkin untuk menubuhkan struktur sel gel ini. Ia ternyata terdiri daripada empat sisa guanin, menghubungkan antara satu sama lain dalam bulatan dan membentuk segi empat sama. Di tengah, ikatan disokong oleh ion logam (Na, K, Mg). Struktur yang sama boleh terbentuk dalam DNA jika ia mengandungi banyak guanin. Petak rata (G-kuartet) ini disusun untuk membentuk struktur padat yang agak stabil (G-quadruplexes).

Empat untaian DNA yang berasingan boleh ditenun menjadi kompleks empat untai, tetapi ini adalah pengecualian. Selalunya, sehelai tunggal asid nukleik hanya diikat menjadi simpulan, membentuk penebalan ciri (contohnya, pada hujung kromosom), atau DNA untai dua di beberapa kawasan yang kaya dengan guanin membentuk kuadrupleks tempatan.

Kewujudan quadruplexes pada hujung kromosom - pada telomer dan dalam promoter tumor - paling banyak dikaji. Walau bagaimanapun, gambaran lengkap tentang penyetempatan DNA sedemikian dalam kromosom manusia masih tidak diketahui.

Kesemua struktur DNA luar biasa dalam bentuk linear ini tidak stabil berbanding dengan DNA bentuk B. Walau bagaimanapun, DNA selalunya wujud dalam bentuk bulatan tegangan topologi apabila ia mempunyai apa yang dipanggil supercoiling. Di bawah keadaan ini, struktur DNA bukan kanonik mudah dibentuk: bentuk Z, "salib" dan "jepit rambut", bentuk H, kuadrupleks guanin dan motif i.

• Bentuk supercoiled - diperhatikan apabila dilepaskan daripada nukleus sel tanpa merosakkan tulang belakang pentosa fosfat. Ia mempunyai bentuk cincin tertutup yang sangat berpintal. Dalam keadaan supercoiled, heliks ganda DNA "dipintal ke dirinya sendiri" sekurang-kurangnya sekali, iaitu, ia mengandungi sekurang-kurangnya satu pusingan (mengambil bentuk angka lapan).
• Keadaan DNA yang santai - diperhatikan dengan rehat tunggal (pecah satu helai). Dalam kes ini, supergegelung hilang dan DNA mengambil bentuk cincin tertutup.
• Bentuk linear DNA diperhatikan apabila dua helai heliks berganda terputus.

Ketiga-tiga bentuk DNA ini mudah dipisahkan oleh elektroforesis gel.

Struktur tertier DNA

Struktur tertier DNA terbentuk sebagai hasil daripada belitan tambahan dalam ruang molekul heliks berganda - gegelung supernya. Supercoiling molekul DNA dalam sel eukariotik, tidak seperti prokariot, berlaku dalam bentuk kompleks dengan protein.

Hampir semua DNA eukariota terdapat dalam kromosom nukleus; hanya sejumlah kecil terkandung dalam mitokondria, dan dalam tumbuhan, dalam plastid. Bahan utama kromosom sel eukariotik (termasuk kromosom manusia) ialah kromatin, yang terdiri daripada DNA rantai ganda, protein histon dan bukan histon.

Protein kromatin histon

Histon ialah protein ringkas yang membentuk sehingga 50% kromatin. Dalam semua sel haiwan dan tumbuhan yang dikaji, lima kelas utama histon ditemui: H1, H2A, H2B, H3, H4, berbeza dari segi saiz, komposisi asid amino dan cas (sentiasa positif).

Histon mamalia H1 terdiri daripada rantai polipeptida tunggal yang mengandungi kira-kira 215 asid amino; saiz histon lain berbeza dari 100 hingga 135 asid amino. Kesemuanya dipintal dan dipintal menjadi globul dengan diameter kira-kira 2.5 nm, dan mengandungi sejumlah besar asid amino bercas positif lisin dan arginin yang luar biasa. Histon boleh asetilasi, metilasi, terfosforilasi, poli(ADP)-ribosilasi, dan histon H2A dan H2B dikaitkan secara kovalen kepada ubiquitin. Peranan pengubahsuaian sedemikian dalam pembentukan struktur dan prestasi fungsi oleh histon masih belum dijelaskan sepenuhnya. Diandaikan bahawa ini adalah keupayaan mereka untuk berinteraksi dengan DNA dan menyediakan salah satu mekanisme untuk mengawal tindakan gen.

Histon berinteraksi dengan DNA terutamanya melalui ikatan ionik (jambatan garam) yang terbentuk di antara kumpulan fosfat DNA bercas negatif dan sisa lisin dan arginin bercas positif histon.

Protein kromatin bukan histon

Protein bukan histon, tidak seperti histon, sangat pelbagai. Sehingga 590 pecahan berbeza protein bukan histon yang mengikat DNA telah diasingkan. Mereka juga dipanggil protein berasid, kerana strukturnya didominasi oleh asid amino berasid (ia adalah polianion). Kepelbagaian protein bukan histon dikaitkan dengan peraturan khusus aktiviti kromatin. Sebagai contoh, enzim yang diperlukan untuk replikasi dan ekspresi DNA mungkin mengikat kepada kromatin secara sementara. Protein lain, katakan, yang terlibat dalam pelbagai proses pengawalseliaan, mengikat DNA hanya dalam tisu tertentu atau pada peringkat pembezaan tertentu. Setiap protein adalah pelengkap kepada urutan tertentu nukleotida DNA (tapak DNA). Kumpulan ini termasuk:

• keluarga protein jari zink khusus tapak. Setiap "jari zink" mengenali tapak tertentu yang terdiri daripada 5 pasangan nukleotida.
• keluarga protein khusus tapak - homodimer. Serpihan protein sedemikian yang bersentuhan dengan DNA mempunyai struktur heliks-putar-heliks.
• protein gel mobiliti tinggi (protein HMG) ialah sekumpulan protein struktur dan pengawalseliaan yang sentiasa dikaitkan dengan kromatin. Mereka mempunyai berat molekul kurang daripada 30 kDa dan dicirikan oleh kandungan asid amino bercas yang tinggi. Oleh kerana berat molekulnya yang rendah, protein HMG mempunyai mobiliti yang tinggi semasa elektroforesis gel poliakrilamida.
• replikasi, transkripsi dan pembaikan enzim.

Dengan penyertaan struktur, protein pengawalseliaan dan enzim yang terlibat dalam sintesis DNA dan RNA, benang nukleosom ditukar menjadi kompleks protein dan DNA yang sangat pekat. Struktur yang terhasil adalah 10,000 kali lebih pendek daripada molekul DNA asal.

Kromatin

Kromatin ialah kompleks protein dengan DNA nuklear dan bahan bukan organik. Sebahagian besar kromatin tidak aktif. Ia mengandungi DNA yang padat dan pekat. Ini adalah heterochromatin. Terdapat konstitutif, kromatin tidak aktif secara genetik (DNA satelit) yang terdiri daripada kawasan tidak dinyatakan, dan fakultatif - tidak aktif dalam beberapa generasi, tetapi dalam keadaan tertentu yang mampu diungkapkan.

Kromatin aktif (eukromatin) tidak terkondensasi, i.e. dibungkus kurang padat. Dalam sel yang berbeza kandungannya berkisar antara 2 hingga 11%. Dalam sel otak ia paling banyak - 10-11%, dalam sel hati - 3-4 dan sel buah pinggang - 2-3%. Transkripsi aktif euchromatin dicatatkan. Selain itu, organisasi strukturnya membenarkan maklumat DNA genetik yang sama yang wujud dalam jenis organisma tertentu untuk digunakan secara berbeza dalam sel khusus.

Dalam mikroskop elektron, imej kromatin menyerupai manik: penebalan sfera bersaiz kira-kira 10 nm, dipisahkan oleh jambatan seperti benang. Penebalan sfera ini dipanggil nukleosom. Nukleosom ialah unit struktur kromatin. Setiap nukleosom mengandungi 146-bp supercoiled segmen DNA luka untuk membentuk 1.75 pusingan kiri setiap teras nukleosomal. Teras nukleosomal ialah oktamer histon yang terdiri daripada histon H2A, H2B, H3 dan H4, dua molekul setiap jenis (Rajah 9), yang kelihatan seperti cakera dengan diameter 11 nm dan ketebalan 5.7 nm. Histon kelima, H1, bukan sebahagian daripada teras nukleosom dan tidak terlibat dalam proses penggulungan DNA ke oktamer histon. Ia menghubungi DNA di tapak di mana heliks berganda masuk dan keluar dari teras nukleosomal. Ini adalah bahagian DNA intercore (penyambung), yang panjangnya berbeza-beza bergantung pada jenis sel dari 40 hingga 50 pasangan nukleotida. Akibatnya, panjang serpihan DNA yang termasuk dalam nukleosom juga berbeza-beza (dari 186 hingga 196 pasangan nukleotida).

Nukleosom mengandungi kira-kira 90% DNA, selebihnya adalah penghubung. Adalah dipercayai bahawa nukleosom adalah serpihan kromatin "senyap", dan penghubung aktif. Walau bagaimanapun, nukleosom boleh terbentang dan menjadi linear. Nukleosom yang tidak dilipat sudah menjadi kromatin aktif. Ini jelas menunjukkan pergantungan fungsi pada struktur. Ia boleh diandaikan bahawa lebih banyak kromatin terkandung dalam nukleosom globular, semakin kurang aktifnya. Jelas sekali, dalam sel yang berbeza bahagian kromatin rehat yang tidak sama rata dikaitkan dengan bilangan nukleosom tersebut.

Dalam gambar mikroskopik elektron, bergantung kepada keadaan pengasingan dan tahap regangan, kromatin boleh kelihatan bukan sahaja sebagai benang panjang dengan penebalan - "manik" nukleosom, tetapi juga sebagai fibril (serat) yang lebih pendek dan padat dengan diameter 30 nm, pembentukan yang diperhatikan semasa interaksi histon H1 terikat pada kawasan penghubung DNA dan histon H3, yang membawa kepada tambahan berpusing heliks enam nukleosom setiap giliran untuk membentuk solenoid dengan diameter 30 nm. Dalam kes ini, protein histon boleh mengganggu transkripsi beberapa gen dan dengan itu mengawal aktiviti mereka.

Hasil daripada interaksi DNA dengan histon yang diterangkan di atas, satu segmen heliks berganda DNA daripada 186 pasangan bes dengan diameter purata 2 nm dan panjang 57 nm ditukar menjadi heliks dengan diameter 10 nm dan panjang 5 nm. Apabila heliks ini kemudiannya dimampatkan kepada gentian dengan diameter 30 nm, tahap pemeluwapan meningkat enam kali ganda lagi.

Akhirnya, pembungkusan dupleks DNA dengan lima histon menghasilkan pemeluwapan 50 kali ganda DNA. Walau bagaimanapun, walaupun tahap pemeluwapan yang tinggi tidak dapat menjelaskan pemadatan DNA hampir 50,000 - 100,000 kali ganda dalam kromosom metafasa. Malangnya, butiran pembungkusan kromatin lanjut sehingga kromosom metafasa belum diketahui, jadi kami hanya boleh mempertimbangkan ciri umum proses ini.

Tahap pemadatan DNA dalam kromosom

Setiap molekul DNA dibungkus ke dalam kromosom yang berasingan. Sel diploid manusia mengandungi 46 kromosom, yang terletak di dalam nukleus sel. Jumlah panjang DNA semua kromosom dalam sel ialah 1.74 m, tetapi diameter nukleus di mana kromosom dibungkus adalah berjuta-juta kali lebih kecil. Pembungkusan DNA padat sedemikian dalam kromosom dan kromosom dalam nukleus sel dipastikan oleh pelbagai protein histon dan bukan histon yang berinteraksi dalam urutan tertentu dengan DNA (lihat di atas). Pemadatan DNA dalam kromosom memungkinkan untuk mengurangkan dimensi linearnya kira-kira 10,000 kali - kira-kira dari 5 cm kepada 5 mikron. Terdapat beberapa tahap pemadatan (Rajah 10).

• DNA double helix ialah molekul bercas negatif dengan diameter 2 nm dan panjang beberapa cm.
• tahap nukleosom- kromatin kelihatan dalam mikroskop elektron sebagai rantaian "manik" - nukleosom - "pada benang". Nukleosom ialah unit struktur universal yang terdapat dalam kedua-dua eukromatin dan heterochromatin, dalam nukleus interfasa dan kromosom metafasa.

  Tahap pemadatan nukleosomal dipastikan oleh protein khas - histon. Lapan domain histon bercas positif membentuk teras nukleosom di sekeliling molekul DNA bercas negatif dililit. Ini memberikan pemendekan sebanyak 7 kali, manakala diameter meningkat daripada 2 hingga 11 nm.

• aras solenoid

  Tahap solenoid organisasi kromosom dicirikan oleh berpusing filamen nukleosom dan pembentukan fibril tebal 20-35 nm diameter - solenoid atau superbids. Padang solenoid ialah 11 nm terdapat kira-kira 6-10 nukleosom setiap giliran. Pembungkusan solenoid dianggap lebih berkemungkinan daripada pembungkusan superbid, mengikut mana fibril kromatin dengan diameter 20-35 nm ialah rantaian butiran, atau superbid, setiap satunya terdiri daripada lapan nukleosom. Pada tahap solenoid, saiz linear DNA dikurangkan sebanyak 6-10 kali, diameter meningkat kepada 30 nm.

• tahap gelung

  Tahap gelung disediakan oleh protein pengikat DNA bukan histon khusus tapak yang mengecam dan mengikat urutan DNA tertentu, membentuk gelung kira-kira 30-300 kb. Gelung memastikan ekspresi gen, i.e. gelung bukan sahaja struktur, tetapi juga pembentukan berfungsi. Pemendekan pada tahap ini berlaku 20-30 kali. Diameter meningkat kepada 300 nm. Struktur berbentuk gelung seperti "berus lampu" dalam oosit amfibia boleh dilihat dalam persediaan sitologi. Gelung ini kelihatan bergelung besar dan mewakili domain DNA, mungkin sepadan dengan unit transkripsi dan replikasi kromatin. Protein khusus membetulkan asas gelung dan, mungkin, beberapa bahagian dalamannya. Organisasi domain seperti gelung menggalakkan lipatan kromatin dalam kromosom metafasa ke dalam struktur heliks yang lebih tinggi.

• peringkat domain

  Tahap domain organisasi kromosom belum cukup dikaji. Pada tahap ini, pembentukan domain gelung diperhatikan - struktur benang (fibril) setebal 25-30 nm, yang mengandungi 60% protein, 35% DNA dan 5% RNA, boleh dikatakan tidak dapat dilihat dalam semua fasa kitaran sel dengan pengecualian mitosis dan diedarkan secara rawak ke seluruh nukleus sel. Struktur berbentuk gelung seperti "berus lampu" dalam oosit amfibia boleh dilihat dalam persediaan sitologi.

  Domain gelung dilampirkan pada pangkalannya pada matriks protein intranuklear dalam apa yang dipanggil tapak lampiran terbina dalam, sering dirujuk sebagai jujukan MAR/SAR (MAR, daripada wilayah berkaitan matriks Inggeris; SAR, daripada kawasan lampiran perancah bahasa Inggeris) - Serpihan DNA beberapa ratus pasangan asas panjang yang dicirikan oleh kandungan tinggi (>65%) pasangan nukleotida A/T. Setiap domain nampaknya mempunyai satu asal replikasi dan berfungsi sebagai unit superhelikal autonomi. Mana-mana domain gelung mengandungi banyak unit transkripsi, yang fungsinya mungkin diselaraskan - keseluruhan domain sama ada dalam keadaan aktif atau tidak aktif.

  Pada peringkat domain, hasil daripada pembungkusan kromatin berjujukan, penurunan dalam dimensi linear DNA berlaku kira-kira 200 kali (700 nm).

• tahap kromosom

  Pada peringkat kromosom, pemeluwapan kromosom prophase menjadi kromosom metafasa berlaku dengan pemadatan domain gelung di sekeliling rangka kerja paksi protein bukan histon. Supercoiling ini disertai dengan fosforilasi semua molekul H1 dalam sel. Akibatnya, kromosom metafasa boleh digambarkan sebagai gelung solenoid yang padat, digulung menjadi lingkaran yang ketat. Kromosom manusia biasa boleh mengandungi sehingga 2,600 gelung. Ketebalan struktur sedemikian mencapai 1400 nm (dua kromatid), dan molekul DNA dipendekkan sebanyak 104 kali, i.e. daripada 5 cm DNA yang diregangkan kepada 5 µm.

Fungsi kromosom

Dalam interaksi dengan mekanisme extrachromosomal, kromosom menyediakan

1. penyimpanan maklumat keturunan
2. menggunakan maklumat ini untuk mencipta dan mengekalkan organisasi selular
3. peraturan membaca maklumat turun temurun
4. pertindihan diri bahan genetik
5. pemindahan bahan genetik daripada sel induk kepada sel anak.

Terdapat bukti bahawa apabila bahagian kromatin diaktifkan, i.e. semasa transkripsi, histon pertama H1 dan kemudian oktet histon dibuang secara balik daripadanya. Ini menyebabkan dekondensasi kromatin, peralihan berurutan fibril kromatin 30-nm ke dalam fibril 10-nm dan seterusnya terbentang menjadi bahagian DNA bebas, i.e. kehilangan struktur nukleosom.

Kita semua tahu bahawa penampilan seseorang, beberapa tabiat dan juga penyakit adalah diwarisi. Semua maklumat tentang makhluk hidup ini dikodkan dalam gen. Jadi bagaimanakah rupa gen yang terkenal ini, bagaimana ia berfungsi dan di manakah lokasinya?

Jadi, pembawa semua gen mana-mana orang atau haiwan adalah DNA. Sebatian ini ditemui pada tahun 1869 oleh Johann Friedrich Miescher Secara kimia, DNA ialah asid deoksiribonukleik. Apakah maksud ini? Bagaimanakah asid ini membawa kod genetik semua kehidupan di planet kita?

Mari kita mulakan dengan melihat di mana DNA terletak. Sel manusia mengandungi banyak organel yang menjalankan pelbagai fungsi. DNA terletak di dalam nukleus. Nukleus adalah organel kecil, yang dikelilingi oleh membran khas, dan di mana semua bahan genetik - DNA - disimpan.

Apakah struktur molekul DNA?

Pertama sekali, mari kita lihat apa itu DNA. DNA adalah molekul yang sangat panjang yang terdiri daripada unsur-unsur struktur - nukleotida. Terdapat 4 jenis nukleotida - adenine (A), timin (T), guanin (G) dan sitosin (C). Rantaian nukleotida secara skematik kelihatan seperti ini: GGAATTCTAAG... Urutan nukleotida ini ialah rantai DNA.

Struktur DNA pertama kali ditafsirkan pada tahun 1953 oleh James Watson dan Francis Crick.

Dalam satu molekul DNA terdapat dua rantai nukleotida yang berpintal secara heliks antara satu sama lain. Bagaimanakah rantai nukleotida ini kekal bersama dan berpintal menjadi lingkaran? Fenomena ini disebabkan oleh sifat saling melengkapi. Komplementari bermaksud hanya nukleotida tertentu (pelengkap) boleh ditemui bertentangan antara satu sama lain dalam dua rantai. Oleh itu, adenin yang bertentangan sentiasa ada timin, dan guanin yang bertentangan sentiasa ada hanya sitosin. Oleh itu, guanine adalah pelengkap kepada sitosin, dan adenine adalah pelengkap kepada timin sepasang nukleotida yang bertentangan antara satu sama lain dalam rantai yang berbeza juga dipanggil pelengkap.

Ia boleh ditunjukkan secara skematik seperti berikut:

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

Pasangan pelengkap A - T dan G - C ini membentuk ikatan kimia antara nukleotida pasangan itu, dan ikatan antara G dan C lebih kuat daripada antara A dan T. Ikatan terbentuk dengan ketat antara bes pelengkap, iaitu pembentukan. ikatan antara G dan A bukan pelengkap adalah mustahil.

"Pembungkusan" DNA, bagaimana untaian DNA menjadi kromosom?

Mengapa rantai nukleotida DNA ini juga berpusing antara satu sama lain? Mengapa ini perlu? Hakikatnya ialah bilangan nukleotida adalah besar dan banyak ruang diperlukan untuk menampung rantai panjang tersebut. Atas sebab ini, dua helai DNA berpusing antara satu sama lain secara heliks. Fenomena ini dipanggil spiralisasi. Hasil daripada spiralisasi, rantai DNA dipendekkan sebanyak 5-6 kali.

Sesetengah molekul DNA digunakan secara aktif oleh badan, manakala yang lain jarang digunakan. Selain spiralisasi, molekul DNA yang jarang digunakan sedemikian menjalani "pembungkusan" yang lebih padat. Pembungkusan padat ini dipanggil supercoiling dan memendekkan untaian DNA sebanyak 25-30 kali ganda!

Bagaimanakah heliks DNA dibungkus?

Supercoiling menggunakan protein histon, yang mempunyai rupa dan struktur seperti batang atau gelendong benang. Untaian DNA berpilin dililit pada "gegelung" ini - protein histon. Oleh itu, benang panjang menjadi sangat padat dan mengambil ruang yang sangat sedikit.

Sekiranya perlu menggunakan satu atau satu lagi molekul DNA, proses "melepaskan" berlaku, iaitu, helai DNA "dilepaskan" dari "koleksi" - protein histon (jika ia dilukai padanya) dan dilepaskan dari lingkaran menjadi dua rantai selari. Dan apabila molekul DNA berada dalam keadaan tidak berpusing, maka maklumat genetik yang diperlukan boleh dibaca daripadanya. Lebih-lebih lagi, maklumat genetik hanya dibaca daripada helai DNA yang tidak dipintal!

Satu set kromosom bergelung super dipanggil heterokromatin, dan kromosom yang tersedia untuk membaca maklumat ialah eukromatin.

Apakah gen, apakah kaitannya dengan DNA?

Sekarang mari kita lihat apakah gen itu. Adalah diketahui bahawa terdapat gen yang menentukan jenis darah, warna mata, rambut, kulit dan banyak lagi sifat badan kita. Gen ialah bahagian DNA yang ditakrifkan dengan ketat, yang terdiri daripada sebilangan nukleotida tertentu yang disusun dalam kombinasi yang ditetapkan dengan ketat. Lokasi dalam bahagian DNA yang ditakrifkan dengan ketat bermakna gen tertentu ditetapkan tempatnya, dan adalah mustahil untuk menukar tempat ini. Adalah sesuai untuk membuat perbandingan berikut: seseorang tinggal di jalan tertentu, di rumah dan apartmen tertentu, dan seseorang tidak boleh secara sukarela berpindah ke rumah, apartmen atau jalan lain. Sebilangan nukleotida dalam gen bermakna setiap gen mempunyai bilangan nukleotida tertentu dan mereka tidak boleh menjadi lebih atau kurang. Sebagai contoh, pengekodan gen pengeluaran insulin terdiri daripada 60 pasangan nukleotida; pengekodan gen penghasilan hormon oksitosin - daripada 370 pasangan nukleotida.

Urutan nukleotida yang ketat adalah unik untuk setiap gen dan ditakrifkan dengan ketat. Sebagai contoh, urutan AATTAATA ialah serpihan gen yang mengekod pengeluaran insulin. Untuk mendapatkan insulin, urutan ini digunakan untuk mendapatkan, contohnya, adrenalin, kombinasi nukleotida yang berbeza digunakan. Adalah penting untuk memahami bahawa hanya gabungan nukleotida tertentu yang mengekodkan "produk" tertentu (adrenalin, insulin, dll.). Kombinasi unik sebilangan nukleotida tertentu, berdiri di "tempatnya" - ini gen.

Sebagai tambahan kepada gen, rantai DNA mengandungi apa yang dipanggil "jujukan bukan pengekodan". Urutan nukleotida bukan pengekodan sedemikian mengawal fungsi gen, membantu dalam spiralisasi kromosom, dan menandakan titik permulaan dan penamat gen. Walau bagaimanapun, sehingga kini, peranan kebanyakan jujukan bukan pengekodan masih tidak jelas.

Apakah kromosom? Kromosom seks

Pengumpulan gen individu dipanggil genom. Sememangnya, keseluruhan genom tidak boleh terkandung dalam satu DNA. Genom dibahagikan kepada 46 pasang molekul DNA. Sepasang molekul DNA dipanggil kromosom. Jadi, manusia mempunyai 46 daripada kromosom ini. Setiap kromosom membawa set gen yang ditakrifkan dengan ketat, contohnya, kromosom 18 mengandungi gen pengekodan warna mata, dsb. Kromosom berbeza antara satu sama lain dari segi panjang dan bentuk. Bentuk yang paling biasa ialah X atau Y, tetapi terdapat yang lain juga. Manusia mempunyai dua kromosom yang sama bentuk, yang dipanggil pasangan. Disebabkan perbezaan sedemikian, semua kromosom berpasangan diberi nombor - terdapat 23 pasangan. Ini bermakna terdapat pasangan kromosom No 1, pasangan No 2, No 3, dll. Setiap gen yang bertanggungjawab untuk sifat tertentu terletak pada kromosom yang sama. Garis panduan moden untuk pakar mungkin menunjukkan lokasi gen, contohnya, seperti berikut: kromosom 22, lengan panjang.

Apakah perbezaan antara kromosom?

Bagaimana lagi kromosom berbeza antara satu sama lain? Apakah maksud istilah bahu panjang? Mari kita ambil kromosom dalam bentuk X. Persilangan untaian DNA boleh berlaku dengan ketat di tengah (X), atau ia boleh berlaku bukan secara berpusat. Apabila persilangan untaian DNA sedemikian tidak berlaku secara berpusat, maka relatif kepada titik persilangan, beberapa hujung lebih panjang, yang lain, masing-masing, lebih pendek. Hujung panjang sedemikian biasanya dipanggil lengan panjang kromosom, dan hujung pendek dipanggil lengan pendek. Dalam kromosom bentuk Y, kebanyakan lengan diduduki oleh lengan panjang, dan yang pendek sangat kecil (mereka tidak ditunjukkan dalam imej skema).

Saiz kromosom berbeza-beza: yang terbesar ialah kromosom pasangan No. 1 dan No. 3, kromosom terkecil ialah pasangan No. 17, No. 19.

Selain bentuk dan saiznya, kromosom berbeza dalam fungsi yang mereka lakukan. Daripada 23 pasangan, 22 pasangan adalah somatik dan 1 pasangan adalah seksual. Apakah maksudnya? Kromosom somatik menentukan semua ciri luaran individu, ciri tindak balas tingkah lakunya, psikotaip keturunan, iaitu semua sifat dan ciri setiap individu. Sepasang kromosom seks menentukan jantina seseorang: lelaki atau perempuan. Terdapat dua jenis kromosom seks manusia: X (X) dan Y (Y). Jika mereka digabungkan sebagai XX (x - x) - ini adalah seorang wanita, dan jika XY (x - y) - kita mempunyai seorang lelaki.

Penyakit keturunan dan kerosakan kromosom

Walau bagaimanapun, "pecahan" genom berlaku, dan kemudian penyakit genetik dikesan pada manusia. Sebagai contoh, apabila terdapat tiga kromosom dalam pasangan kromosom ke-21 dan bukannya dua, seseorang dilahirkan dengan sindrom Down.

Terdapat banyak "pecahan" bahan genetik yang lebih kecil yang tidak membawa kepada penyakit, tetapi sebaliknya, memberikan sifat yang baik. Semua "pecahan" bahan genetik dipanggil mutasi. Mutasi yang membawa kepada penyakit atau kemerosotan sifat badan dianggap negatif, dan mutasi yang membawa kepada pembentukan sifat berfaedah baru dianggap positif.

Walau bagaimanapun, dengan kebanyakan penyakit yang dihidapi orang hari ini, ia bukan penyakit yang diwarisi, tetapi hanya kecenderungan. Sebagai contoh, bapa kepada seorang anak menyerap gula dengan perlahan. Ini tidak bermakna bahawa kanak-kanak itu akan dilahirkan dengan diabetes, tetapi kanak-kanak itu akan mempunyai kecenderungan. Ini bermakna jika kanak-kanak menyalahgunakan gula-gula dan produk tepung, dia akan menghidap diabetes.

Hari ini, yang dipanggil predikat ubat. Sebagai sebahagian daripada amalan perubatan ini, kecenderungan seseorang dikenal pasti (berdasarkan pengenalpastian gen yang sepadan), dan kemudian dia diberi cadangan - diet apa yang perlu diikuti, cara bergantian dengan betul antara kerja dan rehat agar tidak jatuh sakit.

Bagaimana untuk membaca maklumat yang dikodkan dalam DNA?

Bagaimanakah anda boleh membaca maklumat yang terkandung dalam DNA? Bagaimana badannya sendiri menggunakannya? DNA itu sendiri adalah sejenis matriks, tetapi tidak mudah, tetapi dikodkan. Untuk membaca maklumat dari matriks DNA, ia mula-mula dipindahkan ke pembawa khas - RNA. RNA secara kimia adalah asid ribonukleik. Ia berbeza daripada DNA kerana ia boleh melalui membran nuklear ke dalam sel, manakala DNA tidak mempunyai keupayaan ini (ia hanya boleh didapati dalam nukleus). Maklumat yang dikodkan digunakan dalam sel itu sendiri. Jadi, RNA ialah pembawa maklumat yang dikodkan dari nukleus ke sel.

Bagaimanakah sintesis RNA berlaku, bagaimanakah protein disintesis menggunakan RNA?

Helai DNA dari mana maklumat perlu "dibaca" berehat, enzim "pembina" khas mendekati mereka dan mensintesis rantai RNA pelengkap selari dengan helai DNA. Molekul RNA juga terdiri daripada 4 jenis nukleotida - adenine (A), urasil (U), guanine (G) dan sitosin (C). Dalam kes ini, pasangan berikut adalah pelengkap: adenine - uracil, guanine - sitosin. Seperti yang anda lihat, tidak seperti DNA, RNA menggunakan urasil dan bukannya timin. Iaitu, enzim "pembina" berfungsi seperti berikut: jika ia melihat A dalam helai DNA, maka ia melekat Y pada helai RNA, jika G, maka ia melekat C, dsb. Oleh itu, templat terbentuk daripada setiap gen aktif semasa transkripsi - salinan RNA yang boleh melalui membran nuklear.

Bagaimanakah sintesis protein yang dikodkan oleh gen tertentu berlaku?

Selepas meninggalkan nukleus, RNA memasuki sitoplasma. Sudah dalam sitoplasma, RNA boleh tertanam sebagai matriks ke dalam sistem enzim khas (ribosom), yang boleh mensintesis, dipandu oleh maklumat RNA, urutan asid amino protein yang sepadan. Seperti yang anda tahu, molekul protein terdiri daripada asid amino. Bagaimanakah ribosom mengetahui asid amino yang perlu ditambah kepada rantaian protein yang semakin meningkat? Ini dilakukan berdasarkan kod triplet. Kod triplet bermaksud urutan tiga nukleotida rantai RNA ( kembar tiga, sebagai contoh, kod GGU) untuk asid amino tunggal (dalam kes ini glisin). Setiap asid amino dikodkan oleh triplet tertentu. Oleh itu, ribosom "membaca" triplet, menentukan asid amino yang perlu ditambah seterusnya semasa ia membaca maklumat dalam RNA. Apabila rantaian asid amino terbentuk, ia mengambil bentuk spatial tertentu dan menjadi protein yang mampu melaksanakan fungsi enzimatik, pembinaan, hormon dan lain-lain yang diberikan kepadanya.

Protein untuk mana-mana organisma hidup adalah hasil daripada gen. Ia adalah protein yang menentukan semua pelbagai sifat, kualiti dan manifestasi luaran gen.

Singkatan DNA selular sudah biasa kepada ramai dari kursus biologi sekolah, tetapi hanya sedikit yang dapat menjawab dengan mudah apa itu. Hanya idea yang tidak jelas tentang keturunan dan genetik kekal dalam ingatan sebaik sahaja tamat pengajian. Mengetahui apa itu DNA dan kesannya terhadap kehidupan kita kadangkala sangat diperlukan.

molekul DNA

Ahli biokimia membezakan tiga jenis makromolekul: DNA, RNA dan protein. Asid deoksiribonukleik ialah biopolimer yang bertanggungjawab untuk menghantar data tentang sifat keturunan, ciri dan perkembangan spesies dari generasi ke generasi. Monomernya ialah nukleotida. Apakah molekul DNA? Ia adalah komponen utama kromosom dan mengandungi kod genetik.

struktur DNA

Sebelum ini, saintis membayangkan bahawa model struktur DNA adalah berkala, di mana kumpulan nukleotida yang sama (gabungan molekul fosfat dan gula) diulang. Gabungan jujukan nukleotida tertentu memberikan keupayaan untuk "mengekod" maklumat. Terima kasih kepada penyelidikan, telah menjadi jelas bahawa struktur berbeza dalam organisma yang berbeza.

Para saintis Amerika Alexander Rich, David Davis dan Gary Felsenfeld amat terkenal dalam mengkaji persoalan tentang apa itu DNA. Mereka membentangkan penerangan tentang asid nukleik tiga heliks pada tahun 1957. 28 tahun kemudian, saintis Maxim Davidovich Frank-Kamenitsky menunjukkan bagaimana asid deoksiribonukleik, yang terdiri daripada dua heliks, dilipat menjadi bentuk H sebanyak 3 helai.

Struktur asid deoksiribonukleik adalah beruntai dua. Di dalamnya, nukleotida disambungkan secara berpasangan untuk membentuk rantai polinukleotida yang panjang. Rantai ini memungkinkan pembentukan heliks berganda menggunakan ikatan hidrogen. Pengecualian adalah virus yang mempunyai genom untai tunggal. Terdapat DNA linear (beberapa virus, bakteria) dan bulat (mitokondria, kloroplas).

komposisi DNA

Tanpa pengetahuan tentang apa DNA dibuat, tidak akan ada kemajuan perubatan. Setiap nukleotida terdiri daripada tiga bahagian: sisa gula pentosa, bes nitrogen dan sisa asid fosforik. Berdasarkan ciri-ciri sebatian, asid boleh dipanggil deoxyribonucleic atau ribonucleic. DNA mengandungi sejumlah besar mononukleotida daripada dua bes: sitosin dan timin. Di samping itu, ia mengandungi derivatif pirimidin, adenine dan guanin.

Terdapat definisi dalam biologi dipanggil DNA - DNA sampah. Fungsinya masih tidak diketahui. Versi alternatif nama ialah "bukan pengekodan", yang tidak betul, kerana ia mengandungi protein pengekodan dan transposon, tetapi tujuannya juga adalah misteri. Salah satu hipotesis kerja menunjukkan bahawa sejumlah makromolekul ini menyumbang kepada penstabilan struktur genom berkenaan dengan mutasi.

Di manakah

Lokasi di dalam sel bergantung pada ciri-ciri spesies. Dalam organisma bersel tunggal, DNA terletak di dalam membran. Dalam makhluk hidup lain ia terletak di dalam nukleus, plastid dan mitokondria. Jika kita bercakap tentang DNA manusia, ia dipanggil kromosom. Benar, ini tidak sepenuhnya benar, kerana kromosom adalah kompleks kromatin dan asid deoksiribonukleik.

Peranan dalam sangkar

Peranan utama DNA dalam sel adalah penghantaran gen keturunan dan kemandirian generasi akan datang. Bukan sahaja data luaran individu masa depan, tetapi juga watak dan kesihatannya bergantung padanya. Asid deoksiribonukleik berada dalam keadaan supercoiled, tetapi untuk proses hayat berkualiti tinggi ia mesti diputar. Enzim membantunya dengan ini - topoisomerase dan helikas.

Topoisomerase ialah nuklease; ia mampu mengubah tahap kilasan. Satu lagi fungsi mereka ialah penyertaan dalam transkripsi dan replikasi (pembahagian sel). Helikas memecahkan ikatan hidrogen antara bes. Terdapat enzim ligase, yang "pautan silang" ikatan patah, dan polimerase, yang terlibat dalam sintesis rantai polinukleotida baru.

Bagaimana DNA ditafsirkan

Singkatan untuk biologi ini biasa. Nama penuh DNA ialah asid deoksiribonukleik. Tidak semua orang boleh mengatakan ini pada kali pertama, jadi penyahkodan DNA sering diabaikan dalam pertuturan. Terdapat juga konsep RNA - asid ribonukleik, yang terdiri daripada urutan asid amino dalam protein. Mereka berkaitan secara langsung, dan RNA ialah makromolekul kedua terpenting.

DNA manusia

Kromosom manusia dipisahkan dalam nukleus, menjadikan DNA manusia sebagai pembawa maklumat yang paling stabil dan lengkap. Semasa penggabungan semula genetik, heliks dipisahkan, bahagian ditukar, dan kemudian sambungan dipulihkan. Disebabkan oleh kerosakan DNA, kombinasi dan corak baru terbentuk. Seluruh mekanisme menggalakkan pemilihan semula jadi. Ia masih tidak diketahui berapa lama ia telah bertanggungjawab untuk penghantaran genom dan apakah evolusi metaboliknya.

Siapa yang buka

Penemuan pertama struktur DNA dikaitkan dengan ahli biologi Inggeris James Watson dan Francis Crick, yang pada tahun 1953 mendedahkan ciri-ciri struktur molekul. Ia ditemui oleh doktor Switzerland Friedrich Miescher pada tahun 1869. Dia mengkaji komposisi kimia sel haiwan menggunakan leukosit, yang terkumpul secara besar-besaran dalam lesi purulen.

Miescher sedang mengkaji kaedah untuk mencuci sel darah putih, protein terpencil apabila dia mendapati bahawa terdapat sesuatu yang lain selain mereka. Sedimen serpihan terbentuk di bahagian bawah hidangan semasa pemprosesan. Setelah memeriksa mendapan ini di bawah mikroskop, doktor muda itu menemui nukleus yang tinggal selepas rawatan dengan asid hidroklorik. Ia mengandungi sebatian yang Friedrich panggil nuklein (dari nukleus Latin - nukleus).

Molekul DNA terdiri daripada dua helai membentuk heliks berganda. Strukturnya pertama kali ditafsirkan oleh Francis Crick dan James Watson pada tahun 1953.

Pada mulanya, molekul DNA, yang terdiri daripada sepasang rantai nukleotida yang dipintal antara satu sama lain, menimbulkan persoalan tentang mengapa ia mempunyai bentuk khusus ini. Para saintis memanggil fenomena ini saling melengkapi, yang bermaksud bahawa hanya nukleotida tertentu boleh ditemui bertentangan antara satu sama lain dalam helainya. Sebagai contoh, adenine sentiasa bertentangan dengan timin, dan guanin sentiasa bertentangan dengan sitosin. Nukleotida molekul DNA ini dipanggil pelengkap.

Secara skematik ia digambarkan seperti ini:

T - A

C - G

Pasangan ini membentuk ikatan nukleotida kimia, yang menentukan susunan asid amino. Dalam kes pertama ia sedikit lebih lemah. Hubungan antara C dan G lebih kuat. Nukleotida bukan pelengkap tidak membentuk pasangan antara satu sama lain.

Mengenai bangunan itu

Jadi, struktur molekul DNA adalah istimewa. Ia mempunyai bentuk ini atas sebab: hakikatnya ialah bilangan nukleotida sangat besar, dan banyak ruang diperlukan untuk menampung rantai panjang. Atas sebab inilah rantai dicirikan oleh putaran lingkaran. Fenomena ini dipanggil spiralisasi, ia membolehkan benang memendekkan kira-kira lima hingga enam kali.

Badan menggunakan beberapa molekul jenis ini dengan sangat aktif, yang lain jarang. Yang terakhir, sebagai tambahan kepada spiralisasi, juga menjalani "pembungkusan padat" seperti superspiralization. Dan kemudian panjang molekul DNA berkurangan sebanyak 25-30 kali.

Apakah "pembungkusan" molekul?

Proses supercoiling melibatkan protein histon. Mereka mempunyai struktur dan rupa seperti gelendong benang atau batang. Benang berpilin dililit padanya, yang serta-merta menjadi "dibungkus padat" dan mengambil sedikit ruang. Apabila timbul keperluan untuk menggunakan satu atau satu lagi benang, ia akan dilepaskan daripada gelendong, contohnya, protein histon, dan heliks dilepaskan kepada dua rantai selari. Apabila molekul DNA berada dalam keadaan ini, data genetik yang diperlukan boleh dibaca daripadanya. Namun, ada satu syarat. Mendapatkan maklumat hanya boleh dilakukan jika struktur molekul DNA mempunyai bentuk yang tidak berpintal. Kromosom yang boleh diakses untuk membaca dipanggil eukromatin, dan jika ia bergelung besar, maka ia sudah menjadi heterokromatin.

Asid nukleik

Asid nukleik, seperti protein, adalah biopolimer. Fungsi utama adalah penyimpanan, pelaksanaan dan penghantaran keturunan (maklumat genetik). Mereka datang dalam dua jenis: DNA dan RNA (deoxyribonucleic dan ribonucleic). Monomer di dalamnya adalah nukleotida, setiap satunya mengandungi sisa asid fosforik, gula lima karbon (deoksiribosa/ribosa) dan bes nitrogen. Kod DNA termasuk 4 jenis nukleotida - adenine (A) / guanina (G) / sitosin (C) / timin (T). Mereka berbeza dalam asas nitrogen yang terkandung di dalamnya.

Dalam molekul DNA, bilangan nukleotida boleh menjadi besar - dari beberapa ribu hingga puluhan dan ratusan juta. Molekul gergasi tersebut boleh diperiksa melalui mikroskop elektron. Dalam kes ini, anda akan dapat melihat rantai ganda helai polinukleotida, yang disambungkan antara satu sama lain oleh ikatan hidrogen asas nitrogen nukleotida.

Penyelidikan

Semasa penyelidikan, saintis mendapati bahawa jenis molekul DNA berbeza dalam organisma hidup yang berbeza. Ia juga didapati bahawa guanin satu rantai hanya boleh mengikat sitosin, dan timin kepada adenin. Susunan nukleotida dalam satu rantai dengan ketat sepadan dengan yang selari. Terima kasih kepada pelengkap polinukleotida ini, molekul DNA mampu menggandakan dan membiak sendiri. Tetapi pertama, rantai pelengkap, di bawah pengaruh enzim khas yang memusnahkan nukleotida berpasangan, menyimpang, dan kemudian dalam setiap daripada mereka sintesis rantai yang hilang bermula. Ini berlaku disebabkan oleh nukleotida bebas yang terdapat dalam kuantiti yang banyak dalam setiap sel. Akibatnya, bukannya "molekul ibu", dua "anak perempuan" terbentuk, sama dalam komposisi dan struktur, dan kod DNA menjadi yang asal. Proses ini adalah pelopor kepada pembahagian sel. Ia memastikan penghantaran semua data keturunan daripada sel ibu kepada sel anak, serta kepada semua generasi seterusnya.

Bagaimanakah kod gen dibaca?

Hari ini, bukan sahaja jisim molekul DNA dikira - ia juga mungkin untuk mengetahui data yang lebih kompleks yang sebelum ini tidak dapat diakses oleh saintis. Sebagai contoh, anda boleh membaca maklumat tentang cara organisma menggunakan selnya sendiri. Sudah tentu, pada mulanya maklumat ini dalam bentuk yang dikodkan dan mempunyai bentuk matriks tertentu, dan oleh itu ia mesti diangkut ke pembawa khas, iaitu RNA. Asid ribonukleik mampu menembusi ke dalam sel melalui membran nuklear dan membaca maklumat yang dikodkan di dalamnya. Oleh itu, RNA ialah pembawa data tersembunyi dari nukleus ke sel, dan ia berbeza daripada DNA kerana ia mengandungi ribosa bukannya deoksiribosa, dan urasil bukannya timin. Di samping itu, RNA adalah untai tunggal.

sintesis RNA

Analisis mendalam DNA telah menunjukkan bahawa selepas RNA meninggalkan nukleus, ia memasuki sitoplasma, di mana ia boleh disepadukan sebagai matriks ke dalam ribosom (sistem enzim khas). Berpandukan maklumat yang diterima, mereka boleh mensintesis urutan asid amino protein yang sesuai. Ribosom belajar daripada kod triplet jenis sebatian organik yang perlu dilekatkan pada rantai protein pembentuk. Setiap asid amino mempunyai triplet spesifiknya sendiri, yang mengekodnya.

Selepas pembentukan rantai selesai, ia memperoleh bentuk spatial tertentu dan bertukar menjadi protein yang mampu melaksanakan fungsi hormon, pembinaan, enzimatik dan lain-lain. Bagi mana-mana organisma ia adalah produk gen. Dari situlah semua jenis kualiti, sifat dan manifestasi gen ditentukan.

Gen

Proses penjujukan terutamanya dibangunkan untuk mendapatkan maklumat tentang berapa banyak gen yang dimiliki oleh molekul DNA dalam strukturnya. Dan, walaupun penyelidikan telah membolehkan saintis membuat kemajuan yang besar dalam perkara ini, masih belum mungkin untuk mengetahui jumlah tepat mereka.

Hanya beberapa tahun yang lalu diandaikan bahawa molekul DNA mengandungi kira-kira 100 ribu gen. Tidak lama kemudian, angka itu menurun kepada 80 ribu, dan pada tahun 1998, ahli genetik menyatakan bahawa hanya 50 ribu gen terdapat dalam satu DNA, iaitu hanya 3% daripada jumlah panjang DNA. Tetapi kesimpulan terbaru ahli genetik sangat menarik. Sekarang mereka mendakwa bahawa genom termasuk 25-40 ribu unit ini. Ternyata hanya 1.5% daripada DNA kromosom bertanggungjawab untuk pengekodan protein.

Penyelidikan tidak terhenti di situ. Pasukan selari pakar kejuruteraan genetik mendapati bahawa bilangan gen dalam satu molekul adalah tepat 32 ribu. Seperti yang anda lihat, masih mustahil untuk mendapatkan jawapan yang pasti. Terdapat terlalu banyak percanggahan. Semua penyelidik hanya bergantung pada keputusan mereka.

Adakah terdapat evolusi?

Walaupun fakta bahawa tiada bukti evolusi molekul (memandangkan struktur molekul DNA adalah rapuh dan bersaiz kecil), saintis masih membuat satu andaian. Berdasarkan data makmal, mereka menyuarakan versi berikut: pada peringkat awal penampilannya, molekul itu mempunyai bentuk peptida replikasi diri yang mudah, yang merangkumi sehingga 32 asid amino yang terdapat di lautan purba.

Selepas replikasi diri, terima kasih kepada kuasa pemilihan semula jadi, molekul memperoleh keupayaan untuk melindungi diri mereka daripada unsur luaran. Mereka mula hidup lebih lama dan membiak dalam kuantiti yang lebih besar. Molekul yang mendapati diri mereka dalam gelembung lipid mempunyai setiap peluang untuk membiak sendiri. Hasil daripada satu siri kitaran berturut-turut, gelembung lipid memperoleh bentuk membran sel, dan kemudian - zarah yang terkenal. Perlu diingatkan bahawa hari ini mana-mana bahagian molekul DNA adalah struktur yang kompleks dan berfungsi dengan jelas, semua ciri yang belum dipelajari oleh saintis sepenuhnya.

dunia moden

Baru-baru ini, saintis dari Israel telah membangunkan komputer yang boleh melakukan trilion operasi sesaat. Hari ini ia adalah kereta terpantas di Bumi. Rahsia keseluruhannya ialah peranti inovatif itu dikuasakan oleh DNA. Profesor mengatakan bahawa dalam masa terdekat, komputer seperti itu malah akan dapat menjana tenaga.

Setahun yang lalu, pakar dari Institut Weizmann di Rehovot (Israel) mengumumkan penciptaan mesin pengkomputeran molekul boleh atur cara yang terdiri daripada molekul dan enzim. Mereka menggantikan mikrocip silikon dengannya. Sehingga kini, pasukan itu telah mencapai kemajuan yang lebih tinggi. Kini hanya satu molekul DNA boleh menyediakan komputer dengan data yang diperlukan dan bahan api yang diperlukan.

"Komputer nano" biokimia bukanlah fiksyen; ia sudah wujud dalam alam semula jadi dan dimanifestasikan dalam setiap makhluk hidup. Tetapi selalunya mereka tidak diuruskan oleh orang. Seseorang belum boleh beroperasi pada genom mana-mana tumbuhan untuk mengira, katakan, nombor "Pi".

Idea menggunakan DNA untuk menyimpan/memproses data mula-mula muncul di fikiran saintis pada tahun 1994. Ketika itulah molekul digunakan untuk menyelesaikan masalah matematik yang mudah. Sejak itu, beberapa kumpulan penyelidik telah mencadangkan pelbagai projek berkaitan komputer DNA. Tetapi di sini semua percubaan hanya berdasarkan molekul tenaga. Anda tidak boleh melihat komputer sedemikian dengan mata kasar; ia kelihatan seperti larutan telus air dalam tabung uji. Tiada bahagian mekanikal di dalamnya, tetapi hanya trilion peranti biomolekul - dan ini hanya dalam satu titisan cecair!

DNA manusia

Orang ramai menyedari jenis DNA manusia pada tahun 1953, apabila saintis mula-mula dapat menunjukkan kepada dunia model DNA untai dua. Untuk ini, Kirk dan Watson menerima Hadiah Nobel, sejak penemuan ini menjadi asas pada abad ke-20.

Lama kelamaan, sudah tentu, mereka membuktikan bahawa molekul manusia berstruktur boleh kelihatan bukan sahaja seperti dalam versi yang dicadangkan. Selepas menjalankan analisis DNA yang lebih terperinci, mereka menemui bentuk A-, B- dan kidal Z-. Borang A- selalunya merupakan pengecualian, kerana ia terbentuk hanya jika terdapat kekurangan kelembapan. Tetapi ini hanya mungkin dalam kajian makmal; untuk persekitaran semula jadi ini adalah anomali proses sedemikian tidak boleh berlaku dalam sel hidup.

Bentuk B- adalah klasik dan dikenali sebagai rantai tangan kanan berganda, tetapi bentuk Z- bukan sahaja dipintal ke arah bertentangan ke kiri, tetapi juga mempunyai penampilan yang lebih zigzag. Para saintis juga telah mengenal pasti bentuk G-quadruplex. Strukturnya tidak mempunyai 2, tetapi 4 benang. Menurut pakar genetik, bentuk ini berlaku di kawasan yang terdapat lebihan guanine.

DNA buatan

Hari ini sudah ada DNA tiruan, yang merupakan salinan yang sama dari yang sebenar; ia dengan sempurna mengikut struktur heliks berganda semula jadi. Tetapi, tidak seperti polinukleotida asal, yang tiruan hanya mempunyai dua nukleotida tambahan.

Memandangkan alih suara dicipta berdasarkan maklumat yang diperoleh daripada pelbagai kajian DNA sebenar, ia juga boleh disalin, mereplikasi sendiri dan berkembang. Pakar telah mengusahakan penciptaan molekul buatan sedemikian selama kira-kira 20 tahun. Hasilnya ialah ciptaan menakjubkan yang boleh menggunakan kod genetik dengan cara yang sama seperti DNA semula jadi.

Kepada empat bes nitrogen sedia ada, ahli genetik menambah dua tambahan, yang dicipta oleh pengubahsuaian kimia asas semula jadi. Tidak seperti DNA semula jadi, DNA tiruan ternyata agak pendek. Ia mengandungi hanya 81 pasangan asas. Walau bagaimanapun, ia juga membiak dan berkembang.

Replikasi molekul yang diperoleh secara buatan berlaku terima kasih kepada tindak balas rantai polimerase, tetapi setakat ini ini tidak berlaku secara bebas, tetapi melalui campur tangan saintis. Mereka secara bebas menambah enzim yang diperlukan pada DNA tersebut, meletakkannya dalam medium cecair yang disediakan khas.

Keputusan akhir

Proses dan hasil akhir pembangunan DNA boleh dipengaruhi oleh pelbagai faktor, seperti mutasi. Ini menjadikannya perlu untuk mengkaji sampel bahan supaya hasil analisis boleh dipercayai dan boleh dipercayai. Contohnya ialah ujian paterniti. Tetapi kita tidak boleh tidak bergembira kerana kejadian seperti mutasi jarang berlaku. Namun begitu, sampel bahan sentiasa disemak semula untuk mendapatkan maklumat yang lebih tepat berdasarkan analisis.

DNA tumbuhan

Terima kasih kepada teknologi penjujukan tinggi (HTS), revolusi telah dibuat dalam bidang genomik - pengekstrakan DNA daripada tumbuhan juga mungkin. Sudah tentu, mendapatkan DNA berat molekul berkualiti tinggi daripada bahan tumbuhan menimbulkan beberapa kesukaran kerana sejumlah besar salinan DNA mitokondria dan kloroplas, serta tahap polisakarida dan sebatian fenolik yang tinggi. Untuk mengasingkan struktur yang sedang kita pertimbangkan dalam kes ini, pelbagai kaedah digunakan.

Ikatan hidrogen dalam DNA

Ikatan hidrogen dalam molekul DNA bertanggungjawab untuk tarikan elektromagnet yang dicipta antara atom hidrogen bercas positif yang dilekatkan pada atom elektronegatif. Interaksi dipol ini tidak memenuhi kriteria ikatan kimia. Tetapi ia boleh berlaku secara intermolecular atau dalam bahagian molekul yang berlainan, iaitu intramolecularly.

Atom hidrogen melekat pada atom elektronegatif yang merupakan penderma ikatan. Atom elektronegatif boleh menjadi nitrogen, fluorin, atau oksigen. Ia - melalui desentralisasi - menarik awan elektron daripada nukleus hidrogen kepada dirinya sendiri dan menjadikan atom hidrogen (sebahagiannya) bercas positif. Oleh kerana saiz H adalah kecil berbanding dengan molekul dan atom lain, casnya juga kecil.

penyahkodan DNA

Sebelum mentafsir molekul DNA, saintis terlebih dahulu mengambil sejumlah besar sel. Untuk kerja yang paling tepat dan berjaya, kira-kira sejuta daripadanya diperlukan. Keputusan yang diperolehi semasa kajian sentiasa dibandingkan dan direkodkan. Hari ini, penyahkodan genom bukan lagi jarang berlaku, tetapi prosedur yang boleh diakses.

Sudah tentu, mentafsir genom sel tunggal adalah latihan yang tidak praktikal. Data yang diperoleh semasa kajian sedemikian tidak menarik minat saintis. Tetapi adalah penting untuk memahami bahawa semua kaedah penyahkodan sedia ada, walaupun kerumitannya, tidak cukup berkesan. Mereka hanya akan membenarkan membaca 40-70% DNA.

Walau bagaimanapun, profesor Harvard baru-baru ini mengumumkan kaedah di mana 90% genom boleh ditafsirkan. Teknik ini berdasarkan penambahan molekul primer ke sel terpencil, dengan bantuan replikasi DNA bermula. Tetapi kaedah ini tidak boleh dianggap berjaya; ia masih perlu diperhalusi sebelum ia boleh digunakan secara terbuka dalam sains.