Jaka jest struktura cząsteczki DNA? Struktura i poziomy organizacji DNA

Genetyka molekularna – dział genetyki zajmujący się badaniem dziedziczności na poziomie molekularnym.

Kwasy nukleinowe. Replikacja DNA. Reakcje syntezy szablonów

Kwasy nukleinowe (DNA, RNA) zostały odkryte w 1868 roku przez szwajcarskiego biochemika I.F. Misher. Kwasy nukleinowe to liniowe biopolimery składające się z monomerów – nukleotydów.

DNA - budowa i funkcje

Budowę chemiczną DNA rozszyfrowali w 1953 roku amerykański biochemik J. Watson i angielski fizyk F. Crick.

Ogólna budowa DNA. Cząsteczka DNA składa się z 2 łańcuchów skręconych w spiralę (ryc. 11), jeden wokół drugiego i wokół wspólnej osi. Cząsteczki DNA mogą zawierać od 200 do 2x10 8 par nukleotydów. Wzdłuż helisy DNA sąsiednie nukleotydy znajdują się w odległości 0,34 nm od siebie. Pełny obrót helisy obejmuje 10 par zasad. Jego długość wynosi 3,4 nm.

Ryż. 11 . Schemat struktury DNA (podwójna helisa)

Polimerowość cząsteczki DNA. Cząsteczka DNA – bioploimer składa się ze złożonych związków – nukleotydów.

Struktura nukleotydu DNA. Nukleotyd DNA składa się z 3 jednostek: jednej z zasad azotowych (adenina, guanina, cytozyna, tymina); deoksyryboza (monosacharyd); reszta kwasu fosforowego (ryc. 12).

Istnieją 2 grupy zasad azotowych:

puryny – adenina (A), guanina (G), zawierające dwa pierścienie benzenowe;

pirymidyna – tymina (T), cytozyna (C), zawierająca jeden pierścień benzenowy.

DNA zawiera następujące rodzaje nukleotydów: adenina (A); guanina (G); cytozyna (C); tymina (T). Nazwy nukleotydów odpowiadają nazwom tworzących je zasad azotowych: nukleotyd adeninowy – zasada azotowa adenina; nukleotyd guaninowy zasada azotowa guanina; nukleotyd cytozyny, zasada azotowa cytozyna; tymina, nukleotyd, zasada azotowa, tymina.

Połączenie dwóch nici DNA w jedną cząsteczkę

Nukleotydy A, G, C i T jednego łańcucha są połączone odpowiednio z nukleotydami T, C, G i A drugiego łańcucha wiązania wodorowe. Pomiędzy A i T powstają dwa wiązania wodorowe, a pomiędzy G i C powstają trzy wiązania wodorowe (A=T, G≡C).

Pary zasad (nukleotydów) A – T i G – C nazywane są komplementarnymi, czyli wzajemnie odpowiadającymi. Komplementarność- jest to chemiczna i morfologiczna zgodność nukleotydów ze sobą w sparowanych łańcuchach DNA.

5 ’ 3 ’

1 2 3

3’ 5’

Ryż. 12 Przekrój podwójnej helisy DNA. Struktura nukleotydu (1 – reszta kwasu fosforowego; 2 – dezoksyryboza; 3 – zasada azotowa). Łączenie nukleotydów za pomocą wiązań wodorowych.

Łańcuchy w cząsteczce DNA antyrównoległy, to znaczy są one skierowane w przeciwnych kierunkach, tak że koniec 3' jednego łańcucha znajduje się naprzeciwko końca 5' drugiego łańcucha. Informacja genetyczna w DNA jest zapisana w kierunku od końca 5' do końca 3'. Ta nić nazywa się sensownym DNA,

ponieważ tam znajdują się geny. Drugi wątek – 3’–5’ służy jako standard przechowywania informacji genetycznej.

Zależność pomiędzy liczbą różnych zasad w DNA ustalił E. Chargaff w 1949 roku. Chargaff stwierdził, że w DNA różnych gatunków ilość adeniny jest równa ilości tyminy, a ilość guaniny jest równa ilości cytozyna.

Reguła E. Chargaffa:

w cząsteczce DNA liczba nukleotydów A (adeninowych) jest zawsze równa liczbie nukleotydów T (tyminowych) lub stosunkowi ∑ A do ∑ T = 1. Suma nukleotydów G (guaniny) jest równa sumie nukleotydów C (cytozyny) lub stosunkowi ∑ G do ∑ C = 1;

suma zasad purynowych (A+G) jest równa sumie zasad pirymidynowych (T+C) lub stosunkowi ∑ (A+G) do ∑ (T+C)=1;

Metoda syntezy DNA - replikacja. Replikacja to proces samoduplikacji cząsteczki DNA, przeprowadzany w jądrze pod kontrolą enzymów. Następuje samozadowolenie cząsteczki DNA w oparciu o komplementarność– ścisła zgodność nukleotydów ze sobą w sparowanych łańcuchach DNA. Na początku procesu replikacji cząsteczka DNA rozwija się (despirale) w określonym obszarze (ryc. 13) i uwalniają się wiązania wodorowe. Na każdym z łańcuchów powstałych po zerwaniu wiązań wodorowych, przy udziale enzymu Polimerazy DNA syntetyzowana jest nić potomna DNA. Materiałem do syntezy są wolne nukleotydy zawarte w cytoplazmie komórek. Te nukleotydy są ułożone komplementarnie do nukleotydów dwóch macierzystych nici DNA. Enzym polimeraza DNA przyłącza komplementarne nukleotydy do nici matrycowej DNA. Na przykład do nukleotydu A polimeraza dodaje nukleotyd do nici matrycowej T i odpowiednio do nukleotydu G - nukleotydu C (ryc. 14). Sieciowanie komplementarnych nukleotydów zachodzi za pomocą enzymu Ligazy DNA. W ten sposób dwie nici potomne DNA są syntetyzowane poprzez samoduplikację.

Powstałe dwie cząsteczki DNA z jednej cząsteczki DNA to: model półkonserwatywny, ponieważ składają się ze starego łańcucha matki i nowego łańcucha potomnego i są dokładną kopią cząsteczki matki (ryc. 14). Biologiczne znaczenie replikacji polega na dokładnym przekazaniu informacji dziedzicznej z cząsteczki macierzystej do cząsteczki potomnej.

Ryż. 13 . Unspiralizacja cząsteczki DNA przy użyciu enzymu

1

Ryż. 14 . Replikacja to utworzenie dwóch cząsteczek DNA z jednej cząsteczki DNA: 1 – cząsteczka potomna DNA; 2 – cząsteczka DNA matki (rodzica).

Enzym polimeraza DNA może poruszać się wzdłuż nici DNA tylko w kierunku 3’ –> 5’. Ponieważ komplementarne łańcuchy w cząsteczce DNA są skierowane w przeciwne strony, a enzym polimeraza DNA może poruszać się wzdłuż łańcucha DNA tylko w kierunku 3’–>5’, synteza nowych łańcuchów przebiega antyrównolegle ( zgodnie z zasadą antyrównoległości).

Miejsce lokalizacji DNA. DNA znajduje się w jądrze komórkowym oraz w matrix mitochondriów i chloroplastów.

Ilość DNA w komórce jest stała i wynosi 6,6x10 -12 g.

Funkcje DNA:

Przechowywanie i przekazywanie informacji genetycznej przez pokolenia do cząsteczek i - RNA;

Strukturalny. DNA jest podstawą strukturalną chromosomów (chromosom to 40% DNA).

Specyficzność gatunkowa DNA. Skład nukleotydów DNA służy jako kryterium gatunkowe.

RNA, budowa i funkcje.

Struktura ogólna.

RNA jest liniowym biopolimerem składającym się z jednego łańcucha polinukleotydowego. Istnieją pierwotne i wtórne struktury RNA. Podstawowa struktura RNA jest cząsteczką jednoniciową, a struktura wtórna ma kształt krzyża i jest charakterystyczna dla t-RNA.

Polimerowość cząsteczki RNA. Cząsteczka RNA może zawierać od 70 nukleotydów do 30 000 nukleotydów. Nukleotydy tworzące RNA to: adenyl (A), guanyl (G), cytydyl (C), uracyl (U). W RNA nukleotyd tyminy zastępuje się uracylem (U).

Struktura nukleotydu RNA.

Nukleotyd RNA składa się z 3 jednostek:

zasada azotowa (adenina, guanina, cytozyna, uracyl);

monosacharyd - ryboza (ryboza zawiera tlen przy każdym atomie węgla);

reszta kwasu fosforowego.

Metoda syntezy RNA - transkrypcja. Transkrypcja, podobnie jak replikacja, jest reakcją syntezy matrycy. Matrycą jest cząsteczka DNA. Reakcja przebiega według zasady komplementarności na jednej z nici DNA (ryc. 15). Proces transkrypcji rozpoczyna się od despiralizacji cząsteczki DNA w określonym miejscu. Transkrypcja nici DNA zawiera promotor – grupa nukleotydów DNA, od której rozpoczyna się synteza cząsteczki RNA. Do promotora przyłącza się enzym Polimeraza RNA. Enzym aktywuje proces transkrypcji. Zgodnie z zasadą komplementarności nukleotydy pochodzące z cytoplazmy komórki do transkrybowanego łańcucha DNA są kompletowane. Polimeraza RNA aktywuje ułożenie nukleotydów w jeden łańcuch i utworzenie cząsteczki RNA.

W procesie transkrypcji wyróżnia się cztery etapy: 1) wiązanie polimerazy RNA z promotorem; 2) początek syntezy (inicjacja); 3) elongacja – wzrost łańcucha RNA, czyli kolejne nukleotydy dodawane do siebie; 4) terminacja – zakończenie syntezy mRNA.

Ryż. 15 . Schemat transkrypcji

1 – cząsteczka DNA (dwuniciowa); 2 – cząsteczka RNA; 3-kodony; 4– promotor.

W 1972 roku amerykańscy naukowcy – wirusolog H.M. Temin i biolog molekularny D. Baltimore odkryli odwrotną transkrypcję przy użyciu wirusów w komórkach nowotworowych. Transkrypcja odwrotna– przepisywanie informacji genetycznej z RNA na DNA. Proces zachodzi za pomocą enzymu odwrotna transkryptaza.

Rodzaje RNA według funkcji

Messenger RNA (i-RNA lub m-RNA) przenosi informację genetyczną z cząsteczki DNA do miejsca syntezy białka - rybosomu. Jest syntetyzowany w jądrze przy udziale enzymu polimerazy RNA. Stanowi 5% wszystkich typów RNA w komórce. mRNA zawiera od 300 nukleotydów do 30 000 nukleotydów (najdłuższy łańcuch wśród RNA).

Transferowy RNA (tRNA) transportuje aminokwasy do miejsca syntezy białek – rybosomu. Ma kształt krzyża (ryc. 16) i składa się z 70–85 nukleotydów. Jego ilość w komórce wynosi 10-15% RNA komórki.

Ryż. 16. Schemat budowy t-RNA: A–G – pary nukleotydów połączone wiązaniami wodorowymi; D – miejsce przyłączenia aminokwasu (miejsce akceptorowe); E – antykodon.

3. Rybosomalny RNA (r-RNA) jest syntetyzowany w jąderku i jest częścią rybosomów. Zawiera około 3000 nukleotydów. Stanowi 85% RNA komórki. Ten typ RNA występuje w jądrze, rybosomach, siatce śródplazmatycznej, chromosomach, macierzy mitochondrialnej, a także w plastydach.

Podstawy cytologii. Rozwiązywanie typowych problemów

Problem 1

Ile nukleotydów tyminy i adeniny znajduje się w DNA, jeśli znajduje się w nim 50 nukleotydów cytozyny, co stanowi 10% wszystkich nukleotydów.

Rozwiązanie. Zgodnie z zasadą komplementarności w podwójnej nici DNA, cytozyna jest zawsze komplementarna do guaniny. 50 nukleotydów cytozynowych stanowi 10%, zatem zgodnie z regułą Chargaffa 50 nukleotydów guaninowych również stanowi 10%, czyli (jeśli ∑C = 10%, to ∑G = 10%).

Suma pary nukleotydów C + G wynosi 20%

Suma pary nukleotydów T + A = 100% – 20% (C + G) = 80%

Aby dowiedzieć się, ile nukleotydów tyminy i adeniny znajduje się w DNA, należy wykonać następującą proporcję:

50 nukleotydów cytozyny → 10%

X (T + A) →80%

X = 50x80:10=400 sztuk

Zgodnie z regułą Chargaffa ∑A= ∑T, zatem ∑A=200 i ∑T=200.

Odpowiedź: liczba nukleotydów tyminy i adeniny w DNA wynosi 200.

Problem 2

Nukleotydy tyminy w DNA stanowią 18% całkowitej liczby nukleotydów. Określ procent innych typów nukleotydów zawartych w DNA.

Rozwiązanie.∑Т=18%. Zatem zgodnie z regułą Chargaffa ∑T=∑A udział nukleotydów adeninowych również wynosi 18% (∑A=18%).

Suma pary nukleotydów T+A wynosi 36% (18% + 18% = 36%). Na parę nukleotydów GiC przypada: G+C = 100% –36% = 64%. Ponieważ guanina jest zawsze komplementarna do cytozyny, ich zawartość w DNA będzie równa,

tj. ∑ Г= ∑Ц=32%.

Odpowiedź: zawartość guaniny, podobnie jak cytozyny, wynosi 32%.

Problem 3

20 nukleotydów cytozynowych DNA stanowi 10% całkowitej liczby nukleotydów. Ile nukleotydów adeninowych znajduje się w cząsteczce DNA?

Rozwiązanie. W podwójnej nici DNA ilość cytozyny jest równa ilości guaniny, dlatego ich suma wynosi: C + G = 40 nukleotydów. Znajdź całkowitą liczbę nukleotydów:

20 nukleotydów cytozyny → 10%

X (całkowita liczba nukleotydów) →100%

X=20x100:10=200 sztuk

A+T=200 – 40=160 sztuk

Ponieważ adenina jest komplementarna do tyminy, ich zawartość będzie równa,

tj. 160 sztuk: 2=80 sztuk, czyli ∑A=∑T=80.

Odpowiedź: W cząsteczce DNA znajduje się 80 nukleotydów adeninowych.

Problem 4

Dodaj nukleotydy prawego łańcucha DNA, jeśli znane są nukleotydy jego lewego łańcucha: AGA – TAT – GTG – TCT

Rozwiązanie. Budowa prawej nici DNA wzdłuż danej lewej nici odbywa się według zasady komplementarności - ścisłej zgodności nukleotydów ze sobą: adenon - tymina (A-T), guanina - cytozyna (G-C). Dlatego nukleotydy prawej nici DNA powinny wyglądać następująco: TCT - ATA - CAC - AGA.

Odpowiedź: nukleotydy prawej nici DNA: TCT – ATA – TsAC – AGA.

Problem 5

Zapisz transkrypcję, jeśli transkrybowany łańcuch DNA ma następującą kolejność nukleotydów: AGA - TAT - TGT - TCT.

Rozwiązanie. Cząsteczka mRNA syntetyzowana jest zgodnie z zasadą komplementarności na jednym z łańcuchów cząsteczki DNA. Znamy kolejność nukleotydów w transkrybowanym łańcuchu DNA. Dlatego konieczne jest zbudowanie komplementarnego łańcucha mRNA. Należy pamiętać, że zamiast tyminy cząsteczka RNA zawiera uracyl. Stąd:

Łańcuch DNA: AGA – TAT – TGT – TCT

Łańcuch mRNA: UCU – AUA – ACA – AGA.

Odpowiedź: sekwencja nukleotydów i-RNA jest następująca: UCU – AUA – ACA – AGA.

Problem 6

Zapisz odwrotną transkrypcję, czyli skonstruuj fragment dwuniciowej cząsteczki DNA na podstawie zaproponowanego fragmentu i-RNA, jeśli łańcuch i-RNA ma następującą sekwencję nukleotydów:

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

Rozwiązanie. Odwrotna transkrypcja to synteza cząsteczki DNA w oparciu o kod genetyczny mRNA. mRNA kodujący cząsteczkę DNA ma następującą kolejność nukleotydów: GCH – ACA – UUU – UCG – TsGU – AGU – AGA. Komplementarny do niego łańcuch DNA to: CGC – TGT – AAA – AGC – GCA – TCA – TCT. Druga nić DNA: HCH–ACA–TTT–TCG–CHT–AGT–AGA.

Odpowiedź: w wyniku odwrotnej transkrypcji zsyntetyzowano dwa łańcuchy cząsteczki DNA: CGC - TTG - AAA - AGC - GCA - TCA i GCH - ACA - TTT - TCG - CGT - AGT - AGA.

Kod genetyczny. Biosynteza białek.

Gen– odcinek cząsteczki DNA zawierający informację genetyczną o pierwotnej strukturze jednego konkretnego białka.

Struktura ekson-intron genueukarionty

promotor– odcinek DNA (o długości do 100 nukleotydów), do którego przyłącza się enzym Polimeraza RNA, niezbędne do transkrypcji;

2) strefa regulacyjna– strefa wpływająca na aktywność genów;

3) strukturalna część genu– informacja genetyczna o pierwotnej strukturze białka.

Sekwencja nukleotydów DNA niosąca informację genetyczną o pierwotnej strukturze białka - ekson. Są także częścią mRNA. Sekwencja nukleotydów DNA, która nie niesie informacji genetycznej o pierwotnej strukturze białka – intron. Nie są częścią mRNA. Podczas transkrypcji za pomocą specjalnych enzymów z i-RNA wycina się kopie intronów, a kopie eksonów łączy się ze sobą, tworząc cząsteczkę i-RNA (ryc. 20). Proces ten nazywa się łączenie.

Ryż. 20 . Wzór splicingu (tworzenie dojrzałego mRNA u eukariontów)

Kod genetyczny - układ sekwencji nukleotydowych w cząsteczce DNA lub RNA, który odpowiada sekwencji aminokwasów w łańcuchu polipeptydowym.

Właściwości kodu genetycznego:

Potrójny(ACA – GTG – GCH...)

Kod genetyczny jest tryplet, ponieważ każdy z 20 aminokwasów jest kodowany przez sekwencję trzech nukleotydów ( tryplet, kodon).

Istnieją 64 rodzaje trójek nukleotydów (4 3 =64).

Wyjątkowość (specyficzność)

Kod genetyczny jest jednoznaczny, ponieważ każdy pojedynczy triplet nukleotydów (kodon) koduje tylko jeden aminokwas lub jeden kodon zawsze odpowiada jednemu aminokwasowi (Tabela 3).

Wielość (nadmiarowość lub degeneracja)

Ten sam aminokwas może być kodowany przez kilka trójek (od 2 do 6), ponieważ istnieje 20 aminokwasów tworzących białko i 64 trójki.

Ciągłość

Odczyt informacji genetycznej odbywa się w jednym kierunku, od lewej do prawej. Jeżeli jeden nukleotyd zostanie utracony, to po odczytaniu jego miejsce zajmie najbliższy nukleotyd z sąsiedniej trójki, co doprowadzi do zmiany informacji genetycznej.

Wszechstronność

Kod genetyczny jest wspólny dla wszystkich żywych organizmów, a te same trojaczki kodują ten sam aminokwas we wszystkich żywych organizmach.

Ma trójki początkowe i końcowe(trójka początkowa - AUG, trójka końcowa UAA, UGA, UAG). Tego typu trojaczki nie kodują aminokwasów.

Brak nakładania się (dyskretność)

Kod genetyczny nie nakłada się, ponieważ ten sam nukleotyd nie może jednocześnie należeć do dwóch sąsiadujących trójek. Nukleotydy mogą należeć tylko do jednej trójki, a jeśli zostaną przegrupowane w inną trójkę, informacja genetyczna ulegnie zmianie.

Tabela 3 – Tabela kodów genetycznych

		Zasady kodonowe

Uwaga: skrócone nazwy aminokwasów podano zgodnie z terminologią międzynarodową.

Biosynteza białek

Biosynteza białek – rodzaj wymiany plastiku substancje występujące w komórce w organizmach żywych pod wpływem enzymów. Biosyntezę białek poprzedzają reakcje syntezy macierzy (replikacja – synteza DNA; transkrypcja – synteza RNA; translacja – składanie cząsteczek białka na rybosomach). W procesie biosyntezy białek można wyróżnić 2 etapy:

transkrypcja

audycja

Podczas transkrypcji informacja genetyczna zawarta w DNA zlokalizowanym w chromosomach jądra jest przenoszona na cząsteczkę RNA. Po zakończeniu procesu transkrypcji mRNA przedostaje się do cytoplazmy komórki przez pory w błonie jądrowej, znajduje się pomiędzy 2 podjednostkami rybosomu i bierze udział w biosyntezie białek.

Tłumaczenie to proces tłumaczenia kodu genetycznego na sekwencję aminokwasów. Translacja zachodzi w cytoplazmie komórki na rybosomach, które znajdują się na powierzchni ER (retikulum endoplazmatycznego). Rybosomy to kuliste granulki o średniej średnicy 20 nm, składające się z dużych i małych podjednostek. Cząsteczka mRNA znajduje się pomiędzy dwiema podjednostkami rybosomu. W procesie translacji biorą udział aminokwasy, ATP, mRNA, t-RNA i enzym syntetaza amino-acylo-t-RNA.

Kodon- odcinek cząsteczki DNA, czyli mRNA, składający się z trzech kolejno rozmieszczonych nukleotydów, kodujący jeden aminokwas.

Antykodon– odcinek cząsteczki t-RNA, składający się z trzech kolejnych nukleotydów i komplementarny do kodonu cząsteczki i-RNA. Kodony są komplementarne do odpowiednich antykodonów i są z nimi połączone za pomocą wiązań wodorowych (ryc. 21).

Rozpoczyna się synteza białek kodon startowy AUG. Z niego rybosom

porusza się wzdłuż cząsteczki mRNA, triplet po triplecie. Aminokwasy dostarczane są zgodnie z kodem genetycznym. Ich integracja z łańcuchem polipeptydowym na rybosomie następuje za pomocą t-RNA. Pierwotna struktura t-RNA (łańcuch) przekształca się w strukturę wtórną, która przypomina kształtem krzyż, zachowując jednocześnie komplementarność nukleotydów. Na dole tRNA znajduje się miejsce akceptorowe, do którego przyłączony jest aminokwas (ryc. 16). Aktywacja aminokwasów odbywa się za pomocą enzymu syntetaza aminoacylo-tRNA. Istotą tego procesu jest to, że enzym ten oddziałuje z aminokwasem i ATP. W tym przypadku powstaje potrójny kompleks reprezentowany przez ten enzym, aminokwas i ATP. Aminokwas zostaje wzbogacony energią, aktywowany i nabywa zdolność do tworzenia wiązań peptydowych z sąsiadującym aminokwasem. Bez procesu aktywacji aminokwasów nie może powstać łańcuch polipeptydowy z aminokwasów.

Przeciwna, górna część cząsteczki tRNA zawiera trójkę nukleotydów antykodon, za pomocą którego tRNA jest przyłączany do swojego komplementarnego kodonu (ryc. 22).

Pierwsza cząsteczka t-RNA z przyłączonym aktywowanym aminokwasem przyłącza swój antykodon do kodonu i-RNA i jeden aminokwas trafia do rybosomu. Następnie drugi tRNA jest przyłączany wraz ze swoim antykodonem do odpowiedniego kodonu mRNA. W tym przypadku rybosom zawiera już 2 aminokwasy, pomiędzy którymi tworzy się wiązanie peptydowe. Pierwszy tRNA opuszcza rybosom natychmiast po oddaniu aminokwasu do łańcucha polipeptydowego rybosomu. Następnie do dipeptydu dodaje się trzeci aminokwas, wprowadza go trzeci tRNA itd. Synteza białka zatrzymuje się na jednym z końcowych kodonów - UAA, UAG, UGA (ryc. 23).

1 – kodon mRNA; kodonyUCGUCG; CUACUA; CGU -Centralny Uniwersytet Państwowy;

2– antykodon tRNA; antykodon GAT - GAT

Ryż. 21 . Faza translacji: kodon mRNA jest przyciągany do antykodonu tRNA przez odpowiednie komplementarne nukleotydy (zasady)

Kwasy nukleinowe to substancje wielkocząsteczkowe składające się z mononukleotydów, które są połączone ze sobą łańcuchem polimerowym za pomocą wiązań fosfodiestrowych 3”, 5” i są upakowane w komórkach w określony sposób.

Kwasy nukleinowe to biopolimery dwóch typów: kwasu rybonukleinowego (RNA) i kwasu dezoksyrybonukleinowego (DNA). Każdy biopolimer składa się z nukleotydów, które różnią się resztą węglowodanową (ryboza, deoksyryboza) i jedną z zasad azotowych (uracyl, tymina). Zgodnie z tymi różnicami kwasy nukleinowe otrzymały swoją nazwę.

Struktura kwasu dezoksyrybonukleinowego

Kwasy nukleinowe mają strukturę pierwszorzędową, drugorzędową i trzeciorzędową.

Podstawowa struktura DNA

Podstawową strukturą DNA jest liniowy łańcuch polinukleotydowy, w którym mononukleotydy są połączone wiązaniami fosfodiestrowymi 3”, 5”. Materiałem wyjściowym do złożenia łańcucha kwasu nukleinowego w komórce jest nukleozyd 5”-trifosforanowy, który w wyniku usunięcia reszt kwasu fosforowego β i γ jest w stanie przyłączyć 3” atom węgla innego nukleozydu . Zatem 3" atom węgla jednej dezoksyrybozy jest kowalencyjnie połączony z 5" atomem węgla innej dezoksyrybozy poprzez pojedynczą resztę kwasu fosforowego i tworzy liniowy łańcuch polinukleotydowy kwasu nukleinowego. Stąd nazwa: wiązania fosfodiestrowe 3", 5". Zasady azotowe nie biorą udziału w łączeniu nukleotydów jednego łańcucha (ryc. 1.).

Takie połączenie pomiędzy resztą cząsteczki kwasu fosforowego jednego nukleotydu a węglowodanem innego nukleotydu prowadzi do powstania szkieletu pentozofosforanowego cząsteczki polinukleotydu, do którego boków są przyłączone jedna po drugiej zasady azotowe. Ich kolejność ułożenia w łańcuchach cząsteczek kwasów nukleinowych jest ściśle specyficzna dla komórek różnych organizmów, tj. ma specyficzny charakter (reguła Chargaffa).

Liniowy łańcuch DNA, którego długość zależy od liczby nukleotydów wchodzących w skład łańcucha, ma dwa końce: jeden nazywa się końcem 3" i zawiera wolny hydroksyl, a drugi nazywa się końcem 5" i zawiera grupę fosforową pozostałość kwasu. Obwód jest polarny i może mieć kierunek 5"->3" i 3"->5". Wyjątkiem jest koliste DNA.

Genetyczny „tekst” DNA składa się ze „słów” kodowych – trójek nukleotydów zwanych kodonami. Sekcje DNA zawierające informacje o pierwotnej strukturze wszystkich typów RNA nazywane są genami strukturalnymi.

Łańcuchy polinukleotydowego DNA osiągają gigantyczne rozmiary, dlatego są w określony sposób upakowane w komórce.

Badając skład DNA, Chargaff (1949) ustalił ważne wzorce dotyczące zawartości poszczególnych zasad DNA. Pomogły odkryć drugorzędową strukturę DNA. Wzorce te nazywane są regułami Chargaffa. Zasady Chargaffa suma nukleotydów purynowych jest równa sumie nukleotydów pirymidynowych, czyli A+G / C+T = 1 zawartość adeniny jest równa zawartości tyminy (A = T lub A/T = 1); zawartość guaniny jest równa zawartości cytozyny (G = C lub G/C = 1); liczba grup 6-aminowych jest równa liczbie grup 6-keto zasad zawartych w DNA: G + T = A + C; zmienna jest tylko suma A + T i G + C. Jeżeli A + T > G-C, to jest to DNA typu AT; jeśli G+C > A+T, to jest to DNA typu GC. Zasady te wskazują, że podczas konstruowania DNA należy zachować dość ścisłą zgodność (parowanie) nie ogólnie zasad purynowych i pirymidynowych, ale w szczególności tyminy z adeniną i cytozyny z guaniną. W oparciu o te zasady w 1953 roku Watson i Crick zaproponowali model drugorzędowej struktury DNA, zwany podwójną helisą (ryc.).

Struktura wtórna DNA

Strukturą drugorzędową DNA jest podwójna helisa, której model zaproponowali D. Watson i F. Crick w 1953 roku.

Warunki wstępne tworzenia modelu DNA

W wyniku wstępnych analiz uznano, że DNA dowolnego pochodzenia zawiera wszystkie cztery nukleotydy w równych ilościach molowych. Jednak w latach czterdziestych XX wieku E. Chargaff i jego współpracownicy w wyniku analizy DNA wyizolowanego z różnych organizmów wyraźnie wykazali, że zawierają one zasady azotowe w różnych proporcjach ilościowych. Chargaff odkrył, że chociaż te stosunki są takie same dla DNA ze wszystkich komórek tego samego gatunku organizmu, DNA różnych gatunków może znacznie różnić się zawartością niektórych nukleotydów. Sugerowało to, że różnice w stosunku zasad azotowych mogą być powiązane z pewnym kodem biologicznym. Choć stosunek poszczególnych zasad purynowych i pirymidynowych w różnych próbkach DNA okazał się różny, to porównując wyniki testu wyłonił się pewien wzór: we wszystkich próbkach całkowita liczba puryn była równa całkowitej liczbie pirymidyn (A + G = T + C), ilość adeniny była równa ilości tyminy (A = T), a ilość guaniny to ilość cytozyny (G = C). DNA wyizolowany z komórek ssaków był na ogół bogatszy w adeninę i tyminę oraz stosunkowo uboższy w guaninę i cytozynę, podczas gdy DNA bakterii był bogatszy w guaninę i cytozynę oraz stosunkowo uboższy w adeninę i tyminę. Dane te stanowiły ważną część materiału faktograficznego, na podstawie którego później zbudowano model struktury DNA Watsona-Cricka.

Innego ważnego pośredniego wskazania na możliwą strukturę DNA dostarczyły dane L. Paulinga dotyczące struktury cząsteczek białek. Pauling wykazał, że możliwych jest kilka różnych stabilnych konfiguracji łańcucha aminokwasów w cząsteczce białka. Jedna z powszechnych konfiguracji łańcucha peptydowego, α-helisa, jest regularną strukturą helikalną. Dzięki tej strukturze możliwe jest tworzenie wiązań wodorowych pomiędzy aminokwasami znajdującymi się na sąsiednich zwojach łańcucha. Pauling opisał konfigurację α-helikalną łańcucha polipeptydowego w 1950 roku i zasugerował, że cząsteczki DNA prawdopodobnie mają strukturę helikalną utrzymywaną na miejscu przez wiązania wodorowe.

Najcenniejszych informacji na temat budowy cząsteczki DNA dostarczyły jednak wyniki analizy dyfrakcji promieni rentgenowskich. Promienie rentgenowskie przechodzące przez kryształ DNA ulegają dyfrakcji, to znaczy są odchylane w określonych kierunkach. Stopień i charakter odchylenia promieni zależą od struktury samych cząsteczek. Dyfrakcja promieni rentgenowskich (ryc. 3) daje doświadczonemu oku szereg pośrednich wskazówek dotyczących budowy cząsteczek badanej substancji. Analiza dyfrakcji promieni rentgenowskich DNA doprowadziła do wniosku, że zasady azotowe (które mają płaski kształt) są ułożone jak stos płytek. Wzory dyfrakcji promieni rentgenowskich ujawniły trzy główne okresy w strukturze krystalicznego DNA: 0,34, 2 i 3,4 nm.

Model DNA Watsona-Cricka

Opierając się na danych analitycznych Chargaffa, wzorach rentgenowskich Wilkinsa oraz badaniach chemików, którzy dostarczyli informacji o dokładnych odległościach między atomami w cząsteczce, kątach między wiązaniami danego atomu oraz wielkości atomów, Watson i Crick zaczął budować modele fizyczne poszczególnych składników cząsteczki DNA w określonej skali i „dopasowywać” je do siebie w taki sposób, aby powstały układ odpowiadał różnym danym eksperymentalnym [pokazywać] .

Już wcześniej wiadomo było, że sąsiednie nukleotydy w łańcuchu DNA są połączone mostkami fosfodiestrowymi, łącząc 5"-węglowy atom dezoksyrybozy jednego nukleotydu z 3"-węglowym atomem dezoksyrybozy następnego nukleotydu. Watson i Crick nie mieli wątpliwości, że okres 0,34 nm odpowiada odległości pomiędzy kolejnymi nukleotydami w łańcuchu DNA. Ponadto można założyć, że okres 2 nm odpowiada grubości łańcucha. Aby wyjaśnić, jakiej rzeczywistej strukturze odpowiada okres 3,4 nm, Watson i Crick, a także wcześniej Pauling, zasugerowali, że łańcuch jest skręcony w kształcie spirali (a dokładniej tworzy linię helikalną, ponieważ spiralę w ścisłym tego słowa znaczeniu uzyskuje się, gdy cewki tworzą w przestrzeni raczej stożkową niż cylindryczną powierzchnię). Wtedy okres 3,4 nm będzie odpowiadał odległości pomiędzy kolejnymi zwojami tej helisy. Taka spirala może być bardzo gęsta lub nieco rozciągnięta, to znaczy jej zwoje mogą być płaskie lub strome. Ponieważ okres 3,4 nm jest dokładnie 10-krotnością odległości między kolejnymi nukleotydami (0,34 nm), jasne jest, że każdy pełny obrót helisy zawiera 10 nukleotydów. Na podstawie tych danych Watson i Crick byli w stanie obliczyć gęstość łańcucha polinukleotydowego skręconego w helisę o średnicy 2 nm i odległości między zwojami 3,4 nm. Okazało się, że taki łańcuch miałby gęstość o połowę mniejszą od znanej już rzeczywistej gęstości DNA. Musiałem założyć, że cząsteczka DNA składa się z dwóch łańcuchów – że jest podwójną helisą nukleotydów.

Kolejnym zadaniem było oczywiście wyjaśnienie zależności przestrzennych pomiędzy dwoma łańcuchami tworzącymi podwójną helisę. Po wypróbowaniu szeregu opcji rozmieszczenia łańcuchów w swoim modelu fizycznym Watson i Crick odkryli, że do wszystkich dostępnych danych najlepiej pasuje opcja, w której dwie helisy polinukleotydowe biegną w przeciwnych kierunkach; w tym przypadku łańcuchy składające się z reszt cukrowych i fosforanowych tworzą powierzchnię podwójnej helisy, a wewnątrz znajdują się puryny i pirymidyny. Zasady znajdujące się naprzeciw siebie, należące do dwóch łańcuchów, są połączone parami wiązaniami wodorowymi; To właśnie te wiązania wodorowe utrzymują łańcuchy razem, ustalając w ten sposób ogólną konfigurację cząsteczki.

Podwójną helisę DNA można sobie wyobrazić jako drabinę linową skręconą spiralnie, tak że jej szczeble pozostają poziome. Następnie dwie podłużne liny będą odpowiadać łańcuchom reszt cukrowych i fosforanowych, a poprzeczki będą odpowiadać parom zasad azotowych połączonych wiązaniami wodorowymi.

W wyniku dalszych badań możliwych modeli Watson i Crick doszli do wniosku, że każda „poprzeczka” powinna składać się z jednej puryny i jednej pirymidyny; przy okresie 2 nm (odpowiadającym średnicy podwójnej helisy) nie byłoby wystarczająco dużo miejsca na dwie puryny, a dwie pirymidyny nie mogłyby znajdować się wystarczająco blisko siebie, aby utworzyć odpowiednie wiązania wodorowe. Dogłębne badanie szczegółowego modelu wykazało, że adenina i cytozyna, tworząc kombinację o odpowiedniej wielkości, nadal nie mogły być ustawione w taki sposób, aby utworzyły się między nimi wiązania wodorowe. Podobne doniesienia wymusiły wykluczenie kombinacji guanina – tymina, natomiast połączenia adenina – tymina i guanina – cytozyna okazały się całkiem akceptowalne. Charakter wiązań wodorowych jest taki, że adenina tworzy parę z tyminą, a guanina z cytozyną. Ta koncepcja specyficznego parowania zasad pozwoliła wyjaśnić „regułę Chargaffa”, zgodnie z którą w dowolnej cząsteczce DNA ilość adeniny jest zawsze równa zawartości tyminy, a ilość guaniny jest zawsze równa ilości cytozyny. Pomiędzy adeniną i tyminą powstają dwa wiązania wodorowe, a pomiędzy guaniną i cytozyną trzy wiązania wodorowe. Ze względu na tę specyfikę tworzenie wiązań wodorowych z każdą adeniną w jednym łańcuchu powoduje tworzenie tyminy w drugim; w ten sam sposób tylko cytozyna może znajdować się naprzeciwko każdej guaniny. Zatem łańcuchy są względem siebie komplementarne, to znaczy sekwencja nukleotydów w jednym łańcuchu jednoznacznie określa ich sekwencję w drugim. Dwa łańcuchy biegną w przeciwnych kierunkach, a ich końcowe grupy fosforanowe znajdują się na przeciwległych końcach podwójnej helisy.

W wyniku swoich badań w 1953 roku Watson i Crick zaproponowali model struktury cząsteczki DNA (ryc. 3), który pozostaje aktualny do dziś. Według modelu cząsteczka DNA składa się z dwóch komplementarnych łańcuchów polinukleotydowych. Każda nić DNA jest polinukleotydem składającym się z kilkudziesięciu tysięcy nukleotydów. W nim sąsiednie nukleotydy tworzą regularny szkielet pentozo-fosforanowy z powodu połączenia reszty kwasu fosforowego i dezoksyrybozy silnym wiązaniem kowalencyjnym. Zasady azotowe jednego łańcucha polinukleotydowego są ułożone w ściśle określonej kolejności naprzeciw zasad azotowych drugiego. Naprzemienność zasad azotowych w łańcuchu polinukleotydowym jest nieregularna.

Układ zasad azotowych w łańcuchu DNA jest komplementarny (od greckiego „komplement” - addycja), tj. Tymina (T) jest zawsze przeciwna adeninie (A) i tylko cytozyna (C) jest przeciwna guaninie (G). Wyjaśnia to fakt, że A i T, a także G i C, ściśle sobie odpowiadają, tj. wzajemnie się uzupełniają. O tej zgodności decyduje budowa chemiczna zasad, która umożliwia tworzenie wiązań wodorowych w parze puryn i pirymidyn. Istnieją dwa połączenia pomiędzy A i T oraz trzy pomiędzy G i C. Wiązania te zapewniają częściową stabilizację cząsteczki DNA w przestrzeni. Stabilność podwójnej helisy jest wprost proporcjonalna do liczby wiązań G≡C, które są bardziej stabilne w porównaniu do wiązań A=T.

Znana kolejność ułożenia nukleotydów w jednym łańcuchu DNA umożliwia, zgodnie z zasadą komplementarności, ustalenie nukleotydów innego łańcucha.

Ponadto ustalono, że zasady azotowe o strukturze aromatycznej w roztworze wodnym znajdują się jedna nad drugą, tworząc niejako stos monet. Ten proces tworzenia stosów cząsteczek organicznych nazywa się układaniem. Łańcuchy polinukleotydowe cząsteczki DNA rozważanego modelu Watsona-Cricka mają podobny stan fizykochemiczny, ich zasady azotowe są ułożone w formie stosu monet, pomiędzy płaszczyznami, których powstają oddziaływania van der Waalsa (interakcje układania).

Wiązania wodorowe pomiędzy komplementarnymi zasadami (poziomo) oraz interakcje układające się pomiędzy płaszczyznami zasad w łańcuchu polinukleotydowym pod wpływem sił van der Waalsa (pionowo) zapewniają cząsteczce DNA dodatkową stabilizację w przestrzeni.

Szkielety cukrowo-fosforanowe obu łańcuchów są zwrócone na zewnątrz, a zasady skierowane są do wewnątrz, ku sobie. Kierunek łańcuchów w DNA jest antyrównoległy (jeden z nich ma kierunek 5”->3”, drugi 3”->5”, czyli koniec 3” jednego łańcucha znajduje się naprzeciw końca 5” inny.). Łańcuchy tworzą prawoskrętne spirale o wspólnej osi. Jeden zwój helisy wynosi 10 nukleotydów, wielkość zwoju wynosi 3,4 nm, wysokość każdego nukleotydu wynosi 0,34 nm, średnica helisy wynosi 2,0 nm. W wyniku rotacji jednej nici wokół drugiej powstaje główny rowek (o średnicy około 20 Å) i mniejszy rowek (o średnicy około 12 Å) podwójnej helisy DNA. Ta forma podwójnej helisy Watsona-Cricka została później nazwana formą B. W komórkach DNA występuje zwykle w formie B, która jest najbardziej stabilna.

Funkcje DNA

Zaproponowany model wyjaśniał wiele właściwości biologicznych kwasu dezoksyrybonukleinowego, w tym przechowywanie informacji genetycznej i różnorodność genów zapewnianą przez szeroką gamę kolejnych kombinacji 4 nukleotydów oraz fakt istnienia kodu genetycznego, zdolność do samoreprodukcji i przekazywania informacji genetycznej dostarczonej w procesie replikacji oraz realizacji informacji genetycznej w postaci białek, a także wszelkich innych związków powstałych za pomocą białek enzymatycznych.

Podstawowe funkcje DNA.

1. DNA jest nośnikiem informacji genetycznej, co zapewnia fakt istnienia kodu genetycznego.
2. Powielanie i przekazywanie informacji genetycznej pomiędzy pokoleniami komórek i organizmów. Funkcjonalność tę zapewnia proces replikacji.
3. Implementacja informacji genetycznej w postaci białek, a także wszelkich innych związków powstałych za pomocą białek enzymatycznych. Funkcję tę pełnią procesy transkrypcji i translacji.

Formy organizacji dwuniciowego DNA

DNA może tworzyć kilka rodzajów podwójnych helis (ryc. 4). Obecnie znanych jest już sześć form (od A do E i Z).

Formy strukturalne DNA, jak ustaliła Rosalind Franklin, zależą od nasycenia cząsteczki kwasu nukleinowego wodą. W badaniach włókien DNA za pomocą analizy dyfrakcji promieni rentgenowskich wykazano, że wzór promieniowania rentgenowskiego radykalnie zależy od wilgotności względnej, w jakim stopniu nasycenia tego włókna wodą ma miejsce doświadczenie. Jeżeli włókno było dostatecznie nasycone wodą, uzyskiwano jedno zdjęcie RTG. Po wysuszeniu pojawił się zupełnie inny obraz rentgenowski, bardzo różniący się od obrazu rentgenowskiego włókna o wysokiej zawartości wilgoci.

Cząsteczka DNA o wysokiej wilgotności nazywana jest formą B. W warunkach fizjologicznych (niskie stężenie soli, wysoki stopień uwodnienia) dominującym typem strukturalnym DNA jest forma B (główna forma dwuniciowego DNA – model Watsona-Cricka). Skok helisy takiej cząsteczki wynosi 3,4 nm. Na turę przypada 10 uzupełniających się par w postaci skręconych stosów „monet” - zasad azotowych. Stosy są utrzymywane razem za pomocą wiązań wodorowych pomiędzy dwiema przeciwstawnymi „monetami” stosów i są „nawinięte” przez dwie wstęgi szkieletu fosfodiestrowego skręcone w prawoskrętną helisę. Płaszczyzny zasad azotowych są prostopadłe do osi helisy. Sąsiadujące pary komplementarne są obrócone względem siebie o 36°. Średnica helisy wynosi 20 Å, przy czym nukleotyd purynowy zajmuje 12 Å, a nukleotyd pirymidynowy 8 Å.

Cząsteczka DNA o niższej wilgotności nazywana jest formą A. Forma A powstaje w warunkach mniejszego uwodnienia i wyższej zawartości jonów Na+ lub K+. Ta szersza, prawoskrętna konformacja helikalna ma 11 par zasad na obrót. Płaszczyzny zasad azotowych mają większe nachylenie do osi helisy, odchylają się od normalnej do osi helisy o 20°. Oznacza to obecność wewnętrznej pustki o średnicy 5Å. Odległość między sąsiednimi nukleotydami wynosi 0,23 nm, długość zwoju wynosi 2,5 nm, a średnica helisy wynosi 2,3 nm.

Początkowo uważano, że forma A DNA jest mniej istotna. Jednak później stało się jasne, że forma A DNA, podobnie jak forma B, ma ogromne znaczenie biologiczne. Helisa RNA-DNA w kompleksie matryca-starter ma formę A, podobnie jak helisa RNA-RNA i struktury RNA typu spinka do włosów (grupa 2'-hydroksylowa rybozy zapobiega tworzeniu się formy B przez cząsteczki RNA). Forma A DNA występuje w zarodnikach. Ustalono, że forma A DNA jest 10 razy bardziej odporna na działanie promieni UV niż forma B.

Formę A i formę B nazywa się kanonicznymi formami DNA.

Formularze CE również praworęczne, ich powstawanie można zaobserwować jedynie w specjalnych eksperymentach i najwyraźniej nie istnieją in vivo. Forma C DNA ma strukturę podobną do DNA B. Liczba par zasad na obrót wynosi 9,33, długość zwoju helisy wynosi 3,1 nm. Pary zasad są nachylone pod kątem 8 stopni w stosunku do położenia prostopadłego do osi. Rowki mają podobną wielkość do rowków B-DNA. W tym przypadku rowek główny jest nieco płytszy, a rowek mniejszy jest głębszy. Naturalne i syntetyczne polinukleotydy DNA mogą przekształcić się w formę C.

Tabela 1. Charakterystyka niektórych typów struktur DNA
Typ spiralny	A	B	Z
Skok spiralny	0,32 nm	3,38 nm	4,46 nm
Skręt spiralny	Prawidłowy	Prawidłowy	Lewy
Liczba par zasad na turę	11	10	12
Odległość pomiędzy płaszczyznami bazowymi	0,256 nm	0,338 nm	0,371 nm
Konformacja wiązania glikozydowego	anty	anty	wybryk śpiewać
Konformacja pierścienia furanozowego	C3"-endo	C2"-endo	C3"-endo-G C2"-endo-C
Szerokość rowka, mała/duża	1,11/0,22 nm	0,57/1,17 nm	0,2/0,88 nm
Głębokość rowka, mała/duża	0,26/1,30 nm	0,82/0,85 nm	1,38/0,37 nm
Średnica spirali	2,3 nm	2,0 nm	1,8 nm

Elementy strukturalne DNA
(niekanoniczne struktury DNA)

Elementy strukturalne DNA obejmują niezwykłe struktury ograniczone pewnymi specjalnymi sekwencjami:

DNA w formie Z - powstaje w miejscach DNA w formie B, gdzie puryny występują na przemian z pirymidynami lub w powtórzeniach zawierających metylowaną cytozynę. Palindromy to odwrócone sekwencje, odwrócone powtórzenia sekwencji zasad, które mają symetrię drugiego rzędu w stosunku do dwóch nici DNA i tworzą „szpilki do włosów” i „krzyżyki”. Forma H DNA i potrójne helisy DNA powstają, gdy w jednym łańcuchu normalnego dupleksu Watsona-Cricka znajduje się sekcja zawierająca tylko puryny, a w drugim łańcuchu odpowiednio komplementarne do nich pirymidyny. G-kwadrupleks (G-4) to czteroniciowa helisa DNA, w której 4 zasady guaninowe z różnych łańcuchów tworzą kwartety G (G-tetrady), połączone wiązaniami wodorowymi, tworząc G-kwadrupleksy.

DNA w kształcie litery Z został odkryty w 1979 roku podczas badań heksanukleotydu d(CG)3 -. Został odkryty przez profesora MIT Alexandra Richa i jego współpracowników. Forma Z stała się jednym z najważniejszych elementów strukturalnych DNA ze względu na fakt, że jej powstawanie zaobserwowano w regionach DNA, w których puryny występują naprzemiennie z pirymidynami (np. 5'-GCGCGC-3') lub w powtórzeniach 5 „-CGCGCG-3” zawierający metylowaną cytozynę. Istotnym warunkiem powstania i stabilizacji Z-DNA była obecność w nim nukleotydów purynowych w konformacji syn, na przemian z zasadami pirymidynowymi w konformacji anti.

Naturalne cząsteczki DNA występują głównie w prawoskrętnej formie B, chyba że zawierają sekwencje takie jak (CG)n. Jeśli jednak takie sekwencje są częścią DNA, to te sekcje, gdy zmieni się siła jonowa roztworu lub kationów neutralizujących ładunek ujemny na zrębie fosfodiestrowym, te sekcje mogą przekształcić się w formę Z, podczas gdy inne sekcje DNA w łańcuch pozostaje w klasycznej formie B. Możliwość takiego przejścia wskazuje, że dwie nici podwójnej helisy DNA znajdują się w stanie dynamicznym i mogą się rozwijać względem siebie, przechodząc z formy prawoskrętnej do lewoskrętnej i odwrotnie. Biologiczne konsekwencje takiej labilności, która umożliwia transformacje konformacyjne struktury DNA, nie są jeszcze w pełni poznane. Uważa się, że odcinki Z-DNA odgrywają pewną rolę w regulacji ekspresji niektórych genów i biorą udział w rekombinacji genetycznej.

Forma Z DNA to lewoskrętna podwójna helisa, w której szkielet fosfodiestrowy jest umiejscowiony zygzakowato wzdłuż osi cząsteczki. Stąd nazwa cząsteczki (zygzak)-DNK. Z-DNA jest najmniej skręconym (12 par zasad na obrót) i najcieńszym DNA znanym w naturze. Odległość pomiędzy sąsiednimi nukleotydami wynosi 0,38 nm, długość zwoju wynosi 4,56 nm, a średnica Z-DNA wynosi 1,8 nm. Ponadto wygląd tej cząsteczki DNA wyróżnia się obecnością pojedynczego rowka.

Formę Z DNA znaleziono w komórkach prokariotycznych i eukariotycznych. Obecnie uzyskano przeciwciała, które potrafią odróżnić formę Z od formy B DNA. Przeciwciała te wiążą się z pewnymi regionami gigantycznych chromosomów komórek gruczołów ślinowych Drosophila (Dr. melanogaster). Reakcję wiązania można łatwo monitorować ze względu na niezwykłą strukturę tych chromosomów, w której gęstsze obszary (dyski) kontrastują z mniej gęstymi obszarami (międzydyskami). Regiony Z-DNA znajdują się w dyskach międzykręgowych. Wynika z tego, że forma Z faktycznie istnieje w warunkach naturalnych, choć rozmiary poszczególnych odcinków formy Z nie są jeszcze znane.

(inwertery) to najbardziej znane i najczęściej występujące sekwencje zasad w DNA. Palindrom to słowo lub fraza, które czyta się tak samo od lewej do prawej i odwrotnie. Przykładami takich słów lub wyrażeń są: CHATA, KOZACK, POWÓD, RÓŻA SPADŁA NA ŁAPĘ AZORA. W zastosowaniu do odcinków DNA termin ten (palindrom) oznacza tę samą przemianę nukleotydów wzdłuż łańcucha od prawej do lewej i od lewej do prawej (jak litery w słowie „chata” itp.).

Palindrom charakteryzuje się obecnością odwróconych powtórzeń sekwencji zasad, które mają symetrię drugiego rzędu w stosunku do dwóch nici DNA. Sekwencje takie z oczywistych powodów są samouzupełniające i mają tendencję do tworzenia struktur typu spinka do włosów lub krzyża (ryc.). Spinki do włosów pomagają białkom regulatorowym rozpoznać, gdzie kopiowany jest tekst genetyczny chromosomowego DNA.

Kiedy na tej samej nici DNA występuje odwrócone powtórzenie, sekwencję nazywa się powtórzeniem lustrzanym. Powtórzenia lustrzane nie mają właściwości samokomplementarności i dlatego nie są zdolne do tworzenia struktur typu spinka do włosów lub krzyża. Sekwencje tego typu występują w prawie wszystkich dużych cząsteczkach DNA i mogą mieć długość od kilku do kilku tysięcy par zasad.

Nie udowodniono obecności palindromów w postaci struktur krzyżowych w komórkach eukariotycznych, chociaż wykryto pewną liczbę struktur krzyżowych in vivo w komórkach E. coli. Obecność sekwencji samokomplementujących w RNA lub jednoniciowym DNA jest główną przyczyną fałdowania łańcucha kwasu nukleinowego w roztworach w pewną strukturę przestrzenną, charakteryzującą się tworzeniem wielu „szpilek do włosów”.

DNA w formie H to helisa utworzona przez trzy nici DNA - potrójna helisa DNA. Jest to kompleks podwójnej helisy Watsona-Cricka z trzecią jednoniciową nicią DNA, która wpasowuje się w jej główny rowek, tworząc tzw. parę Hoogsteena.

Powstanie takiego tripleksu następuje w wyniku złożenia podwójnej helisy DNA w taki sposób, że połowa jej przekroju pozostaje w postaci podwójnej helisy, a druga połowa jest oddzielona. W tym przypadku jedna z rozłączonych helis tworzy nową strukturę z pierwszą połową podwójnej helisy - potrójną helisą, a druga okazuje się nieustrukturyzowana, w postaci odcinka jednoniciowego. Cechą tego przejścia strukturalnego jest jego ostra zależność od pH ośrodka, którego protony stabilizują nową strukturę. Ze względu na tę cechę nową strukturę nazwano formą H DNA, której powstawanie odkryto w superskręconych plazmidach zawierających regiony homopurynowo-homopirymidynowe, które są powtórzeniami lustrzanymi.

W dalszych badaniach ustalono, że możliwe jest przeprowadzenie strukturalnej przemiany niektórych dwuniciowych polinukleotydów homopurynowo-homopirymidynowych z utworzeniem struktury trójniciowej zawierającej:

• jedna nić homopuryny i dwie nici homopirymidyny ( Potrójny układ Py-Pu-Py) [Interakcja Hoogsteena].

  Bloki składowe tripleksu Py-Pu-Py to kanoniczne izomorficzne triady CGC+ i TAT. Stabilizacja tripleksu wymaga protonowania triady CGC+, więc te tripleksy zależą od pH roztworu.

• jedna nić homopirymidynowa i dwie nici homopurynowe ( Potrójny układ Py-Pu-Pu) [odwrotna interakcja Hoogsteena].

  Bloki składowe tripleksu Py-Pu-Pu to kanoniczne izomorficzne triady CGG i TAA. Istotną właściwością tripleksów Py-Pu-Pu jest zależność ich stabilności od obecności jonów podwójnie naładowanych, a do stabilizacji tripleksów o różnych sekwencjach potrzebne są różne jony. Ponieważ tworzenie tripleksów Py-Pu-Pu nie wymaga protonowania nukleotydów składowych, takie tripleksy mogą istnieć przy obojętnym pH.

  Uwaga: bezpośrednie i odwrotne oddziaływania Hoogsteena tłumaczy się symetrią 1-metylotyminy: obrót o 180° powoduje, że atom O2 zajmuje miejsce atomu O4, przy czym układ wiązań wodorowych zostaje zachowany.

Znane są dwa typy potrójnych helis:

1. równoległe potrójne helisy, w których biegunowość trzeciej nici pokrywa się z polarnością łańcucha homopurynowego dupleksu Watsona-Cricka
2. antyrównoległe potrójne helisy, w których polaryzacja trzeciego i homopurynowego łańcucha jest przeciwna.

Chemicznie homologiczne łańcuchy zarówno w tripleksach Py-Pu-Pu, jak i Py-Pu-Py są w orientacji antyrównoległej. Zostało to dodatkowo potwierdzone danymi ze spektroskopii NMR.

G-poczwórny- 4-niciowy DNA. Struktura ta powstaje, jeśli występują cztery guaniny, które tworzą tzw. G-quadruplex – okrągły taniec czterech guanin.

Pierwsze wzmianki o możliwości powstania takich struktur otrzymano na długo przed przełomowym dziełem Watsona i Cricka – już w 1910 roku. Następnie niemiecki chemik Ivar Bang odkrył, że jeden ze składników DNA – kwas guanozynowy – w wysokich stężeniach tworzy żele, podczas gdy inne składniki DNA nie mają tej właściwości.

W 1962 roku metodą dyfrakcji promieni rentgenowskich udało się ustalić strukturę komórkową tego żelu. Okazało się, że składa się z czterech reszt guaniny, łączących się ze sobą w okrąg i tworzących charakterystyczny kwadrat. W środku wiązanie jest podtrzymywane przez jon metalu (Na, K, Mg). Te same struktury mogą tworzyć się w DNA, jeśli zawiera ono dużo guaniny. Te płaskie kwadraty (kwartety G) są ułożone w stosy, tworząc dość stabilne, gęste struktury (kwadrupleksy G).

Cztery oddzielne nici DNA można wplecić w czteroniciowe kompleksy, ale jest to raczej wyjątek. Częściej pojedyncza nić kwasu nukleinowego jest po prostu związana w węzeł, tworząc charakterystyczne zgrubienia (na przykład na końcach chromosomów), lub dwuniciowy DNA w jakimś regionie bogatym w guaninę tworzy lokalny kwadrupleks.

Najwięcej badano istnienie kwadrupleksów na końcach chromosomów – w telomerach i promotorach nowotworów. Jednak pełny obraz lokalizacji takiego DNA w ludzkich chromosomach nadal nie jest znany.

Wszystkie te niezwykłe struktury DNA w postaci liniowej są niestabilne w porównaniu z DNA w formie B. Jednakże DNA często występuje w postaci kołowej napięcia topologicznego, gdy występuje zjawisko zwane superskręceniem. W tych warunkach łatwo tworzą się niekanoniczne struktury DNA: formy Z, „krzyże” i „szpilki do włosów”, formy H, kwadrupleksy guaniny i i-motif.

• Forma superskręcona - zauważalna po uwolnieniu z jądra komórkowego bez uszkodzenia szkieletu pentozofosforanowego. Ma kształt superskręconych zamkniętych pierścieni. W stanie superskręconym podwójna helisa DNA jest przynajmniej raz „skręcona na siebie”, to znaczy zawiera co najmniej jeden superturn (przybiera kształt ósemki).
• Stan zrelaksowany DNA - obserwowany przy pojedynczym pęknięciu (pęknięciu jednej nici). W tym przypadku superskręty znikają, a DNA przybiera formę zamkniętego pierścienia.
• Liniową formę DNA obserwuje się, gdy dwie nici podwójnej helisy zostaną zerwane.

Wszystkie trzy formy DNA można łatwo rozdzielić za pomocą elektroforezy żelowej.

Trzeciorzędowa struktura DNA

Trzeciorzędowa struktura DNA powstaje w wyniku dodatkowego skręcenia w przestrzeni cząsteczki o podwójnej helisie – jej superskręcenia. Superskręcenie cząsteczki DNA w komórkach eukariotycznych, w przeciwieństwie do prokariotów, zachodzi w postaci kompleksów z białkami.

Prawie całe DNA eukariontów znajduje się w chromosomach jąder, tylko niewielka jego ilość jest zawarta w mitochondriach, a w roślinach w plastydach. Główną substancją chromosomów komórek eukariotycznych (w tym chromosomów ludzkich) jest chromatyna, składająca się z dwuniciowego DNA, białek histonowych i niehistonowych.

Białka chromatyny histonowej

Histony to proste białka, które stanowią do 50% chromatyny. We wszystkich badanych komórkach zwierzęcych i roślinnych stwierdzono pięć głównych klas histonów: H1, H2A, H2B, H3, H4, różniących się wielkością, składem aminokwasowym i ładunkiem (zawsze dodatnim).

Histon H1 ssaków składa się z pojedynczego łańcucha polipeptydowego zawierającego około 215 aminokwasów; rozmiary innych histonów wahają się od 100 do 135 aminokwasów. Wszystkie są spiralizowane i skręcone w kulkę o średnicy około 2,5 nm i zawierają niezwykle dużą ilość dodatnio naładowanych aminokwasów lizyny i argininy. Histony mogą być acetylowane, metylowane, fosforylowane, poli(ADP)-rybozylowane, a histony H2A i H2B są kowalencyjnie połączone z ubikwityną. Rola takich modyfikacji w tworzeniu struktury i wykonywaniu funkcji przez histony nie została dotychczas w pełni wyjaśniona. Zakłada się, że jest to ich zdolność do interakcji z DNA i zapewnienia jednego z mechanizmów regulacji działania genów.

Histony oddziałują z DNA głównie poprzez wiązania jonowe (mostki solne) utworzone pomiędzy ujemnie naładowanymi grupami fosforanowymi DNA a dodatnio naładowanymi resztami lizyny i argininy histonów.

Białka chromatyny niehistonowe

Białka niehistonowe, w przeciwieństwie do histonów, są bardzo zróżnicowane. Wyizolowano aż 590 różnych frakcji białek niehistonowych wiążących się z DNA. Nazywa się je również białkami kwasowymi, ponieważ w ich strukturze dominują aminokwasy kwasowe (są to polianiony). Różnorodność białek niehistonowych wiąże się ze specyficzną regulacją aktywności chromatyny. Na przykład enzymy wymagane do replikacji i ekspresji DNA mogą przejściowo wiązać się z chromatyną. Inne białka, powiedzmy, zaangażowane w różne procesy regulacyjne, wiążą się z DNA tylko w określonych tkankach lub na określonych etapach różnicowania. Każde białko jest komplementarne do określonej sekwencji nukleotydów DNA (miejsca DNA). Do tej grupy zaliczają się:

• rodzina specyficznych dla miejsca białek palca cynkowego. Każdy „palec cynkowy” rozpoznaje określone miejsce składające się z 5 par nukleotydów.
• rodzina białek specyficznych dla miejsca – homodimery. Fragment takiego białka w kontakcie z DNA ma strukturę helisa-zwrot-helisa.
• Białka żelowe o wysokiej mobilności (białka HMG) to grupa białek strukturalnych i regulatorowych, które są stale związane z chromatyną. Mają masę cząsteczkową mniejszą niż 30 kDa i charakteryzują się dużą zawartością naładowanych aminokwasów. Ze względu na niską masę cząsteczkową białka HMG charakteryzują się dużą mobilnością podczas elektroforezy w żelu poliakryloamidowym.
• enzymy replikacyjne, transkrypcyjne i naprawcze.

Przy udziale białek strukturalnych, regulatorowych i enzymów biorących udział w syntezie DNA i RNA nić nukleosomowa przekształca się w silnie skondensowany kompleks białek i DNA. Powstała struktura jest 10 000 razy krótsza niż pierwotna cząsteczka DNA.

Chromatyna

Chromatyna to kompleks białek z jądrowym DNA i substancjami nieorganicznymi. Większość chromatyny jest nieaktywna. Zawiera ciasno upakowane, skondensowane DNA. To jest heterochromatyna. Wyróżnia się chromatynę konstytutywną, genetycznie nieaktywną (satelitarny DNA) składającą się z regionów nie ulegających ekspresji oraz fakultatywną – nieaktywną przez wiele pokoleń, ale w pewnych okolicznościach zdolną do ekspresji.

Aktywna chromatyna (euchromatyna) jest nieskondensowana, tj. zapakowane mniej ciasno. W różnych komórkach jego zawartość waha się od 2 do 11%. Najwięcej go występuje w komórkach mózgu – 10-11%, w komórkach wątroby – 3-4 i komórkach nerek – 2-3%. Obserwuje się aktywną transkrypcję euchromatyny. Co więcej, jego struktura strukturalna pozwala na odmienne wykorzystanie tej samej informacji genetycznej DNA właściwej dla danego typu organizmu w wyspecjalizowanych komórkach.

W mikroskopie elektronowym obraz chromatyny przypomina koraliki: kuliste zgrubienia o wielkości około 10 nm, oddzielone nitkowatymi mostkami. Te kuliste zgrubienia nazywane są nukleosomami. Nukleosom jest jednostką strukturalną chromatyny. Każdy nukleosom zawiera superskręcony segment DNA o długości 146 bp, nawinięty tak, że tworzy 1,75 lewych zwojów na rdzeń nukleosomalny. Rdzeń nukleosomalny to oktamer histonowy składający się z histonów H2A, H2B, H3 i H4, po dwie cząsteczki każdego typu (ryc. 9), który wygląda jak dysk o średnicy 11 nm i grubości 5,7 nm. Piąty histon, H1, nie jest częścią rdzenia nukleosomalnego i nie bierze udziału w procesie nawijania DNA na oktamer histonu. Kontaktuje się z DNA w miejscach, gdzie podwójna helisa wchodzi i wychodzi z rdzenia nukleosomalnego. Są to międzyrdzeniowe (łącznikowe) odcinki DNA, których długość waha się w zależności od typu komórki od 40 do 50 par nukleotydów. W efekcie zmienia się także długość fragmentu DNA wchodzącego w skład nukleosomów (od 186 do 196 par nukleotydów).

Nukleosomy zawierają około 90% DNA, resztę stanowią łączniki. Uważa się, że nukleosomy są fragmentami „cichej” chromatyny, a łącznik jest aktywny. Jednakże nukleosomy mogą się rozwinąć i stać się liniowe. Rozwinięte nukleosomy są już aktywną chromatyną. To wyraźnie pokazuje zależność funkcji od struktury. Można założyć, że im więcej chromatyny jest zawartej w nukleosomach kulistych, tym jest mniej aktywna. Oczywiście w różnych komórkach nierówna proporcja chromatyny spoczynkowej jest powiązana z liczbą takich nukleosomów.

Na zdjęciach mikroskopu elektronowego, w zależności od warunków izolacji i stopnia rozciągnięcia, chromatyna może wyglądać nie tylko jako długa nić ze zgrubieniami – „koralikami” nukleosomów, ale także jako krótsza i gęstsza fibryla (włókno) o średnicy 30 nm, którego powstawanie obserwuje się podczas interakcji histonu H1 związanego z regionem łącznikowym DNA i histonu H3, co prowadzi do dodatkowego skręcenia helisy sześciu nukleosomów na obrót, tworząc solenoid o średnicy 30 nm. W tym przypadku białko histonowe może zakłócać transkrypcję szeregu genów i tym samym regulować ich aktywność.

W wyniku opisanych powyżej oddziaływań DNA z histonami odcinek podwójnej helisy DNA o długości 186 par zasad i średniej średnicy 2 nm i długości 57 nm przekształca się w helisę o średnicy 10 nm i długości długość 5 nm. Kiedy ta spirala jest następnie kompresowana do włókna o średnicy 30 nm, stopień kondensacji wzrasta kolejne sześciokrotnie.

Ostatecznie opakowanie dupleksu DNA z pięcioma histonami powoduje 50-krotną kondensację DNA. Jednak nawet tak wysoki stopień kondensacji nie może wyjaśnić prawie 50 000–100 000-krotnego zagęszczenia DNA w chromosomie metafazowym. Niestety, szczegóły dalszego upakowania chromatyny aż do chromosomu metafazowego nie są jeszcze znane, dlatego możemy rozważać jedynie ogólne cechy tego procesu.

Poziomy zagęszczenia DNA w chromosomach

Każda cząsteczka DNA jest upakowana w oddzielnym chromosomie. Ludzkie komórki diploidalne zawierają 46 chromosomów, które znajdują się w jądrze komórkowym. Całkowita długość DNA wszystkich chromosomów w komórce wynosi 1,74 m, ale średnica jądra, w którym upakowane są chromosomy, jest miliony razy mniejsza. Takie zwarte upakowanie DNA w chromosomach i chromosomach w jądrze komórkowym zapewniają różnorodne białka histonowe i niehistonowe, które oddziałują z DNA w określonej kolejności (patrz wyżej). Zagęszczanie DNA w chromosomach umożliwia zmniejszenie jego wymiarów liniowych około 10 000 razy – mniej więcej od 5 cm do 5 mikronów. Istnieje kilka poziomów zagęszczenia (ryc. 10).

• Podwójna helisa DNA jest cząsteczką naładowaną ujemnie, o średnicy 2 nm i długości kilku cm.
• poziom nukleosomów- chromatyna w mikroskopie elektronowym wygląda jak łańcuch „koralików” - nukleosomów - „na nitce”. Nukleosom jest uniwersalną jednostką strukturalną występującą zarówno w euchromatynie, jak i heterochromatynie, w jądrze międzyfazowym i chromosomach metafazowych.

  Poziom zagęszczenia nukleosomów zapewniają specjalne białka - histony. Osiem dodatnio naładowanych domen histonowych tworzy rdzeń nukleosomu, wokół którego nawinięta jest ujemnie naładowana cząsteczka DNA. Daje to skrócenie 7-krotne, natomiast średnica wzrasta od 2 do 11 nm.

• poziom elektromagnesu

  Poziom solenoidu organizacji chromosomów charakteryzuje się skręceniem włókna nukleosomowego i utworzeniem grubszych włókienek o średnicy 20-35 nm - solenoidów lub superbidów. Skok elektromagnesu wynosi 11 nm, a na obrót przypada około 6-10 nukleosomów. Uważa się, że upakowanie elektromagnesów jest bardziej prawdopodobne niż upakowanie superbidów, zgodnie z którym fibryla chromatyny o średnicy 20-35 nm jest łańcuchem granulek, czyli superbidów, z których każdy składa się z ośmiu nukleosomów. Na poziomie solenoidu liniowy rozmiar DNA zmniejsza się 6-10 razy, średnica wzrasta do 30 nm.

• poziom pętli

  Poziom pętli zapewniają niehistonowe, specyficzne dla miejsca białka wiążące DNA, które rozpoznają i wiążą się ze specyficznymi sekwencjami DNA, tworząc pętle o wielkości około 30–300 kb. Pętla zapewnia ekspresję genów, tj. pętla jest nie tylko formacją strukturalną, ale także funkcjonalną. Skrócenie na tym poziomie następuje 20-30 razy. Średnica wzrasta do 300 nm. Struktury w kształcie pętli, takie jak „szczotki lampowe” w oocytach płazów, można zobaczyć w preparatach cytologicznych. Pętle te wydają się być superskręcone i reprezentują domeny DNA, prawdopodobnie odpowiadające jednostkom transkrypcji i replikacji chromatyny. Specyficzne białka ustalają podstawy pętli i ewentualnie niektóre ich wewnętrzne sekcje. Organizacja domeny przypominająca pętlę sprzyja fałdowaniu chromatyny w chromosomach metafazowych w struktury helikalne wyższego rzędu.

• poziom domeny

  Poziom domeny organizacji chromosomów nie został wystarczająco zbadany. Na tym poziomie obserwuje się powstawanie domen pętlowych – struktury nici (włókien) o grubości 25-30 nm, które zawierają 60% białka, 35% DNA i 5% RNA, są praktycznie niewidoczne we wszystkich fazach cyklu komórkowego z z wyjątkiem mitozy i są nieco losowo rozmieszczone w jądrze komórkowym. Struktury w kształcie pętli, takie jak „szczotki lampowe” w oocytach płazów, można zobaczyć w preparatach cytologicznych.

  Domeny pętlowe są przyłączone u podstawy do wewnątrzjądrowej macierzy białkowej w tak zwanych wbudowanych miejscach przyłączania, często określanych jako sekwencje MAR/SAR (MAR, z angielskiego regionu związanego z macierzą; SAR, z angielskich regionów przyłączania rusztowania) - fragmenty DNA o długości kilkuset par zasad, które charakteryzują się dużą zawartością (>65%) par nukleotydów A/T. Wydaje się, że każda domena ma jedno źródło replikacji i funkcjonuje jako autonomiczna jednostka superhelikalna. Każda domena pętlowa zawiera wiele jednostek transkrypcyjnych, których działanie jest prawdopodobnie skoordynowane – cała domena jest albo w stanie aktywnym, albo nieaktywnym.

  Na poziomie domeny, w wyniku sekwencyjnego upakowania chromatyny, następuje około 200-krotne zmniejszenie wymiarów liniowych DNA (700 nm).

• poziom chromosomów

  Na poziomie chromosomów kondensacja chromosomu profazy do chromosomu metafazy zachodzi w wyniku zagęszczenia domen pętlowych wokół osiowego szkieletu białek niehistonowych. Temu superskręceniu towarzyszy fosforylacja wszystkich cząsteczek H1 w komórce. W rezultacie chromosom metafazowy można przedstawić jako gęsto upakowane pętle solenoidu, zwinięte w ciasną spiralę. Typowy ludzki chromosom może zawierać do 2600 pętli. Grubość takiej struktury sięga 1400 nm (dwie chromatydy), a cząsteczka DNA ulega skróceniu 104-krotnie, tj. od 5 cm rozciągniętego DNA do 5 µm.

Funkcje chromosomów

Chromosomy zapewniają interakcję z mechanizmami pozachromosomalnymi

1. przechowywanie informacji dziedzicznych
2. wykorzystując te informacje do tworzenia i utrzymywania organizacji komórkowej
3. regulacja czytania informacji dziedzicznych
4. samoduplikacja materiału genetycznego
5. przeniesienie materiału genetycznego z komórki macierzystej do komórek potomnych.

Istnieją dowody na to, że gdy aktywowany jest obszar chromatyny, tj. podczas transkrypcji najpierw histon H1, a następnie oktet histonu są z niego odwracalnie usuwane. Powoduje to dekondensację chromatyny, czyli sekwencyjne przejście 30-nm fibryli chromatyny do 10-nm fibryli i jej dalsze rozwinięcie na fragmenty wolnego DNA, tj. utrata struktury nukleosomu.

Wszyscy wiemy, że wygląd, niektóre nawyki, a nawet choroby są dziedziczone. Wszystkie te informacje o żywej istocie są zakodowane w genach. Jak więc wyglądają te osławione geny, jak działają i gdzie się znajdują?

Zatem nośnikiem wszystkich genów dowolnej osoby lub zwierzęcia jest DNA. Związek ten odkrył w 1869 roku Johann Friedrich Miescher.Chemicznie DNA to kwas dezoksyrybonukleinowy. Co to znaczy? W jaki sposób kwas ten przenosi kod genetyczny całego życia na naszej planecie?

Zacznijmy od sprawdzenia, gdzie znajduje się DNA. Komórka ludzka zawiera wiele organelli pełniących różne funkcje. DNA znajduje się w jądrze. Jądro to mała organella otoczona specjalną błoną, w której przechowywany jest cały materiał genetyczny – DNA.

Jaka jest struktura cząsteczki DNA?

Przede wszystkim przyjrzyjmy się, czym jest DNA. DNA jest bardzo długą cząsteczką składającą się z elementów strukturalnych – nukleotydów. Istnieją 4 rodzaje nukleotydów - adenina (A), tymina (T), guanina (G) i cytozyna (C). Łańcuch nukleotydów schematycznie wygląda następująco: GGAATTCTAAG... Ta sekwencja nukleotydów to łańcuch DNA.

Struktura DNA została po raz pierwszy rozszyfrowana w 1953 roku przez Jamesa Watsona i Francisa Cricka.

W jednej cząsteczce DNA znajdują się dwa łańcuchy nukleotydów, które są spiralnie skręcone wokół siebie. W jaki sposób te łańcuchy nukleotydowe pozostają razem i skręcają się w spiralę? Zjawisko to wynika z właściwości komplementarności. Komplementarność oznacza, że ​​tylko określone nukleotydy (komplementarne) można znaleźć naprzeciw siebie w dwóch łańcuchach. Zatem naprzeciw adeniny zawsze znajduje się tymina, a naprzeciw guaniny zawsze tylko cytozyna. Zatem guanina jest komplementarna do cytozyny, a adenina jest komplementarna do tyminy.Takie pary nukleotydów naprzeciw siebie w różnych łańcuchach nazywane są również komplementarnymi.

Schematycznie można to przedstawić w następujący sposób:

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

Te komplementarne pary A - T i G - C tworzą wiązanie chemiczne między nukleotydami pary, a wiązanie między G i C jest silniejsze niż między A i T. Wiązanie powstaje ściśle między komplementarnymi zasadami, to znaczy tworzenie wiązania pomiędzy niekomplementarnymi G i A jest niemożliwe.

„Pakowanie” DNA, w jaki sposób nić DNA staje się chromosomem?

Dlaczego te łańcuchy nukleotydów DNA również skręcają się wokół siebie? Dlaczego jest to konieczne? Faktem jest, że liczba nukleotydów jest ogromna i potrzeba dużo miejsca, aby pomieścić tak długie łańcuchy. Z tego powodu dwie nici DNA splatają się wokół siebie w sposób spiralny. Zjawisko to nazywa się spiralizacją. W wyniku spiralizacji łańcuchy DNA ulegają skróceniu 5-6 razy.

Niektóre cząsteczki DNA są aktywnie wykorzystywane przez organizm, inne natomiast są wykorzystywane rzadko. Oprócz spiralizacji tak rzadko używane cząsteczki DNA ulegają jeszcze bardziej zwartemu „opakowaniu”. To kompaktowe opakowanie nazywa się superskręceniem i skraca nić DNA 25-30 razy!

Jak pakują się helisy DNA?

Supercoiling wykorzystuje białka histonowe, które mają wygląd i strukturę pręta lub szpuli nici. Spiralne nici DNA są nawinięte na te „cewki” – białka histonowe. W ten sposób długa nić staje się bardzo kompaktowa i zajmuje bardzo mało miejsca.

Jeśli konieczne jest użycie tej lub innej cząsteczki DNA, następuje proces „rozwijania”, to znaczy nić DNA jest „odwijana” ze „szpuli” - białka histonowego (jeśli została na nią nawinięta) i rozwija się z spiralę na dwa równoległe łańcuchy. A kiedy cząsteczka DNA jest w tak nieskręconym stanie, można z niej odczytać niezbędną informację genetyczną. Co więcej, informacja genetyczna jest odczytywana tylko z nieskręconych nici DNA!

Nazywa się zestaw superskręconych chromosomów heterochromatyna, a chromosomy dostępne do odczytania informacji to euchromatyna.

Czym są geny, jaki jest ich związek z DNA?

Przyjrzyjmy się teraz, czym są geny. Wiadomo, że istnieją geny określające grupę krwi, kolor oczu, włosy, skórę i wiele innych właściwości naszego organizmu. Gen to ściśle określony odcinek DNA, składający się z określonej liczby nukleotydów ułożonych w ściśle określoną kombinację. Umiejscowienie w ściśle określonym odcinku DNA oznacza, że ​​konkretnemu genowi przypisane jest jego miejsce i nie ma możliwości zmiany tego miejsca. Należy dokonać następującego porównania: dana osoba mieszka na określonej ulicy, w określonym domu i mieszkaniu i nie może dobrowolnie przenieść się do innego domu, mieszkania lub innej ulicy. Pewna liczba nukleotydów w genie oznacza, że ​​każdy gen ma określoną liczbę nukleotydów i nie mogą one być większe lub mniejsze. Na przykład gen kodujący produkcję insuliny składa się z 60 par nukleotydów; gen kodujący produkcję hormonu oksytocyny – liczący 370 par nukleotydów.

Ścisła sekwencja nukleotydów jest unikalna dla każdego genu i ściśle określona. Na przykład sekwencja AATTAATA jest fragmentem genu kodującego produkcję insuliny. Aby uzyskać insulinę, stosuje się dokładnie tę sekwencję, aby uzyskać na przykład adrenalinę, stosuje się inną kombinację nukleotydów. Ważne jest, aby zrozumieć, że tylko pewna kombinacja nukleotydów koduje określony „produkt” (adrenalina, insulina itp.). Taka unikalna kombinacja określonej liczby nukleotydów, stojąca na „swoim miejscu” – to jest gen.

Oprócz genów łańcuch DNA zawiera tak zwane „sekwencje niekodujące”. Takie niekodujące sekwencje nukleotydów regulują funkcjonowanie genów, pomagają w spiralizacji chromosomów oraz wyznaczają punkt początkowy i końcowy genu. Jednak do chwili obecnej rola większości sekwencji niekodujących pozostaje niejasna.

Co to jest chromosom? Chromosomy płciowe

Zbiór genów danej osoby nazywany jest genomem. Naturalnie nie można zawrzeć całego genomu w jednym DNA. Genom jest podzielony na 46 par cząsteczek DNA. Jedna para cząsteczek DNA nazywana jest chromosomem. Zatem ludzie mają 46 takich chromosomów. Każdy chromosom niesie ściśle określony zestaw genów, np. chromosom 18 zawiera geny kodujące kolor oczu itp. Chromosomy różnią się od siebie długością i kształtem. Najpopularniejsze kształty to X lub Y, ale są też inne. Ludzie mają dwa chromosomy o tym samym kształcie, które nazywane są parami. Z powodu takich różnic wszystkie sparowane chromosomy są ponumerowane - jest ich 23 pary. Oznacza to, że istnieje para chromosomów nr 1, para nr 2, nr 3 itd. Każdy gen odpowiedzialny za określoną cechę znajduje się na tym samym chromosomie. Współczesne wytyczne dla specjalistów mogą wskazywać lokalizację genu np. w następujący sposób: chromosom 22, ramię długie.

Jakie są różnice między chromosomami?

Czym jeszcze chromosomy różnią się od siebie? Co oznacza termin długie ramię? Weźmy chromosomy postaci X. Przecięcie nici DNA może nastąpić ściśle pośrodku (X) lub może nie nastąpić centralnie. Gdy takie przecięcie nici DNA nie następuje centralnie, to w stosunku do punktu przecięcia jedne końce są odpowiednio dłuższe, inne krótsze. Takie długie końce nazywane są zwykle długim ramieniem chromosomu, a krótkie końce nazywane są krótkim ramieniem. W chromosomach kształtu Y większość ramion zajmują ramiona długie, a krótkie są bardzo małe (nie są nawet pokazane na schemacie).

Rozmiar chromosomów jest różny: największe to chromosomy z par nr 1 i nr 3, najmniejsze to pary nr 17, nr 19.

Oprócz kształtu i wielkości chromosomy różnią się funkcjami, które pełnią. Z 23 par 22 pary są somatyczne, a 1 para ma charakter seksualny. Co to znaczy? Chromosomy somatyczne określają wszystkie zewnętrzne cechy jednostki, cechy jego reakcji behawioralnych, dziedziczny psychotyp, to znaczy wszystkie cechy i cechy każdej indywidualnej osoby. Para chromosomów płciowych określa płeć danej osoby: męską lub żeńską. Istnieją dwa typy ludzkich chromosomów płciowych: X (X) i Y (Y). Jeśli połączymy je jako XX (x - x) - to jest kobieta, a jeśli XY (x - y) - mamy mężczyznę.

Choroby dziedziczne i uszkodzenia chromosomów

Następują jednak „rozpady” genomu, a następnie u ludzi wykrywane są choroby genetyczne. Na przykład, jeśli w 21. parze chromosomów znajdują się trzy chromosomy zamiast dwóch, osoba rodzi się z zespołem Downa.

Istnieje wiele mniejszych „rozpadów” materiału genetycznego, które nie prowadzą do choroby, a wręcz przeciwnie, nadają dobre właściwości. Wszelkie „rozpady” materiału genetycznego nazywane są mutacjami. Mutacje prowadzące do chorób lub pogorszenia właściwości organizmu uważa się za negatywne, a mutacje prowadzące do powstania nowych korzystnych właściwości za pozytywne.

Jednak w przypadku większości chorób, na które cierpi współczesny człowiek, nie jest to choroba dziedziczona, a jedynie predyspozycja. Na przykład ojciec dziecka powoli wchłania cukier. Nie oznacza to, że dziecko urodzi się chore na cukrzycę, ale będzie miało predyspozycję. Oznacza to, że jeśli dziecko będzie nadużywać słodyczy i produktów mącznych, zachoruje na cukrzycę.

Dziś tzw predykatywny medycyna. W ramach tej praktyki lekarskiej identyfikowane są predyspozycje danej osoby (na podstawie identyfikacji odpowiednich genów), a następnie podawane są jej zalecenia – jaką dietę stosować, jak prawidłowo łączyć pracę z odpoczynkiem, aby nie zachorować.

Jak odczytać informację zakodowaną w DNA?

Jak odczytać informację zawartą w DNA? Jak wykorzystuje to własne ciało? Samo DNA jest rodzajem matrycy, ale nie prostej, ale zakodowanej. Aby odczytać informację z matrycy DNA, najpierw przenosi się ją na specjalny nośnik – RNA. RNA jest chemicznie kwasem rybonukleinowym. Różni się od DNA tym, że może przedostać się przez błonę jądrową do komórki, natomiast DNA nie ma tej zdolności (można go znaleźć jedynie w jądrze). Zakodowana informacja jest wykorzystywana w samej komórce. Zatem RNA jest nośnikiem zakodowanej informacji z jądra do komórki.

Jak zachodzi synteza RNA, jak syntetyzowane jest białko przy użyciu RNA?

Nici DNA, z których należy „odczytać” informacje, rozwijają się, zbliża się do nich specjalny enzym „budowniczy” i syntetyzuje komplementarny łańcuch RNA równoległy do ​​nici DNA. Cząsteczka RNA składa się również z 4 rodzajów nukleotydów - adeniny (A), uracylu (U), guaniny (G) i cytozyny (C). W tym przypadku komplementarne są pary: adenina – uracyl, guanina – cytozyna. Jak widać, w przeciwieństwie do DNA, RNA wykorzystuje uracyl zamiast tyminy. Oznacza to, że enzym „budowniczy” działa w następujący sposób: jeśli widzi A w nici DNA, to przyłącza Y do nici RNA, jeśli G, to przyłącza C itd. W ten sposób z każdego aktywnego genu podczas transkrypcji tworzona jest matryca - kopia RNA, która może przejść przez błonę jądrową.

Jak zachodzi synteza białka kodowanego przez konkretny gen?

Po opuszczeniu jądra RNA przedostaje się do cytoplazmy. Już w cytoplazmie RNA może zostać osadzony jako matryca w specjalnych układach enzymatycznych (rybosomach), które mogą syntetyzować, kierując się informacją RNA, odpowiednią sekwencję aminokwasów białkowych. Jak wiadomo, cząsteczka białka składa się z aminokwasów. Skąd rybosom wie, który aminokwas dodać do rosnącego łańcucha białkowego? Odbywa się to w oparciu o kod tripletowy. Kod tripletowy oznacza, że ​​sekwencja trzech nukleotydów łańcucha RNA ( tryplet, na przykład GGU) kod pojedynczego aminokwasu (w tym przypadku glicyny). Każdy aminokwas jest kodowany przez określoną trójkę. I tak rybosom „odczytuje” triplet, określa, który aminokwas powinien zostać dodany jako następny, odczytując informację z RNA. Kiedy tworzy się łańcuch aminokwasów, przyjmuje on określony kształt przestrzenny i staje się białkiem zdolnym do wykonywania przypisanych mu funkcji enzymatycznych, konstrukcyjnych, hormonalnych i innych.

Białko każdego żywego organizmu jest produktem genu. To białka determinują wszystkie różne właściwości, cechy i zewnętrzne przejawy genów.

Skrót „komórkowe DNA” jest znany wielu osobom ze szkolnych zajęć z biologii, ale niewielu może z łatwością odpowiedzieć, co to jest. Tylko niejasne pojęcie o dziedziczności i genetyce pozostaje w pamięci zaraz po ukończeniu studiów. Wiedza o tym, czym jest DNA i jaki wpływ ma na nasze życie, może być czasem bardzo potrzebna.

Cząsteczka DNA

Biochemicy wyróżniają trzy typy makrocząsteczek: DNA, RNA i białka. Kwas dezoksyrybonukleinowy to biopolimer odpowiedzialny za przekazywanie danych o dziedzicznych cechach, cechach charakterystycznych i rozwoju gatunku z pokolenia na pokolenie. Jego monomerem jest nukleotyd. Co to są cząsteczki DNA? Jest głównym składnikiem chromosomów i zawiera kod genetyczny.

Struktura DNA

Wcześniej naukowcy wyobrażali sobie, że model struktury DNA ma charakter okresowy, w którym powtarzają się identyczne grupy nukleotydów (połączenia cząsteczek fosforanu i cukru). Pewna kombinacja sekwencji nukleotydowych zapewnia możliwość „kodowania” informacji. Dzięki badaniom stało się jasne, że struktura różni się w różnych organizmach.

Amerykańscy naukowcy Alexander Rich, David Davis i Gary Felsenfeld są szczególnie znani z badania tego, czym jest DNA. W 1957 roku przedstawili opis kwasu nukleinowego o trzech helisach. 28 lat później naukowiec Maxim Davidovich Frank-Kamenitsky zademonstrował, jak kwas dezoksyrybonukleinowy, który składa się z dwóch helis, składa się w kształt litery H złożony z 3 nici.

Struktura kwasu deoksyrybonukleinowego jest dwuniciowa. W nim nukleotydy są połączone parami, tworząc długie łańcuchy polinukleotydowe. Łańcuchy te umożliwiają utworzenie podwójnej helisy za pomocą wiązań wodorowych. Wyjątkiem są wirusy, które mają genom jednoniciowy. Wyróżnia się DNA liniowy (niektóre wirusy, bakterie) i kolisty (mitochondria, chloroplasty).

Skład DNA

Bez wiedzy o tym, z czego składa się DNA, postęp medycyny nie byłby możliwy. Każdy nukleotyd składa się z trzech części: reszty cukru pentozowego, zasady azotowej i reszty kwasu fosforowego. W oparciu o charakterystykę związku kwas można nazwać dezoksyrybonukleinowym lub rybonukleinowym. DNA zawiera ogromną liczbę mononukleotydów dwóch zasad: cytozyny i tyminy. Ponadto zawiera pochodne pirymidyny, adeninę i guaninę.

W biologii istnieje definicja zwana DNA – śmieciowe DNA. Jego funkcje nie są jeszcze znane. Alternatywna wersja nazwy to „niekodująca”, co jest nieprawidłowe, ponieważ zawiera białka kodujące i transpozony, ale ich przeznaczenie również jest tajemnicą. Jedna z hipotez roboczych sugeruje, że pewna ilość tej makrocząsteczki przyczynia się do strukturalnej stabilizacji genomu pod kątem mutacji.

Gdzie jest

Lokalizacja wewnątrz komórki zależy od cech gatunku. W organizmach jednokomórkowych DNA znajduje się w błonie. U innych istot żywych znajduje się w jądrze, plastydach i mitochondriach. Jeśli mówimy o ludzkim DNA, nazywa się je chromosomem. To prawda, że ​​​​nie jest to do końca prawdą, ponieważ chromosomy są kompleksem chromatyny i kwasu dezoksyrybonukleinowego.

Rola w klatce

Główną rolą DNA w komórkach jest przekazywanie dziedzicznych genów i przetrwanie przyszłego pokolenia. Od tego zależą nie tylko dane zewnętrzne przyszłego człowieka, ale także jego charakter i zdrowie. Kwas dezoksyrybonukleinowy jest w stanie superskręconym, ale dla zapewnienia wysokiej jakości procesu życiowego musi być nieskręcony. Pomagają jej w tym enzymy - topoizomerazy i helikazy.

Topoizomerazy są nukleazami, mają zdolność zmiany stopnia skręcenia. Kolejną ich funkcją jest udział w transkrypcji i replikacji (podziale komórkowym). Helikazy rozrywają wiązania wodorowe pomiędzy zasadami. Wyróżnia się enzymy ligazy, które „sieciują” zerwane wiązania oraz polimerazy, które biorą udział w syntezie nowych łańcuchów polinukleotydowych.

Jak rozszyfrowuje się DNA

Ten skrót oznaczający biologię jest znany. Pełna nazwa DNA to kwas deoksyrybonukleinowy. Nie każdy może to powiedzieć za pierwszym razem, dlatego dekodowanie DNA jest często pomijane w mowie. Istnieje również koncepcja RNA – kwasu rybonukleinowego, który składa się z sekwencji aminokwasów w białkach. Są ze sobą bezpośrednio powiązane, a RNA jest drugą najważniejszą makrocząsteczką.

Ludzkie DNA

Ludzkie chromosomy są oddzielone w jądrze, co czyni ludzkie DNA najbardziej stabilnym i kompletnym nośnikiem informacji. Podczas rekombinacji genetycznej helisy oddzielają się, sekcje zamieniają się, a następnie połączenie zostaje przywrócone. W wyniku uszkodzenia DNA powstają nowe kombinacje i wzory. Cały mechanizm sprzyja doborowi naturalnemu. Nadal nie wiadomo, jak długo był odpowiedzialny za przenoszenie genomu i jaka była jego ewolucja metaboliczna.

Kto otworzył

Pierwsze odkrycie struktury DNA przypisuje się angielskim biologom Jamesowi Watsonowi i Francisowi Crickowi, którzy w 1953 roku odkryli cechy strukturalne cząsteczki. Został odkryty przez szwajcarskiego lekarza Friedricha Mieschera w 1869 roku. Badał skład chemiczny komórek zwierzęcych za pomocą leukocytów, które masowo gromadzą się w zmianach ropnych.

Miescher badał metody przemywania białych krwinek, izolowanych białek, kiedy odkrył, że oprócz nich istnieje coś jeszcze. Podczas przetwarzania na dnie naczynia utworzył się osad płatków. Po zbadaniu tych osadów pod mikroskopem młody lekarz odkrył jądra, które pozostały po leczeniu kwasem solnym. Zawierał związek, który Friedrich nazwał nukleiną (od łacińskiego jądra – jądro).

Cząsteczka DNA składa się z dwóch nici tworzących podwójną helisę. Jego strukturę po raz pierwszy rozszyfrowali Francis Crick i James Watson w 1953 roku.

Początkowo cząsteczka DNA, składająca się z pary skręconych ze sobą łańcuchów nukleotydowych, rodziła pytania, dlaczego ma taki szczególny kształt. Naukowcy nazywają to zjawisko komplementarnością, co oznacza, że ​​w jego niciach można znaleźć tylko określone nukleotydy naprzeciw siebie. Na przykład adenina jest zawsze przeciwna tyminie, a guanina jest zawsze przeciwna cytozynie. Te nukleotydy cząsteczki DNA nazywane są komplementarnymi.

Schematycznie jest to przedstawione w ten sposób:

T-A

C-G

Pary te tworzą chemiczne wiązanie nukleotydowe, które określa kolejność aminokwasów. W pierwszym przypadku jest trochę słabszy. Połączenie między C i G jest silniejsze. Niekomplementarne nukleotydy nie tworzą ze sobą par.

O budynku

Zatem struktura cząsteczki DNA jest wyjątkowa. Nie bez powodu ma taki kształt: faktem jest, że liczba nukleotydów jest bardzo duża i potrzeba dużo miejsca, aby pomieścić długie łańcuchy. Z tego powodu łańcuchy charakteryzują się spiralnym skrętem. Zjawisko to nazywa się spiralizacją, pozwala na skrócenie nici około pięcio-, sześciokrotnie.

Organizm wykorzystuje niektóre cząsteczki tego typu bardzo aktywnie, inne rzadko. Te ostatnie oprócz spiralizacji poddawane są także takim „opakowaniom kompaktowym”, jak superspiralizacja. A następnie długość cząsteczki DNA zmniejsza się 25-30 razy.

Co to jest „opakowanie” cząsteczki?

W procesie superskręcenia biorą udział białka histonowe. Mają budowę i wygląd szpulki z nicią lub pręta. Nawijane są na nie spiralne nici, które od razu stają się „kompaktowe” i zajmują niewiele miejsca. Kiedy zajdzie potrzeba użycia tej lub innej nici, jest ona rozwijana ze szpuli, na przykład białka histonowego, a helisa rozwija się w dwa równoległe łańcuchy. Kiedy cząsteczka DNA znajduje się w tym stanie, można z niej odczytać niezbędne dane genetyczne. Jest jednak jeden warunek. Uzyskanie informacji jest możliwe tylko wtedy, gdy struktura cząsteczki DNA ma formę nieskręconą. Chromosomy dostępne do odczytu nazywane są euchromatynami, a jeśli są superskręcone, to są już heterochromatynami.

Kwasy nukleinowe

Kwasy nukleinowe, podobnie jak białka, są biopolimerami. Główną funkcją jest przechowywanie, wdrażanie i przekazywanie dziedzicznych (informacji genetycznych). Występują w dwóch typach: DNA i RNA (deoksyrybonukleinowe i rybonukleinowe). Monomery w nich zawarte to nukleotydy, z których każdy zawiera resztę kwasu fosforowego, pięciowęglowy cukier (deoksyryboza/ryboza) i zasadę azotową. Kod DNA obejmuje 4 rodzaje nukleotydów - adeninę (A) / guaninę (G) / cytozynę (C) / tyminę (T). Różnią się zawartością zasady azotowej.

W cząsteczce DNA liczba nukleotydów może być ogromna – od kilku tysięcy do dziesiątek i setek milionów. Takie gigantyczne cząsteczki można badać za pomocą mikroskopu elektronowego. W tym przypadku będzie można zobaczyć podwójny łańcuch nici polinukleotydowych, które są połączone ze sobą wiązaniami wodorowymi zasad azotowych nukleotydów.

Badania

W trakcie badań naukowcy odkryli, że rodzaje cząsteczek DNA różnią się w różnych żywych organizmach. Stwierdzono również, że guanina jednołańcuchowa może wiązać się tylko z cytozyną, a tymina z adeniną. Ułożenie nukleotydów w jednym łańcuchu ściśle odpowiada równoległemu. Dzięki tej komplementarności polinukleotydów cząsteczka DNA jest zdolna do podwajania i samoreprodukcji. Najpierw jednak komplementarne łańcuchy pod wpływem specjalnych enzymów niszczących sparowane nukleotydy rozchodzą się, a następnie w każdym z nich rozpoczyna się synteza brakującego łańcucha. Dzieje się tak z powodu wolnych nukleotydów obecnych w dużych ilościach w każdej komórce. W rezultacie zamiast „cząsteczki matki” powstają dwie „córki”, identyczne pod względem składu i struktury, a kod DNA staje się pierwotny. Proces ten jest prekursorem podziału komórki. Zapewnia transmisję wszystkich danych dziedzicznych z komórek macierzystych do komórek potomnych, a także do wszystkich kolejnych pokoleń.

Jak odczytywany jest kod genu?

Dziś oblicza się nie tylko masę cząsteczki DNA - można także poznać bardziej złożone dane, które wcześniej były niedostępne dla naukowców. Można na przykład przeczytać informacje o tym, jak organizm wykorzystuje własną komórkę. Oczywiście na początku informacja ta ma postać zakodowaną i ma postać pewnej matrycy, dlatego też musi zostać przetransportowana na specjalny nośnik, jakim jest RNA. Kwas rybonukleinowy jest w stanie przedostać się do komórki przez błonę jądrową i odczytać zakodowaną w niej informację. Zatem RNA jest nośnikiem ukrytych danych z jądra do komórki i różni się od DNA tym, że zamiast dezoksyrybozy zawiera rybozę i uracyl zamiast tyminy. Ponadto RNA jest jednoniciowy.

Synteza RNA

Dogłębna analiza DNA wykazała, że ​​po opuszczeniu jądra RNA przedostaje się do cytoplazmy, gdzie może zostać zintegrowany jako macierz z rybosomami (specjalne układy enzymatyczne). Kierując się otrzymanymi informacjami, potrafią zsyntetyzować odpowiednią sekwencję aminokwasów białkowych. Rybosom uczy się na podstawie kodu tripletowego, jaki rodzaj związku organicznego należy przyłączyć do tworzącego się łańcucha białkowego. Każdy aminokwas ma swój własny, specyficzny triplet, który go koduje.

Po zakończeniu tworzenia łańcucha uzyskuje on określoną formę przestrzenną i zamienia się w białko zdolne do wykonywania swoich funkcji hormonalnych, konstrukcyjnych, enzymatycznych i innych. Dla każdego organizmu jest to produkt genu. To z niego określa się wszelkiego rodzaju cechy, właściwości i przejawy genów.

Geny

Procesy sekwencjonowania opracowano przede wszystkim w celu uzyskania informacji o liczbie genów w swojej strukturze cząsteczki DNA. I choć badania pozwoliły naukowcom poczynić w tej kwestii ogromny postęp, nie jest jeszcze możliwe poznanie ich dokładnej liczby.

Jeszcze kilka lat temu zakładano, że cząsteczki DNA zawierają około 100 tysięcy genów. Nieco później liczba ta spadła do 80 tysięcy, a w 1998 roku genetycy stwierdzili, że w jednym DNA występuje tylko 50 tysięcy genów, co stanowi zaledwie 3% całkowitej długości DNA. Ale najnowsze wnioski genetyków były uderzające. Teraz twierdzą, że genom zawiera 25–40 tys. takich jednostek. Okazuje się, że tylko 1,5% chromosomalnego DNA odpowiada za kodowanie białek.

Na tym badania się nie skończyły. Równolegle zespół specjalistów inżynierii genetycznej odkrył, że liczba genów w jednej cząsteczce wynosi dokładnie 32 tys. Jak widać, nadal nie można uzyskać ostatecznej odpowiedzi. Jest zbyt wiele sprzeczności. Wszyscy badacze polegają wyłącznie na swoich wynikach.

Czy była ewolucja?

Pomimo faktu, że nie ma dowodów na ewolucję cząsteczki (ponieważ struktura cząsteczki DNA jest delikatna i ma niewielkie rozmiary), naukowcy nadal przyjęli jedno założenie. Na podstawie danych laboratoryjnych przedstawili następującą wersję: w początkowej fazie swojego pojawienia się cząsteczka miała postać prostego samoreplikującego się peptydu, który zawierał aż 32 aminokwasy występujące w starożytnych oceanach.

Po samoreplikacji, dzięki siłom doboru naturalnego, cząsteczki nabyły zdolność do ochrony przed czynnikami zewnętrznymi. Zaczęli żyć dłużej i rozmnażać się w większych ilościach. Cząsteczki, które znalazły się w bańce lipidowej, miały wszelkie szanse na reprodukcję. W wyniku serii kolejnych cykli pęcherzyki lipidowe przybrały postać błon komórkowych, a następnie - dobrze znanych cząstek. Należy zauważyć, że dziś każdy odcinek cząsteczki DNA jest złożoną i wyraźnie funkcjonującą strukturą, której wszystkie cechy naukowcy nie zostały jeszcze w pełni zbadane.

Nowoczesny świat

Niedawno naukowcy z Izraela opracowali komputer, który może wykonywać biliony operacji na sekundę. Dziś jest to najszybszy samochód na Ziemi. Cały sekret tkwi w tym, że innowacyjne urządzenie zasilane jest DNA. Profesorowie twierdzą, że w niedalekiej przyszłości takie komputery będą w stanie nawet wytwarzać energię.

Rok temu specjaliści z Instytutu Weizmanna w Rehovot (Izrael) ogłosili powstanie programowalnej maszyny do obliczeń molekularnych składającej się z cząsteczek i enzymów. Zastąpili nimi krzemowe mikrochipy. Do tej pory zespół poczynił dalsze postępy. Teraz już tylko jedna cząsteczka DNA może dostarczyć komputerowi niezbędnych danych i niezbędnego paliwa.

Biochemiczne „nanokomputery” nie są fikcją; istnieją już w przyrodzie i przejawiają się w każdym żywym stworzeniu. Ale często nie są zarządzane przez ludzi. Człowiek nie jest jeszcze w stanie operować genomem żadnej rośliny, aby obliczyć, powiedzmy, liczbę „Pi”.

Pomysł wykorzystania DNA do przechowywania/przetwarzania danych po raz pierwszy przyszedł do głowy naukowcom w 1994 roku. To właśnie wtedy do rozwiązania prostego problemu matematycznego wykorzystano cząsteczkę. Od tego czasu wiele grup badawczych zaproponowało różne projekty związane z komputerami DNA. Ale tutaj wszystkie próby opierały się wyłącznie na cząsteczce energii. Takiego komputera nie widać gołym okiem, wygląda jak przezroczysty roztwór wody w probówce. Nie ma w nim żadnych części mechanicznych, a jedynie biliony urządzeń biomolekularnych – a to tylko w jednej kropli płynu!

Ludzkie DNA

Ludzie dowiedzieli się o rodzaju ludzkiego DNA w 1953 roku, kiedy naukowcom po raz pierwszy udało się zademonstrować światu model dwuniciowego DNA. Za to Kirk i Watson otrzymali Nagrodę Nobla, ponieważ odkrycie to stało się fundamentalne w XX wieku.

Z biegiem czasu oczywiście udowodnili, że ustrukturyzowana cząsteczka ludzka może wyglądać nie tylko tak, jak w proponowanej wersji. Po przeprowadzeniu bardziej szczegółowej analizy DNA odkryli formę A, B i lewoskrętną Z-. Forma A- jest często wyjątkiem, ponieważ powstaje tylko wtedy, gdy brakuje wilgoci. Ale jest to możliwe tylko w badaniach laboratoryjnych, w środowisku naturalnym jest to anomalia, taki proces nie może zachodzić w żywej komórce.

Kształt B jest klasyczny i jest znany jako podwójny łańcuszek prawoskrętny, ale kształt Z jest nie tylko skręcony w przeciwnym kierunku do lewej, ale ma również bardziej zygzakowaty wygląd. Naukowcy zidentyfikowali także formę kwadrupleksu G. Jego struktura ma nie 2, ale 4 wątki. Według genetyków forma ta występuje na obszarach, gdzie występuje nadmiar guaniny.

Sztuczne DNA

Dziś istnieje już sztuczne DNA, które jest identyczną kopią prawdziwego; doskonale odwzorowuje strukturę naturalnej podwójnej helisy. Ale w przeciwieństwie do oryginalnego polinukleotydu, sztuczny ma tylko dwa dodatkowe nukleotydy.

Ponieważ dubbing powstał w oparciu o informacje uzyskane z różnych badań prawdziwego DNA, można go także kopiować, samoreplikować i ewoluować. Eksperci pracowali nad stworzeniem takiej sztucznej cząsteczki od około 20 lat. Rezultatem jest niesamowity wynalazek, który może wykorzystać kod genetyczny w taki sam sposób, jak naturalne DNA.

Do czterech istniejących zasad azotowych genetycy dodali dwie dodatkowe, które powstały w wyniku chemicznej modyfikacji zasad naturalnych. W przeciwieństwie do naturalnego DNA, sztuczne DNA okazało się dość krótkie. Zawiera tylko 81 par zasad. Jednak również się rozmnaża i ewoluuje.

Replikacja cząsteczki uzyskanej sztucznie odbywa się dzięki reakcji łańcuchowej polimerazy, ale na razie nie dzieje się to samodzielnie, ale dzięki interwencji naukowców. Samodzielnie dodają do wspomnianego DNA niezbędne enzymy, umieszczając je w specjalnie przygotowanym płynnym podłożu.

Ostateczny wynik

Na proces i ostateczny wynik rozwoju DNA mogą wpływać różne czynniki, takie jak mutacje. Powoduje to konieczność badania próbek materii, aby wynik analizy był rzetelny i rzetelny. Przykładem jest test na ojcostwo. Nie możemy jednak powstrzymać się od radości, że zdarzenia takie jak mutacja są rzadkie. Niemniej jednak próbki materii są zawsze ponownie sprawdzane w celu uzyskania dokładniejszych informacji na podstawie analizy.

Roślinne DNA

Dzięki wysokim technologiom sekwencjonowania (HTS) dokonała się rewolucja w dziedzinie genomiki – możliwa jest także ekstrakcja DNA z roślin. Oczywiście uzyskanie wysokiej jakości DNA o masie cząsteczkowej z materiału roślinnego nastręcza pewne trudności ze względu na dużą liczbę kopii DNA mitochondriów i chloroplastów, a także wysoki poziom polisacharydów i związków fenolowych. Aby wyizolować konstrukcję, którą rozważamy w tym przypadku, stosuje się różne metody.

Wiązanie wodorowe w DNA

Wiązanie wodorowe w cząsteczce DNA jest odpowiedzialne za przyciąganie elektromagnetyczne powstające pomiędzy dodatnio naładowanym atomem wodoru, który jest przyłączony do atomu elektroujemnego. To oddziaływanie dipolowe nie spełnia kryterium wiązania chemicznego. Może jednak zachodzić międzycząsteczkowo lub w różnych częściach cząsteczki, tj. wewnątrzcząsteczkowo.

Atom wodoru przyłącza się do atomu elektroujemnego, który jest donorem wiązania. Atomem elektroujemnym może być azot, fluor lub tlen. To – poprzez decentralizację – przyciąga chmurę elektronów z jądra wodoru do siebie i sprawia, że ​​atom wodoru (częściowo) jest naładowany dodatnio. Ponieważ rozmiar H jest mały w porównaniu z innymi cząsteczkami i atomami, ładunek jest również mały.

Dekodowanie DNA

Przed rozszyfrowaniem cząsteczki DNA naukowcy najpierw pobierają ogromną liczbę komórek. Do najdokładniejszej i najskuteczniejszej pracy potrzeba ich około miliona. Wyniki uzyskane w trakcie badania są na bieżąco porównywane i rejestrowane. Dziś dekodowanie genomu nie jest już rzadkością, ale procedurą przystępną.

Oczywiście rozszyfrowanie genomu pojedynczej komórki jest zadaniem niepraktycznym. Dane uzyskane podczas takich badań nie interesują naukowców. Ważne jest jednak, aby zrozumieć, że wszystkie obecnie istniejące metody dekodowania, pomimo swojej złożoności, nie są wystarczająco skuteczne. Pozwolą na odczytanie jedynie 40-70% DNA.

Jednak profesorowie Harvardu ogłosili niedawno metodę, dzięki której można rozszyfrować 90% genomu. Technika polega na dodaniu cząsteczek starterów do izolowanych komórek, za pomocą których rozpoczyna się replikacja DNA. Ale nawet tej metody nie można uznać za skuteczną, należy ją jeszcze udoskonalić, zanim będzie można ją otwarcie zastosować w nauce.