Яка будова молекули днк. Будова та рівні організації днк

Молекулярна генетика – розділ генетики, що займається вивченням спадковості на молекулярному рівні.

Нуклеїнові кислоти. Реплікація ДНК. Реакції матричного синтезу

Нуклеїнові кислоти (ДНК, РНК) було відкрито 1868 року швейцарським біохіміком І.Ф. Мішером. Нуклеїнові кислоти – лінійні біополімери, що складаються з мономерів – нуклеотидів.

ДНК – структура та функції

Хімічну структуру ДНК розшифрували у 1953 р. американський біохімік Дж. Вотсон та англійський фізик Ф. Крик.

Загальна структура ДНК.Молекула ДНК складається з 2 ланцюгів, які закручені в спіраль (рис. 11) одна навколо іншої та навколо загальної осі. Молекули ДНК можуть містити від 200 до 2х108 пар нуклеотидів. Уздовж спіралі молекули ДНК сусідні нуклеотиди розташовуються з відривом 0,34 нм друг від друга. Повний оборот спіралі включає 10 пар нуклеотидів. Його довжина складає 3,4 нм.

Мал. 11 . Схема будови ДНК (подвійна спіраль)

Полімерність молекул ДНК.Молекула ДНК – біоплоімер складається із складних сполук – нуклеотидів.

Будова нуклеотиду ДНК.Нуклеотид ДНК складається з 3 ланок: одна з азотистих основ (аденін, гуанін, цитозин, тимін); дезокісирибоза (моносахарид); залишок фосфорної кислоти (рис. 12).

Розрізняють 2 групи азотистих основ:

пуринові – аденін (А), гуанін (Г), що містять два бензольні кільця;

піримідинові – тімін (Т), цитозин (Ц), що містять одне бензольне кільце.

До складу ДНК входять такі види нуклеотидів: аденіновий (А); гуаніновий (Г); цитозиновий (Ц); тіміновий (Т).Назви нуклеотидів відповідають назв азотистих основ, що входять до їх складу: аденіновий нуклеотид азотистий основа аденін; гуаніновий нуклеотид азотна основа гуанін; цитозиновий нуклеотид азотна основа цитозин; тіміновий нуклеотид азотистий основа тімін.

З'єднання двох ланцюгів ДНК в одну молекулу

Нуклеотиди А, Г, Ц і Т одного ланцюга з'єднані відповідно з нуклеотидами Т, Ц, Г та А іншого ланцюга водневими зв'язками. Між А і Т формується два водневі зв'язки, а між Г та Ц – три водневі зв'язки (А=Т, Г≡Ц).

Пари основ (нуклеотидів) А – Т та Г – Ц називають комплементарними, тобто взаємно відповідними. Комплементарність– це хімічна та морфологічна відповідність нуклеотидів один одному в парних ланцюжках ДНК.

5 ’ 3 ’

1 2 3

3’ 5’

Мал. 12Ділянка подвійної спіралі ДНК. Будова нуклеотиду (1 – залишок фосфорної кислоти; 2 – дезоксирибоза; 3 – азотна основа). Поєднання нуклеотидів за допомогою водневих зв'язків.

Ланцюги в молекулі ДНК антипаралельні,тобто спрямовані в протилежні сторони, так що 3'- кінець одного ланцюга розташовується навпроти 5'- кінця іншого ланцюга. Генетична інформація в ДНК записана в напрямку від 5 кінця до 3 кінця. Ця нитка називається смислової ДНК,

оскільки тут розташовані гени. Друга нитка - 3'-5 'служить еталоном зберігання генетичної інформації.

Співвідношення між числом різних підстав у ДНК встановлено Е. Чаргаффом в 1949 р. Чаргафф виявив, що ДНК різних видів кількість аденіну дорівнює кількості тиміну, а кількість гуаніну - кількості цитозину.

Правило Е. Чаргафа:

у молекулі ДНК кількість A (аденінових) нуклеотидів завжди дорівнює кількості Т (тимінових) нуклеотидів або відношення ∑ А до ∑ Т=1. Сума Г (гуанінових) нуклеотидів дорівнює сумі Ц (цитозинових) нуклеотидів або відношення ∑ Г до ∑ Ц=1;

сума пуринових основ (А+Г) дорівнює сумі піримідинових основ (Т+Ц) або відношення ∑ (А+Г) до ∑ (Т+Ц)=1;

Спосіб синтезу ДНК – реплікація. Реплікація - це процес самоподвоєння молекули ДНК, який здійснюється в ядрі під контролем ферментів. Самозадоволення молекули ДНК відбувається на основі комплементарності- Суворої відповідності нуклеотидів один одному в парних ланцюжках ДНК. На початку процесу реплікації молекула ДНК розкручується (деспіралізується) на певній ділянці (рис. 13), звільняються водневі зв'язки. На кожному з ланцюгів, що утворилися після розриву водневих зв'язків, за участю ферменту ДНК-полімірази,синтезується дочірній ланцюг ДНК. Матеріалом для синтезу є вільні нуклеотиди, що містяться в цитоплазмі клітин. Ці нуклеотиди вибудовуються комплементарно нуклеотидам двох материнських ланцюгів ДНК. Фермент ДНК-полімеразуприєднує комплементарні нуклеотиди до матричного ланцюга ДНК. Наприклад, до нуклеотиду Аматричного ланцюга полімераза приєднує нуклеотид Ті, відповідно, до нуклеотиду Р – нуклеотид Ц (рис. 14). Зшивання комплементарних нуклеотидів відбувається за допомогою ферменту ДНК-лігази. Так шляхом самоподвоєння синтезуються два дочірні ланцюги ДНК.

Дві молекули ДНК, що утворилися, з однієї молекули ДНК являють собою напівконсервативну модель, Оскільки складаються зі старої материнської та нової дочірньої ланцюгів і є точною копією материнської молекули (рис. 14). Біологічний сенс реплікації полягає у точній передачі спадкової інформації від материнської молекули до дочірньої.

Мал. 13 . Деспіралізація молекули ДНК за допомогою ферменту

1

Мал. 14 . Реплікація – утворення двох молекул ДНК із однієї молекули ДНК: 1 – дочірня молекула ДНК; 2 – материнська (батьківська) молекула ДНК.

Фермент ДНК-полімераза може рухатися вздовж ланцюга ДНК лише у напрямку 3'-> 5'. Оскільки комплементарні ланцюги в молекулі ДНК спрямовані в протилежні сторони, і фермент ДНК-полімераза може рухатися вздовж ланцюга ДНК тільки в напрямку 3'->5', то синтез нових ланцюгів йде антипаралельно ( за принципом антипаралельності).

Місце локалізації ДНК. ДНК міститься в ядрі клітини, в матриксі мітохондрій та хлоропластів.

Кількість ДНК у клітині постійно становить 6,6х10 -12 р.

Функції ДНК:

Зберігання та передача у ряді поколінь генетичної інформації молекулам та - РНК;

Структурна.

ДНК є структурною основою хромосом (хромосома на 40% складається із ДНК).Видоспецифічність ДНК

. Нуклеотидний склад ДНК є критерієм виду.

РНК, будова та функції..

Загальна структура

РНК - лінійний біополімер, що складається з одного полінуклеотидного ланцюга. Розрізняють первинну та вторинну структури РНК. Первинна структура РНК є одноланцюжковою молекулою, а вторинна структура має форму хреста і характерна для т-РНК.Полімерність молекули РНК

. Молекула РНК може містити від 70 нуклеотидів до 30 000 нуклеотидів. Нуклеотиди, що входять до складу РНК, такі: аденіловий (А), гуаніловий (Г), цитидиловий (Ц), урациловий (У). У складі РНК тіміновий нуклеотид заміщений на урациловий (У).

Будова нуклеотиду РНК.

Нуклеотид РНК включає 3 ланки:

азотна основа (аденін, гуанін, цитозин, урацил);

моносахарид – рибоза (у рибозі є кисень при кожному атомі вуглецю);

залишок фосфорної кислоти.Спосіб синтезу РНК – транскрипція . Транскрипція, як і реплікація – реакція матричного синтезу. Матрицею є молекула ДНК. Реакція протікає за принципом комплементарності однією з ланцюгів ДНК (рис. 15). Процес транскрипції починається з деспіралізації молекули ДНК певному ділянці. На ланцюгу ДНК, що транскрибується, єпромотор - група нуклеотидів ДНК, із якої починається синтез молекули РНК. До промотору приєднується фермент. Фермент активізує процес транскрипції. За принципом комплементарності добудовуються нуклеотиди, що надходять з цитоплазми клітини до ланцюга ДНК, що транскрибується. РНК-полімераза активізує вибудовування нуклеотидів в один ланцюг та формування молекули РНК.

У процесі транскрипції виділяють чотири стадії: зв'язування РНК-полімерази з промотором; 2) початок синтезу (ініціація); 3) елонгація – зростання ланцюга РНК, т. е. відбувається послідовне приєднання нуклеотидів друг до друга; 4) термінація - завершення синтезу і-РНК.

Мал. 15 . Схема транскрипції

1 – молекула ДНК (подвійний ланцюжок); 2 – молекула РНК; 3-кодони; 4 - промотор.

1972 р. американські вчені – вірусолог Х.М. Темін і молекулярний біолог Д. Балтімор на вірусах у пухлинних клітинах відкрили зворотну транскрипцію. Зворотня транскрипція- Переписування генетичної інформації з РНК на ДНК. Процес протікає за допомогою ферменту зворотної транскриптази.

Види РНК за функцією

Інформаційна, або матрична РНК (і-РНК, або м-РНК) переносить генетичну інформацію з молекули ДНК до місця синтезу білка – рибосому. Синтезується в ядрі за участю ферменту РНК-полімерази. Вона становить 5% всіх видів РНК клітини.

і-РНК включає від 300 нуклеотидів до 30 000 нуклеотидів (найдовший ланцюг серед РНК).

Транспортна РНК (т-РНК) транспортує амінокислоти до місця синтезу білка - в рибосому.Має форму хреста (рис. 16) та складається з 70 – 85 нуклеотидів. Її кількість у клітині становить 10-15 % РНК клітини.

Мал. 16.

Схема будови т-РНК: А–Г – пари нуклеотидів, з'єднані з допомогою водневих зв'язків; Д – місце прикріплення амінокислоти (акцепторна ділянка); Е – антикодон.

3. Рибосомна РНК (р-РНК) синтезується в ядерці і входить до складу рибосом. Включає приблизно 3000 нуклеотидів. Складає 85% клітин РНК. Цей вид РНК містяться в ядрі, рибосомах, на ендоплазматичній мережі, в хромосомах, в матриксі мітохондрій, а також в пластидах.

Основи цитології. Розв'язання типових завдань

Завдання 1Скільки тимінових та аденінових нуклеотидів міститься в ДНК, якщо в ній виявлено 50 цитозинових нуклеотидів, що становить 10% від усіх нуклеотидів.

Рішення.

За правилом комплементарності в подвійному ланцюзі ДНК цитозин завжди комплемпентарний гуаніну. 50 цитозинових нуклеотидів становлять 10%, отже, згідно з правилом Чаргаффа, 50 гуанінових нуклеотидів також становлять 10%, або (якщо ∑Ц =10%, то і ∑Г =10%).

Для того, щоб дізнатися, скільки тімінових та аденінових нуклеотидів міститься в ДНК, потрібно скласти таку пропорцію:

50 цитозинових нуклеотидів → 10%

Х (Т+А) →80 %

Х = 50х80: 10 = 400 штук

Відповідно до правила Чаргаффа ∑А= ∑Т, отже ∑А=200 та ∑Т=200.

Відповідь:кількість тімінових, як і аденінових нуклеотидів у ДНК, дорівнює 200.

Завдання 2

Тімінові нуклеотиди в ДНК становлять 18% від загальної кількості нуклеотидів. Визначте відсоток інших видів нуклеотидів, які у ДНК.

Завдання 1∑Т=18%. Відповідно до правила Чаргаффа ∑Т=∑А, отже частку аденінових нуклеотидів також припадає 18 % (∑А=18%).

Сума пари нуклеотидів Т+А дорівнює 36% (18% + 18% = 36%). На пару нуклеотидів Гі Ц доводиться: Г + Ц = 100% -36% = 64%. Оскільки гуанін завжди комплементарний цитозину, то їх вміст у ДНК буде рівним,

тобто ∑ Г = ∑Ц = 32%.

Відповідь: вміст гуаніну, як і цитозину, становить 32%.

Завдання 3

20 цитозинових нуклеотидів ДНК становлять 10% від загальної кількості нуклеотидів. Скільки аденінових нуклеотидів міститься у молекулі ДНК?

Завдання 1У подвійному ланцюжку ДНК кількість цитозину дорівнює кількості гуаніну, отже їх сума становить: Ц+Г=40 нуклеотидів. Знаходимо загальну кількість нуклеотидів:

20 цитозинових нуклеотидів → 10%

Х (загальна кількість нуклеотидів) →100%

Х = 20х100: 10 = 200 штук

А + Т = 200 - 40 = 160 штук

Оскільки аденін комплементарний тиміну, їх зміст буде рівним,

тобто 160 штук: 2 = 80 штук, або ∑А = ∑Т = 80.

Відповідь: у молекулі ДНК міститься 80 аденінових нуклеотидів.

Завдання 4

Допишіть нуклеотиди правого ланцюга ДНК, якщо відомі нуклеотиди її лівого ланцюга: АГА – ТАТ – ГТГ – ТЦТ

Завдання 1Побудова правого ланцюга ДНК за заданим лівим ланцюгом проводиться за принципом комплементарності - суворої відповідності нуклеотидів один одному: аденонивий - тиміновий (А-Т), гуаніновий - цитозиновий (Г-Ц). Тому нуклеотиди правої ланцюга ДНК мають бути такі: ТЦТ – АТА – ЦАЦ – АГА.

Відповідь: нуклеотиди правого ланцюга ДНК: ТЦТ - АТА - ЦАЦ - АГА.

Завдання 5

Запишіть транскрипцію, якщо ланцюжок ДНК, що транскрибується, має наступний порядок нуклеотидів: АГА – ТАТ – ТГТ – ТЦТ.

Рішення. Молекула і-РНК синтезується за принципом комплеєнтарності на одному з ланцюгів молекули ДНК. Нам відомий порядок нуклеотидів у ланцюгу ДНК, що транскрибується. Отже, треба збудувати комплементарний ланцюг і-РНК. Слід пам'ятати, замість тіміну в молекулу РНК входить урацил. Отже:

Ланцюг ДНК: АГА – ТАТ – ТГТ – ТЦТ

Ланцюг і-РНК: УЦУ - АУА -АЦА -АГА.

Відповідь: Послідовність нуклеотидів і-РНК наступна: УЦУ - АУА - АЦА -АГА.

Завдання 6

Запишіть зворотну транскрипцію, тобто побудуйте фрагмент дволанцюжкової молекули ДНК за запропонованим фрагментом і-РНК, якщо ланцюжок і-РНК має таку послідовність нуклеотидів:

ГЦГ – АЦА – УУУ – УЦГ – ЦДУ – АГУ – АДА

Завдання 1Зворотна транскрипція – це синтез молекули ДНК з урахуванням генетичного коду и-РНК. Кодує молекулу ДНК і-РНК має такий порядок нуклеотидів: ГЦГ - АЦА - УУУ - УЦГ - ЦГУ - АГУ - АГА. Комплементарний їй ланцюжок ДНК: ЦГЦ – ТГТ – ААА – АГЦ – ГЦА – ТЦА – ТЦТ. Другий ланцюжок ДНК: ГЦГ-АЦА-ТТТ-ТЦГ-ЦГТ-АГТ-АГА.

Відповідь: в результаті зворотної транскрипції синтезовано два ланцюжки молекули ДНК: ЦГЦ - ТГТ - ААА - АГЦ - ГЦА - ТЦА і ГЦГ-АЦА-ТТТ-ТЦГ-ЦГТ-АГТ-АГА.

генетичний код. Біосинтез білка.

Ген- Ділянка молекули ДНК, що містить генетичну інформацію про первинну структуру одного певного білка.

Екзон-інтронна структура генаеукаріот

промотор- Ділянка ДНК (довжиною до 100 нуклеотидів), до якого приєднується фермент група нуклеотидів ДНК, із якої починається синтез молекули РНК. До промотору приєднується ферментнеобхідний для здійснення транскрипції;

2) регуляторна зона- Зона, що впливає на активність гена;

3) структурна частина гена- Генетична інформація про первинну структуру білка.

Послідовність нуклеотидів ДНК, що несе генетичну інформацію про первинну структуру білка. екзон. Вони також входять до складу іРНК. Послідовність нуклеотидів ДНК, яка не несе генетичної інформації про первинну структуру білка - інтрон. Вони не входять до складу іРНК. У ході транскрипції за допомогою спеціальних ферментів відбувається вирізування копій інтронів з і-РНК та зшивання копій екзонів при освіті молекули і-РНК (рис. 20). Цей процес називається сплайсинг.

Мал. 20 . Схема сплайсингу (формування зрілої і-РНК у еукаріотів)

Генетичний код –система послідовності нуклеотидів у молекулі ДНК, або і-РНК, яка відповідає послідовності амінокислот у поліпептидному ланцюзі.

Властивості генетичного коду:

Триплетність(АЦА - ГТГ - ГЦГ ...)

Генетичний код є триплетним,так як кожна з 20 амінокислот кодується послідовністю трьох нуклеотидів ( триплетом, кодоном).

Існує 64 види триплетів нуклеотидів (43 = 64).

Однозначність (специфічність)

Генетичний код є однозначним, оскільки кожен окремий триплет нуклеотидів (кодон) кодує лише одну амінокислоту, або один кодон завжди відповідає одній амінокислоті (таблиця 3).

Множинність (надмірність, або виродженість)

Одна й та сама амінокислота може кодуватися кількома триплетами (від 2 до 6), т. до. білоктворних амінокислот –20, а триплетів – 64.

Безперервність

Зчитування генетичної інформації відбувається в одному напрямку, зліва направо. Якщо відбудеться випадання одного нуклеотиду, то при зчитуванні його місце займе найближчий нуклеотид із сусіднього триплету, що призведе до зміни генетичної інформації.

Універсальність

Генетичний код характерний для всіх живих організмів, і однакові триплети кодують ту саму амінокислоту у всіх живих організмів.

Має стартові та термінальні триплети(Стартовий триплет - АУГ, термінальні триплети УАА, УГА, УАГ). Ці види триплетів не кодують амінокислоти.

Неперекриваність (дискретність)

Генетичний код є таким, що не перекривається, так як один і той же нуклеотид не може входити одночасно до складу двох сусідніх триплетів. Нуклеотиди можуть належати лише одному триплету, і якщо переставити в інший триплет, то відбудеться зміна генетичної інформації.

Таблиця 3 - Таблиця генетичного коду

		Підстави кодонів

Примітка: скорочені назви амінокислот наведені відповідно до міжнародної термінології.

Біосинтез білка

Біосинтез білка – вид пластичного обмінуречовин у клітині, що у живих організмах під впливом ферментів. Біосинтезу білка передують реакції матричного синтезу (реплікація – синтез ДНК; транскрипція – синтез РНК; трансляція – збирання молекул білка на рибосомах). У процесі біосинтезу білка виділяють 2 етапи:

транскрипція

трансляція

У ході транскрипції генетична інформація, що міститься в ДНК, що знаходиться в хромосомах ядра, передається молекулі РНК. Після завершення процесу транскрипції і-РНК виходить у цитоплазму клітини через пори в мембрані ядра, розташовується між 2 субодиницями рибосоми та бере участь у біосинтезі білка.

Трансляція – процес переведення генетичного коду в послідовність амінокислот.Трансляція здійснюється у цитоплазмі клітини на рибосомах, що розташовуються на поверхні ЕПС (ендоплазматичної мережі). Рибосоми - сферичні гранули, діаметром, в середньому, 20 нм, що складаються з великої та малої субодиниць. Молекула і-РНК розташовується між двома субодиницями рибосоми. У процесі трансляції беруть участь амінокислоти, АТФ, та-РНК, т-РНК, фермент аміно-ацил т-РНК-синтетазу.

Кодон- Ділянка молекули ДНК, або і-РНК, що складається з трьох послідовно розташованих нуклеотидів, що кодує одну амінокислоту.

Антикодон- Ділянка молекули т-РНК, що складається з трьох послідовно розташованих нуклеотидів і комплементарний кодону молекули і-РНК. Кодони комплементарні відповідним антикодонам та з'єднуються з ними за допомогою водневих зв'язків (рис. 21).

Синтез білка починається зі стартового кодону АУГ. Від нього рибосома

переміщається молекулою і-РНК, триплет за триплетом. Амінокислоти надходять за генетичним кодом. Вбудовування їх у поліпептидний ланцюг на рибосомі відбувається за допомогою т-РНК. Первинна структура т-РНК (ланцюжок) переходить у вторинну структуру, що нагадує формою хрест, і при цьому в ній зберігається комплементарність нуклеотидів. У нижній частині т-РНК є акцепторна ділянка, до якої приєднується амінокислота (рис.16). Активізація амінокислоти здійснюється за допомогою ферменту аміноацил т-РНК-синтетази. Суть цього процесу у тому, що це фермент взаємодіє з амінокислотою і з АТФ. При цьому формується потрійний комплекс, представлений цим ферментом, амінокислотою та АТФ. Амінокислота збагачується енергією, активізується, набуває здатності утворювати пептидні зв'язки з сусідньою амінокислотою. Без процесу активізації амінокислоти поліпептидний ланцюг із амінокислт сформуватися не може.

У протилежній верхній частині молекули т-РНК міститься триплет нуклеотидів. антикодон, З допомогою якого т-РНК прикріплюється до комплементарного йому кодону (рис. 22).

Перша молекула т-РНК, з приєднаною до неї активізованою амінокислотою, своїм антикодоном прикріплюється до кодону і-РНК і в рибосомі виявляється одна амінокислота. Потім прикріплюється друга т-РНК своїм антикодон до відповідного кодону і-РНК. При цьому в рибосомі виявляються вже 2 амінокислоти, між якими формується пептидний зв'язок. Перша т-РНК залишає рибосому, як тільки віддасть амінокислоту поліпептидну ланцюг на рибосомі. Потім до дипептиду приєднується 3-я амінокислота, її приносить третя т-РНК і т.д.

1 - кодон і-РНК; кодониUCG –УЦГ; CUA –ЦУА; CGU –ЦМУ;

2-антикодон т-РНК; антикодон GAT – ГАТ

Мал. 21 . Фаза трансляції: кодон та-РНК притягується до антикодону т-РНК відповідними комплементарними нуклеотидами (підставами)

Нуклеїнові кислоти - високомолекулярні речовини, що складаються з мононуклеотидів, які з'єднані один з одним у полімерний ланцюжок за допомогою 3",5"- фосфодіефірних зв'язків і упаковані в клітинах певним чином.

Нуклеїнові кислоти - біополімери двох різновидів: рибонуклеїнова кислота (РНК) та дезоксирибонуклеїнова кислота (ДНК). Кожен біополімер складається з нуклеотидів, що розрізняються по вуглеводному залишку (рибозе, дезоксирибозе) та одному з азотистих основ (урацил, тимін). Відповідно до цих відмінностей нуклеїнові кислоти і отримали свою назву.

Структура дезоксирибонуклеїнової кислоти

Нуклеїнові кислоти мають первинну, вторинну та третинну структуру.

Первинна структура ДНК

Первинною структурою ДНК називають лінійний полінуклеотидний ланцюг, в якому мононуклеотиди з'єднані 3", 5"-фосфодіефірними зв'язками. Вихідним матеріалом при складанні ланцюга нуклеїнової кислоти в клітині є нуклеозид 5"-трифосфат, який в результаті видалення β і γ залишків фосфорної кислоти здатний приєднати 3" атом вуглецю іншого нуклеозиду. Таким чином, 3"-атом вуглецю однієї дезоксирибози ковалентно зв'язується з 5"-атомом вуглецю іншої дезоксирибози за допомогою одного залишку фосфорної кислоти і утворює лінійний полінуклеотидний ланцюг нуклеїнової кислоти. Звідси й назва: 3", 5"-фосфодіефірні зв'язки. Азотисті основи не беруть участі у поєднанні нуклеотидів одного ланцюга (рис. 1.).

Така сполука між залишком молекули фосфорної кислоти одного нуклеотиду і вуглеводом іншого призводить до утворення пентозо-фосфатного скелета молекули полінуклеотиду, на якому збоку один за одним приєднуються азотисті основи. Їх послідовність розташування ланцюгах молекул нуклеїнових кислот суворо специфічна для клітин різних організмів, тобто. носить видовий характер (правило Чаргаффа).

Лінійний ланцюг ДНК, довжина якої залежить від числа нуклеотидів, що входять у ланцюг, має два кінці: один називається 3"-кінцем і містить вільний гідроксил, а інший - 5"-кінцем, містить залишок фосфорної кислоти. Ланцюг полярний і може мати напрям 5"->3" і 3"->5". Винятком є ​​кільцеві ДНК.

Генетичний " текст " ДНК складено з допомогою кодових " слів " - триплетів нуклеотидів, званих кодонами. Ділянки ДНК, що містять інформацію про первинну структуру всіх типів РНК, називають структурними генами.

Полінуклеодитні ланцюжки ДНК досягають гігантських розмірів, тому в клітині вони упаковані певним чином.

Вивчаючи склад ДНК, Чаргафф (1949) встановив важливі закономірності щодо змісту окремих підстав ДНК. Вони допомогли розкрити вторинну структуру ДНК. Ці закономірності називають правилами Чаргафа. Правила Чаргафа сума пуринових нуклеотидів дорівнює сумі піримідинових нуклеотидів, тобто А+Г/Ц+Т = 1 вміст аденіну дорівнює вмісту тиміну (А = Т, або А/Т=1); вміст гуаніну дорівнює вмісту цитозину (Г = Ц, або Г/Ц = 1); кількість 6-аміногруп дорівнює кількості 6-кетогруп основ, що містяться в ДНК: Г + Т = А + Ц; мінлива лише сума А + Т і Г + Ц. Якщо А + Т > Г-Ц, це АТ-тип ДНК; якщо Г+Ц > А+Т, це ГЦ-тип ДНК. Ці правила свідчать, що з побудові ДНК має дотримуватися досить суворе відповідність (спарювання) не пуринових і пиримидиновых підстав взагалі, саме тиміну з аденіном і цитозину з гуаніном. На підставі цих правил у тому числі, в 1953 Уотсон і Крик запропонували модель вторинної структури ДНК, що отримала назву подвійної спіралі (рис.).

Вторинна структура ДНК

Вторинна структура ДНК – це подвійна спіраль, модель якої була запропонована Д. Уотсоном та Ф. Кріком у 1953 році.

Передумови створення моделі ДНК

В результаті початкових аналізів склалося уявлення, що ДНК будь-якого походження містить усі чотири нуклеотиди в рівних молярних кількостях. Однак у 1940-х роках Е. Чаргафф та його співробітники в результаті аналізу ДНК, виділених з різноманітних організмів, ясно показали, що азотисті основи містяться в них у різних кількісних співвідношеннях. Чаргафф виявив, що, хоча ці співвідношення однакові для ДНК із усіх клітин одного й того ж виду організмів, ДНК від різних видів можуть помітно відрізнятися за змістом тих чи інших нуклеотидів. Це наводило на думку, що відмінності у співвідношенні азотистих основ, можливо, пов'язані з якимсь біологічним кодом. Хоча співвідношення окремих пуринових і піримідинових основ у різних зразках ДНК виявилося неоднаковим, при порівнянні результатів аналізів виявилася певна закономірність: у всіх зразках загальна кількість пуринів дорівнювала загальній кількості піримідинів (А + Г = Т + Ц), кількість аденіну - кількості тиміну (А = Т), а кількість гуаніну – кількості цитозину (Г = Ц). ДНК, виділена з клітин ссавців, була в цілому багатшою аденіном і тиміном і відносно бідніше гуаніном і цитозином, тоді як у бактерій ДНК була багатша гуаніном і цитозином і відносно бідніше аденіном і тиміном. Ці дані склали важливу частину фактичного матеріалу, на основі якого пізніше було побудовано модель структури ДНК Вотсона - Крику.

Ще однією важливою непрямою вказівкою на можливу структуру ДНК послужили дані Л. Полінга про будову білкових молекул. Полінг показав, що можливо кілька різних стійких конфігурацій амінокислотного ланцюга в молекулі білка. Одна з поширених конфігурацій пептидного ланцюга - α-спіраль - є правильною гвинтоподібною структурою. За такої структури можливе утворення водневих зв'язків між амінокислотами, що знаходяться на суміжних витках ланцюга. Полінг описав α-спіральну конфігурацію поліпептидного ланцюга в 1950 році і висловив припущення, що молекули ДНК, ймовірно, мають спіральну структуру, закріплену водневими зв'язками.

Однак найцінніші відомості про будову молекули ДНК дали результати рентгеноструктурного аналізу. Рентгенівські промені, проходячи крізь кристал ДНК, зазнають дифракції, тобто відхиляються у певних напрямках. Ступінь та характер відхилення променів залежать від структури самих молекул. Дифракційна рентгенограма (рис. 3) дає досвідченому оку ряд непрямих вказівок щодо будови молекул досліджуваної речовини. Аналіз дифракційних рентгенограм ДНК привів до висновку, що азотисті основи (що мають плоску форму) укладені на кшталт стопки тарілок. Рентгенограми дозволили виявити у структурі кристалічної ДНК три основні періоди: 0,34, 2 і 3,4 нм.

Модель ДНК Вотсона-Кріка

Виходячи з аналітичних даних Чаргаффа, рентгенограм, отриманих Уїлкінсом і досліджень хіміків, що надали відомості про точні відстані між атомами в молекулі, про кути між зв'язками даного атома і про величину атомів, Уотсон і Крик почали будувати фізичні моделі окремих складових частин молекули ДНК у певному масштабі і "підганяти" їх один до одного з таким розрахунком, щоб отримана система відповідала різним експериментальним даним [показати] .

Ще раніше було відомо, що в ланцюзі ДНК сусідні нуклеотиди з'єднані фосфодіефірними містками, що зв'язують 5"-вуглецевий дезоксирибози атом одного нуклеотиду з 3"-вуглецевим атомом дезоксирибози наступного нуклеотиду. Уотсон і Крик не сумнівалися, що період 0,34 нм відповідає відстані між послідовними нуклеотидами в ланцюзі ДНК. Далі можна було припускати, що період 2 нм відповідає товщині ланцюга. А для того, щоб пояснити, якій реальній структурі відповідає період 3,4 нм, Вотсон і Крик, як і раніше Полінг, припустили, що ланцюг закручений у вигляді спіралі (або, точніше, утворює гвинтову лінію, оскільки спіраль у строгому сенсі цього слова виходить тоді, коли витки утворюють у просторі конічну, а чи не циліндричну поверхню). Тоді період 3,4 нм відповідатиме відстані між послідовними витками цієї спіралі. Така спіраль може бути дуже щільною або дещо розтягнутою, тобто витки її можуть бути пологими або крутими. Оскільки період 3,4 нм рівно в 10 разів більший за відстань між послідовними нуклеотидами (0,34 нм), ясно, що кожен повний виток спіралі містить 10 нуклеотидів. За цими даними Уотсон і Крик змогли обчислити щільність полінуклеотидного ланцюга, закрученого в спіраль діаметром 2 нм, з відстанню між витками, що дорівнює 3,4 нм. Виявилося, що у такого ланцюга щільність була б удвічі меншою за фактичну щільність ДНК, яка була вже відома. Довелося припустити, що молекула ДНК і двох ланцюгів - що це подвійна спіраль з нуклеотидів.

Наступним завданням було, звичайно, з'ясування просторових відносин між обома ланцюгами, що утворюють подвійну спіраль. Випробувавши на своїй фізичній моделі ряд варіантів розташування ланцюгів, Вотсон і Крик знайшли, що всім наявним даним найкраще відповідає такий варіант, в якому дві полінуклеотидні спіралі йдуть у протилежних напрямках; при цьому ланцюги, що складаються із залишків цукру та фосфату, утворюють поверхню подвійної спіралі, а пурини та піримідини розташовуються всередині. Розташовані один проти одного підстави, що належать двом ланцюгам, попарно з'єднані водневими зв'язками; саме ці водневі зв'язки та утримують ланцюги разом, фіксуючи таким чином загальну конфігурацію молекули.

Подвійну спіраль ДНК можна уявити у вигляді гвинтоподібно закручених мотузкових сходів, так щоб поперечини її залишалися в горизонтальному положенні. Тоді дві поздовжні мотузки відповідатимуть ланцюгам із залишків цукру та фосфату, а перекладини – парам азотистих основ, з'єднаних водневими зв'язками.

В результаті подальшого вивчення можливих моделей Вотсон і Крик дійшли висновку, що кожна "перекладина" повинна складатися з одного пурину та одного піримідину; при періоді 2 нм (що відповідає діаметру подвійної спіралі) для двох пуринів не вистачило б місця, а два піримідини не могли б при цьому розташовуватись досить близько один до одного, щоб утворити належні водневі зв'язки. Поглиблене дослідження детальної моделі показало, що аденін і цитозин, складаючи відповідну за розмірами комбінацію, все ж таки не могли б розташовуватися таким чином, щоб між ними утворилися водневі зв'язки. Аналогічні повідомлення змусили виключити також комбінацію гуанін – тимін, тоді як поєднання аденін – тимін та гуанін – цитозин виявилися цілком прийнятними. Природа водневих зв'язків така, що аденін утворює пару з тиміном, а гуанін – з цитозином. Це уявлення про специфічне парування підстав дозволяло пояснити "правило Чаргаффа", згідно з яким у будь-якій молекулі ДНК кількість аденіну завжди дорівнює вмісту тиміну, а кількість гуаніну - кількості цитозину. Між аденіном і тиміном утворюються два водневі зв'язки, а між гуаніном та цитозином – три. Завдяки цій специфічності в утворенні водневих зв'язків проти кожного аденіну в одному ланцюгу в інший виявляється тімін; так само проти кожного гуаніну може бути тільки цитозин. Таким чином, ланцюги комплементарні один одному, т. Е. Послідовність нуклеотидів в одному ланцюгу однозначно визначає їх послідовність в іншій. Два ланцюги йдуть у протилежних напрямках, та його кінцеві фосфатні групи перебувають у протилежних кінцях подвійний спіралі.

В результаті своїх досліджень, в 1953 Уотсон і Крик запропонували модель будови молекули ДНК (рис. 3), яка залишається актуальною по даний час. Згідно з моделлю молекула ДНК складається з двох комплементарних полінуклеотидних ланцюгів. Кожен ланцюг ДНК є полінуклеотидом, що складається з декількох десятків тисяч нуклеотидів. У ній сусідні нуклеотиди утворюють регулярний пентозо-фосфатний кістяк за рахунок з'єднання залишку фосфорної кислоти та дезоксирибози міцним ковалентним зв'язком. Азотисті основи одного полінуклеотидного ланцюга при цьому розташовуються в строго визначеному порядку проти азотистих основ іншої. Чергування азотистих основ полінуклеотидної ланцюга нерегулярно.

Розташування азотистих підстав у ланцюзі ДНК є комплементарним (від грецьк. "комплемент" - доповнення), тобто. проти аденіну (А) завжди виявляється тимін (Т), а проти гуаніну (Г) – лише цитозин (Ц). Це тим, що і Т, і навіть Р і Ц суворо відповідають одне одному, тобто. доповнюють одне одному. Така відповідність задається хімічною структурою основ, що дозволяє утворити водневі зв'язки в парі пурину та піримідину. Між А і Т виникають два зв'язки, між Г і Ц – три. Ці зв'язки забезпечують часткову стабілізацію молекули ДНК у просторі. Стійкість подвійний спіралі у своїй прямо пропорційна числу зв'язків G≡С, є стабільними проти зв'язками А=Т.

Відома послідовність розташування нуклеотидів в одному ланцюзі ДНК дозволяє за принципом комплементарності встановити нуклеотиди іншого кола.

Крім того, встановлено, що азотисті основи, що мають ароматичну структуру, у водному розчині розташовуються одна над одною, формуючи стопку монет. Такий процес формування стосів з органічних молекул називається стекінг. Полінуклеотидні ланцюги молекули ДНК аналізованої моделі Уотсона-Кріка мають аналогічний фізико-хімічний стан, їх азотисті основи розташовуються у вигляді стопки монет, між площинами яких виникають ван-дер-ваальсові взаємодії (стекінг-взаємодія).

Водневі зв'язки між комплементарними основами (по горизонталі) та стекінг-взаємодія між площинами основ у полінуклеотидному ланцюзі за рахунок ван-дер-ваальсових сил (по вертикалі) забезпечує молекулі ДНК додаткову стабілізацію у просторі.

Сахарофосфатні кістяки обох ланцюгів звернені назовні, а підстави всередину, назустріч один одному. Напрямок ланцюгів в ДНК антипаралельно (одна з них має напрямок 5"->3", інша - 3"->5", тобто 3"-кінець одного ланцюга розташований навпроти 5"-кінця іншого.). Ланцюги утворюють праві спіралі із загальною віссю. Один виток спіралі становить 10 нуклеотидів, розмір витка 34 нм, висота кожного нуклеотиду 034 нм діаметр спіралі - 20 нм. В результаті обертання одного ланцюга навколо іншого утворюється велика борозна (діаметром близько 20 Å) і мала борозна (близько 12 Å) подвійної спіралі ДНК. Така форма подвійної спіралі Вотсона-Кріка надалі отримала назву В-форми. У клітинах ДНК зазвичай існує у формі, яка є найстабільнішою.

Функції ДНК

Запропонована модель пояснювала багато біологічних властивостей дезоксирибонуклеїнової кислоти, у тому числі зберігання генетичної інформації та різноманіття генів, що забезпечується великою різноманітністю послідовних поєднань 4-х нуклеотидів і фактом існування генетичного коду, здатність до самовідтворення та передачі генетичної інформації, у вигляді білків, а також інших сполук, що утворюються за допомогою білків-ферментів.

Основні функції ДНК.

1. ДНК є носієм генетичної інформації, що забезпечується фактом існування генетичного коду.
2. Відтворення та передана генетичної інформації у поколіннях клітин та організмів. Ця функція забезпечується процесом реплікації.
3. Реалізація генетичної інформації у вигляді білків, а також інших сполук, що утворюються за допомогою білків-ферментів. Ця функція забезпечується процесами транскрипції та трансляції.

Форми організації дволанцюжкової ДНК

ДНК може формувати кілька типів подвійних спіралей (рис.4). В даний час вже відомо шість форм (від А до Е та Z-форма).

Структурні форми ДНК, як встановила Розалінда Франклін, залежить від насичення водою молекули нуклеїнової кислоти. У дослідженнях волокон ДНК за допомогою рентгеноструктурного аналізу було показано, що рентгенограма радикальним чином залежить від того, за якої відносної вологості, за якого ступеня насичення водою цього волокна відбувається експеримент. Якщо волокно було досить насичене водою, виходила одна рентгенограма. При висушуванні виникала зовсім інша рентгенограма, що сильно відрізняється від рентгенограми волокна високої вологості.

Молекула ДНК високої вологості отримала назву В-форми. За фізіологічних умов (низька концентрація солі, високий рівень гідратації) домінуючим структурним типом ДНК є В-форма (основна форма дволанцюжкової ДНК - модель Уотсона-Кріка). Крок спіралі такої молекули дорівнює 34 нм. На виток припадає 10 комплементарних пар у вигляді скручених стосів "монет" - азотистих основ. Стопки утримуються водневими зв'язками між двома протилежними "монетами" стопок, і "обмотані" двома стрічками фосфодіефірного кістяка, закрученими в праву спіраль. Площини азотистих основ перпендикулярні до осі спіралі. Сусідні комплементарні пари повернуті одна щодо одної на 36°. Діаметр спіралі 20Å, причому пуриновий нуклеотид займає 12Å, а піримідиновий - 8Å.

Молекула ДНК нижчої вологості отримала назву А-форми. А-форма утворюється в умовах менш високої гідратації і за більш високого вмісту іонів Na + або К + . Ця ширша правоспіральна конформація має 11 пар азотистих основ на виток. Площини азотистих основ мають сильніший нахил до осі спіралі, вони відхилені від нормалі до осі спіралі на 20°. Звідси випливає наявність внутрішньої порожнечі діаметром 5Å. Відстань між сусідніми нуклеотидами становить 0,23 нм, довжина витка – 2,5 нм, діаметр спіралі – 2,3 нм.

Спочатку вважали, що А-форма ДНК менш важлива. Однак надалі з'ясувалося, що А-форма ДНК, як і В-форма, має величезне біологічне значення. А-форму має спіраль РНК-ДНК у комплексі матриця-затравка, а також спіраль РНК-РНК та шпилікові структури РНК (2'-гідроксильна група рибози не дозволяє молекулам РНК утворювати В-форму). А-форма ДНК виявлена ​​у суперечках. Встановлено, що А-форма ДНК у 10 разів стійкіша до дії УФ-променів, ніж В-форма.

А-форму та В-форму називають канонічними формами ДНК.

Форми С-Етакож правоспіральні, їх освіту можна спостерігати лише у спеціальних експериментах, і, мабуть, вони не існують in vivo. С-форма ДНК має структуру, подібну до В-ДНК. Число пар основ на виток становить 9,33, довжина витка спіралі дорівнює 3,1 нм. Пари основ нахилені на кут 8 градусів щодо перпендикулярного положення до осі. Жолобки за розмірами близькі до жолобків В-ДНК. При цьому головний жолобок дещо дрібніший, а мінорний жолобок – глибший. У С-форму можуть переходити природні та синтетичні полінуклеотиди ДНК.

Таблиця 1. Характеристика деяких типів структур ДНК
Тип спіралі	A	B	Z
Крок спіралі	0,32 нм	3,38 нм	4,46 нм
Закрученість спіралі	Права	Права	Ліва
Число пар основ на виток	11	10	12
Відстань між площинами основ	0,256 нм	0,338 нм	0,371 нм
Конформація глікозидного зв'язку	анти	анти	анти-С син-Г
Конформація фуранозного циклу	С3"-ендо	С2"-ендо	С3"-ендо-Г С2"-ендо-Ц
Ширина борозенки, малий/великий	1,11/0,22 нм	0,57/1,17 нм	0,2/0,88 нм
Глибина борозенки, малий/великий	0,26/1,30 нм	0,82/0,85 нм	1,38/0,37 нм
Діаметр спіралі	2,3 нм	2,0 нм	1,8 нм

Структурні елементи ДНК
(Неканонічні структури ДНК)

До структурних елементів ДНК можна віднести незвичайні структури, обмежені якимись спеціальними послідовностями:

Z-форма ДНК - утворюється у місцях В-форми ДНК, де пурини чергуються з піримідинами або в повторах, що містять метильований цитозин. Паліндроми - послідовності-перевертачі, інвертовані повтори послідовностей основ, що мають симетрію другого порядку щодо двох ланцюгів ДНК і утворюють "шпильки" та "хрести". H-форма ДНК і потрійні спіралі ДНК - утворюються за наявності в одному ланцюгу нормального Уотсон-Кріковського дуплексу ділянки, що містить тільки пурини, і в другому ланцюгу, відповідно, комплементарні їм піримідини. G-квадруплекс (G-4) - чотириланцюжкова спіраль ДНК, де 4 гуанінові основи з різних ланцюгів утворюють G-квартети (G-зошити), скріплені водневими зв'язками з утворенням G-квадруплексів.

Z-форма ДНКбула відкрита 1979 року щодо гексануклеотида d(CG)3 - . Її відкрив професор Массачусетського технологічного інституту Олександр Річ із співробітниками. Z-форма стала одним із найважливіших структурних елементів ДНК у зв'язку з тим, що її утворення спостерігалося в ділянках ДНК, де пурини чергуються з піримідинами (наприклад, 5'-ГЦГЦГЦ-3'), або в повторах 5'-ЦГЦГЦГ-3' , що містять метильований цитозин Істотною умовою утворення та стабілізації Z-ДНК була присутність у ній пуринових нуклеотидів у син-конформації, що чергуються з піримідиновими основами в анти-конформації.

Природні молекули ДНК в основному існують у правій формі, якщо вони не містять послідовностей типу (ЦГ)n. Однак, якщо такі послідовності входять до складу ДНК, ці ділянки при зміні іонної сили розчину або катіонів, що нейтралізують негативний заряд на фосфодіефірному каркасі, можуть переходити в Z-форму, при цьому інші ділянки ДНК в ланцюзі залишаються в класичній В-формі. Можливість такого переходу вказує на те, що два ланцюги в подвійній спіралі ДНК перебувають у динамічному стані і можуть розкручуватися одна щодо одної, переходячи з правої форми в ліву і навпаки. Біологічні наслідки такої лабільності, що допускає конформаційні перетворення структури ДНК, поки що не цілком зрозумілі. Вважають, що ділянки Z-ДНК відіграють певну роль у регуляції експресії деяких генів та беруть участь у генетичній рекомбінації.

Z-форма ДНК - це лівозакручена подвійна спіраль, в якій фосфодіефірний кістяк розташований зигзагоподібно вздовж осі молекули. Звідси назва молекули (zigzag)-ДHK. Z-ДНК - найменш скручена (12 пар основ на виток) і найтонша з відомих у природі. Відстань між сусідніми нуклеотидами становить 0,38 нм, довжина витка – 4,56 нм, діаметр Z-ДНК – 1,8 нм. Крім того, зовнішній вигляд цієї молекули ДНК відрізняється наявністю однієї борозенки.

Z-форма ДНК була виявлена ​​в клітинах прокаріотів та еукаріотів. В даний час отримані антитіла, здатні відрізняти Z-форму від Форми ДНК. Ці антитіла зв'язуються з певними ділянками гігантських хромосом клітин слинних залоз дрозофіли (Dr. melanogaster). За реакцією зв'язування легко стежити через незвичайну будову цих хромосом, у яких щільніші ділянки (диски) контрастують із менш щільними (міждисками). Ділянки Z-ДНК розташовані у міждисках. З цього випливає, що Z-форма реально існує у природних умовах, хоча розміри індивідуальних ділянок Z-форми поки що невідомі.

(Перевертки) - найбільш відомі і часто зустрічаються в ДНК послідовності основ. Паліндромом називають слово чи фразу, яке читається зліва направо та навпаки однаково. Прикладами таких слів або фраз є: Шалаш, Козак, Потоп, А ТРОЯННЯ впала на лапу Азора. У застосуванні до ділянок ДНК даний термін (паліндром) означає однакове чергування нуклеотидів уздовж ланцюга праворуч наліво та зліва направо (подібно до літер у слові "курінь" тощо).

Паліндром характеризується наявністю інвертованих повторів послідовностей підстав, що мають симетрію другого порядку щодо двох ланцюгів ДНК. Такі послідовності, з цілком зрозумілої причини, є самокомплементарними та мають схильність до утворення шпилькових чи хрестоподібних структур (рис.). Шпильки допомагають регуляторним білкам дізнаватися про місце списування генетичного тексту ДНК хромосом.

У тих випадках, коли інвертований повтор присутній в одному і тому ж ланцюгу ДНК така послідовність називається дзеркальним повтором. Дзеркальні повтори не мають властивості самокомплементарності і тому не здатні до формування шпилькових або хрестоподібних структур. Послідовності такого типу виявлені практично у всіх великих молекулах ДНК і можуть включати від декількох пар основ до декількох тисяч пар основ.

Присутність паліндромів у вигляді хрестоподібних структур в еукаріотичних клітинах не доведена, хоча деяка кількість хрестоподібних структур виявлена ​​в умовах in vivo у клітинах E. coli. Наявність у складі РНК або одноланцюгових ДНК самокомплементарних послідовностей є основною причиною згортання в розчинах нуклеїнового ланцюга у певну просторову структуру, що відрізняється формуванням безлічі "шпильок".

Н-форма ДНК- це спіраль, яку утворюють три ланцюги ДНК – потрійна спіраль ДНК. Є комплексом уотсон-криківської подвійної спіралі з третьою одноланцюжковою ниткою ДНК, яка вкладається в її великий жолобок, з утворенням так званої хугстинівської пари.

Утворення подібного триплексу відбувається в результаті складання подвійної спіралі ДНК таким чином, що половина її ділянки залишається у вигляді подвійної спіралі, а друга половина роз'єднується. При цьому одна з роз'єднаних спіралей утворює нову структуру з першою половиною подвійної спіралі - потрійну спіраль, а друга виявляється неструктурованою у вигляді однониткової ділянки. Особливістю цього структурного переходу є різка залежність від рН середовища, протони якого стабілізують нову структуру. В силу цієї особливості нова структура отримала назву Н-форми ДНК, утворення якої було виявлено в надспіралізованих плазмідах, що містять гомопурін-гомопіримідинові ділянки, що є дзеркальним повтором.

У подальших дослідженнях була встановлена ​​можливість здійснення структурного переходу деяких гомопурин-гомопіримідинових двонітієвих полінуклеотидів з утворенням тринітієвої структури, що містить:

• одну гомопуринову та дві гомопіримідинові нитки ( Py-Pu-Py триплекс) [Хугстинівська взаємодія].

  Складові блоки Py-Pu-Py триплексу - канонічні ізоморфні CGC+ та TAT тріади. Стабілізація триплексу потребує протонування тріади CGC+, тому ці триплекси залежать від рН розчину.

• одну гомопіримідинову та дві гомопуринові нитки ( Py-Pu-Pu триплекс) [Зворотна хугстинівська взаємодія].

  Складові блоки Py-Pu-Pu триплексу - канонічні ізоморфні CGG та TAA тріад. Істотною властивістю Py-Pu-Pu триплексів є залежність їхньої стабільності від присутності двозарядних іонів, причому для стабілізації триплексів різної послідовності необхідні різні іони. Оскільки для утворення Py-Pu-Pu триплексів не потрібно протонування нуклеотидів, що входять до їх складу, такі триплекси можуть існувати при нейтральних pH.

  Прим.: Пряма і зворотна хугстинівська взаємодія пояснюється симетрією 1-метилтиміну: поворот на 180° призводить до того, що місце атома О4 займає атом О2, при цьому система водневих зв'язків зберігається.

Відомі два види потрійних спіралей:

1. паралельні потрійні спіралі, в яких полярність третього ланцюга збігається з полярністю гомопуринового ланцюга Уотсон-Кріковського дуплекса
2. антипаралельні потрійні спіралі, у яких полярності третього та гомопуринового ланцюгів протилежні.

Хімічно гомологічні ланцюги як у Py-Pu-Pu, так і в Py-Pu-Py триплексах знаходяться в антипаралельній орієнтації. Це було підтверджено даними ЯМР спектроскопії.

G-квадруплекс- 4-х спіральна ДНК. Така структура утворюється у разі, якщо є чотири гуаніни, які утворюють так званий G-квадруплекс – хоровод із чотирьох гуанінів.

Перші натяки на можливість утворення таких структур були отримані задовго до проривної роботи Уотсона та Крику – ще 1910 року. Тоді німецький хімік Івар Банг виявив, що один із компонентів ДНК - гуанозинова кислота - при високих концентраціях утворює гелі, тоді як інші складові ДНК такою властивістю не мають.

У 1962 році за допомогою рентгеноструктурного методу вдалося встановити структуру осередку цього гелю. Вона виявилася складена з чотирьох залишків гуаніну, що зв'язують один одного по колу і утворюють характерний квадрат. У центрі зв'язок підтримує іон металу (Na, K, Mg). Такі самі структури можуть утворюватися й у ДНК, якщо у ній багато гуаніну. Ці плоскі квадрати (G-квартети) складаються в стоси, і виходять досить стійкі, щільні структури (G-квадруплекси).

У чотириспіральні комплекси можуть сплітатися чотири окремі ланцюжки ДНК, але це є винятком. Найчастіше єдина нитка нуклеїнової кислоти просто зав'язується у вузол, утворюючи характерні потовщення (наприклад, на кінцях хромосом) або дволанцюжкова ДНК на якійсь багатій гуаніній ділянці утворює локальний квадруплекс.

Найбільш вивчено існування квадруплексів на кінцях хромосом – на теломерах та в онкопромоторах.

Однак досі повне уявлення про локалізацію такої ДНК у людських хромосомах не відоме.

• Всі ці незвичайні структури ДНК у лінійній формі нестабільні порівняно з формою ДНК. Однак ДНК часто існує в кільцевій формі топологічної напруги, коли вона має так звану надспіралізацію. У цих умовах легко утворюються неканонічні структури ДНК: Z-форми, "хрести" та "шпильки", H-форми, гуанінові квадруплекси та i-мотив.
• Суперспіралізована форма - відзначається при виділенні з ядра клітини без пошкодження пентозо-фосфатного кістяка. Має форму надскручених замкнених кілець. У надскрученому стані подвійна спіраль ДНК хоча б один раз "перекручена сама на себе", тобто містить хоча б один супервіток (набуває форми вісімки).
• Релаксований стан ДНК – спостерігається при одиночному розриві (розриві однієї нитки). При цьому супервітки зникають і ДНК набуває форми замкненого кільця.

Лінійна форма ДНК – спостерігається при розриві двох ниток подвійної спіралі.

Всі три перелічені форми ДНК легко поділяються при гельелекрофорезі.

Третинна структура ДНКТретинна структура ДНК

ДНК еукаріотів майже вся знаходиться в хромосомах ядер, лише невелика кількість її міститься в мітохондріях, а у рослин і в пластидах. Основна речовина хромосом еукаріотичних клітин (у тому числі і хромосом людини) - це хроматин, що складається з дволанцюгової ДНК, гістонових та негістонових білків.

Гістонові білки хроматину

Гістони – прості білки, складають до 50% хроматину. У всіх вивчених клітинах тварин і рослин виявлено п'ять основних класів гістонів: H1, H2A, H2B, H3, H4, що відрізняються за розмірами, амінокислотним складом і величиною заряду (завжди позитивний).

Гістон Н1 ссавців складається з одного поліпептидного ланцюга, що містить приблизно 215 амінокислот; розміри інших гістонів варіюють від 100 до 135 амінокислот. Всі вони спіралізовані та скручені в глобулу діаметром близько 2,5 нм, містять незвичайно велику кількість позитивно заряджених амінокислот лізину та аргініну. Гістони можуть бути ацетильовані, метильовані, фосфорильовані, полі(АДФ)-рибозильовані, а гістони Н2А та Н2В – ковалентно пов'язані з убіквітіном. Яка роль таких модифікацій у становленні структури та виконання функцій гістонами до кінця поки що не з'ясовано. Передбачається, що в цьому полягає їх здатність взаємодіяти з ДНК та забезпечувати один із механізмів регуляції дії генів.

Гістони взаємодіють із ДНК в основному через іонні зв'язки (сольові містки), що утворюються між негативно зарядженими фосфатними групами ДНК і позитивно зарядженими лізиновими та аргініновими залишками гістонів.

Негістонові білки хроматину

Негістонові білки, на відміну від гістонів, дуже різноманітні. Виділено до 590 різних фракцій ДНК-зв'язуючих негістонових білків. Їх ще називають кислими білками, тому що в їхній структурі переважають кислі амінокислоти (вони є поліаніонами). З різноманітністю негістонових білків пов'язують специфічне регулювання активності хроматину. Наприклад, ферменти, необхідні для реплікації та експресії ДНК, можуть зв'язуватися з хроматином тимчасово. Інші білки, скажімо, що у різних процесах регуляції, пов'язуються з ДНК лише у специфічних тканинах чи певних стадіях диференціації. Кожен білок комплементарний певній послідовності ДНК нуклеотидів (сайт ДНК). До цієї групи відносять:

• сімейство сайт-специфічних білків типу "цинкові пальці". Кожен "цинковий палець" дізнається певний сайт, що складається з 5 нуклеотидних пар.
• сімейство сайт-специфічних білків - гомодімери. Фрагмент такого білка, який контактує з ДНК, має структуру "спіраль-поворот-спіраль".
• білки високої рухливості (HMG-білки – від англ, high mobility gel proteins) – група структурних та регуляторних білків, які постійно асоційовані з хроматином. Вони мають молекулярну масу менше 30 кД та характеризуються високим вмістом заряджених амінокислот. Завдяки невеликій молекулярній масі HMG-білки мають високу рухливість при електрофорезі в поліакриламідному гелі.
• ферменти реплікації, транскрипції та репарації.

За участю структурних, регуляторних білків та ферментів, що беруть участь у синтезі ДНК та РНК, нитка нуклеосом перетворюється на висококонденсований комплекс білків та ДНК. Утворена структура в 10 000 разів коротша за вихідну молекулу ДНК.

Хроматин

Хроматин – це комплекс білків з ядерною ДНК та неорганічними речовинами. Основна частина хроматину неактивна. Вона містить щільно упаковану, конденсовану ДНК. Це гетерохроматин. Розрізняють конститутивний, генетично неактивний хроматин (сателітна ДНК), що складається з неекспресованих областей, і факультативний - неактивний у ряді поколінь, але за певних обставин здатний еспресувати.

Активний хроматин (еухроматин) неконденсований, тобто. упакований менш щільно. У різних клітинах його вміст становить від 2 до 11%. У клітинах головного мозку його найбільше – 10-11%, у клітинах печінки – 3-4 та нирок – 2-3%. Зазначається активна транскрипція еухроматину. При цьому його структурна організація дозволяє використовувати ту саму генетичну інформацію ДНК, властиву даному виду організму, по-різному в спеціалізованих клітинах.

В електронному мікроскопі зображення хроматину нагадує намисто: кулясті потовщення розміром близько 10 нм, розділені ниткоподібними перемичками. Ці кулясті потовщення названі нуклеосомами. Нуклеосома є структурною одиницею хроматину. Кожна нуклеосома містить надспіральний сегмент ДНК довжиною 146 пар нуклеотидів, намотаний з утворенням 1,75 лівих витків на нуклеосомний кор. Нуклеосомний кор - це гістоновий октамер, що складається з гістонів Н2А, Н2В, Н3 і Н4 по дві молекули кожного виду (рис. 9), який виглядає як диск діаметром 11 нм і товщиною 5,7 нм. П'ятий гістон, Н1, не входить до складу нуклеосомного кору і не бере участі в процесі намотування ДНК на гістоновий октамер. Він контактує з ДНК у тих місцях, де подвійна спіраль входить та виходить із нуклеосомного кора. Це міжкорові (лінкерні) ділянки ДНК, довжина яких залежить від типу клітин від 40 до 50 нуклеотидних пар. Внаслідок цього варіює і довжина фрагмента ДНК, що входить до складу нуклеосом (від 186 до 196 нуклеотидних пар).

До складу нуклеосом входить приблизно 90% ДНК, решта її припадає на лінкер. Вважається, що нуклеосоми - це фрагменти "хроматину, що мовчить", а лінкер - активного. Однак нуклеосоми можуть розгортатися та переходити в лінійну форму. Розгорнуті нуклеосоми є активним хроматином. Так наочно проявляється залежність функції структури. Можна вважати, що чим більше хроматину знаходиться у складі глобулярних нуклеосів, тим менш він активний. Очевидно, в різних клітинах неоднакова частка хроматину, що покоїться, пов'язана з кількістю таких нуклеосом.

На електронно-мікроскопічних фотографіях залежно від умов виділення та ступеня розтягування хроматин може виглядати не тільки як довга нитка з потовщеннями - "намистинками" нуклеосом, але і як більш коротка і щільніша фібрила (волокно) діаметром 30 нм, утворення якої спостерігається при взаємодії гістону Н1, пов'язаного з лінкерною ділянкою ДНК та гістону Н3, що призводить до додаткового скручування спіралі з шести нуклеосом на виток з утворенням соленоїду діаметром 30 нм. При цьому гістоновий білок може перешкоджати транскрипції ряду генів і таким чином регулювати їхню активність.

В результаті описаних вище взаємодій ДНК з гістонами сегмент подвійної спіралі ДНК із 186 пар основ із середнім діаметром 2 нм і довжиною 57 нм перетворюється на спіраль діаметром 10 нм та довжиною 5 нм. При подальшому стиску цієї спіралі до волокна діаметром 30 нм ступінь конденсації збільшується ще в шість разів.

Зрештою упаковка дуплексу ДНК із п'ятьма гістонами призводить до 50-кратної конденсації ДНК. Однак навіть такий високий ступінь конденсації не може пояснити майже 50 000 - 100 000-кратне ущільнення ДНК метафазної хромосомі. На жаль, деталі подальшої упаковки хроматину аж до метафазної хромосоми поки не відомі, тому можна розглядати лише загальні особливості цього процесу.

Рівні компактизації ДНК у хромосомах

Кожна молекула ДНК упакована в окрему хромосому. У диплоїдних клітинах людини міститься 46 хромосом, які знаходяться в ядрі клітини. Загальна довжина ДНК всіх хромосом клітини становить 1,74 м, проте діаметр ядра, в яке упаковані хромосоми, в мільйони разів менше. Таке компактне укладання ДНК у хромосомах і хромосом в ядрі клітини забезпечується різноманітними, гістоновими та негістоновими білками, що взаємодіють у певній послідовності з ДНК (див вище). Компактизація ДНК у хромосомах дозволяє зменшити її лінійні розміри приблизно у 10 000 разів – умовно з 5 см до 5 мкм. Вирізняють кілька рівнів компактизації (рис. 10).

• подвійна спіраль ДНК - негативно заряджена молекула діаметром 2 нм та довжиною кілька см.
• нуклеосомний рівень- хроматин виглядає в електронному мікроскопі як ланцюжок "намистин" - нуклеосом - "на нитки". Нуклеосома - це універсальна структурна одиниця, яка виявляється як в еухроматині, так і в гетерохроматині, інтерфазному ядрі та метафазних хромосомах.

  Нуклеосомний рівень компактизації забезпечується спеціальними білками – гістонами. Вісім позитивно заряджених гістонових доменів утворюють кор (серцевину) нуклеосоми, на яку намотується негативно заряджена молекула ДНК. Це дає укорочення у 7 разів, при цьому діаметр збільшується з 2 до 11 нм.

• соленоїдний рівень

  Соленоїдний рівень організації хромосом характеризується скручуванням нуклеосомної нитки та утворенням з неї товстіших фібрил 20-35 нм у діаметрі - соленоїдів або супербідів. Крок соленоїда дорівнює 11 нм, однією виток припадає близько 6-10 нуклеосом. Соленоїдна упаковка вважається найбільш ймовірною, ніж супербідна, згідно з якою фібрила хроматину діаметром 20-35 нм є ланцюгом гранул, або супербідів, кожна з яких складається з восьми нуклеосом. На соленоїдному рівні лінійний розмір ДНК скорочується у 6-10 разів, діаметр збільшується до 30 нм.

• петльовий рівень

  Петльовий рівень забезпечується негістоновими сайт-специфічними ДНК-зв'язуючими білками, які розпізнають певні послідовності ДНК і зв'язуються з ними, утворюючи петлі приблизно по 30-300 тисяч пар основ. Петля забезпечує експресію генів, тобто. петля є не лише структурною, а й функціональною освітою. Укорочення цьому рівні відбувається у 20-30 раз. Діаметр зростає до 300 нм. Петлеподібні структури типу "лампових щіток" в земноводних ооцитах можна бачити на цитологічних препаратах. Ці петлі, мабуть, суперспіралізовані і є домени ДНК, відповідні, ймовірно, одиницям транскрипції та реплікації хроматину. Специфічні білки фіксують підстави петель і, можливо, деякі їхні внутрішні ділянки. Петлеподібна доменна організація сприяє укладанню хроматину в метафазних хромосомах у спіральні структури вищих порядків.

• доменний рівень

  Доменний рівень організації хромосом вивчений недостатньо. На цьому рівні відзначається утворення петлевих доменів - структур з ниток (фібрил) товщиною 25-30 нм, які містять 60% білка, 35% ДНК і 5% РНК, практично не видно у всіх фазах клітинного циклу за винятком мітозу і дещо безладно розподілені по клітинного ядра. Петлеподібні структури типу "лампових щіток" в земноводних ооцитах можна бачити на цитологічних препаратах.

  Петлеві домени своєю основою прикріплюються до внутрішньоядерного білкового матрикса в так званих вбудованих місцях прикріплення, що часто позначаються як MAR/SAR-послідовності (MAR, від англ. matrix associated region; SAR, від англ. пар основ, що характеризуються високим вмістом (>65%) А/Т пар нуклеотидів. Кожен домен, мабуть, має одну точку початку реплікації та функціонує як автономна надспіральна одиниця. Будь-який петельний домен містить безліч одиниць транскрипції, функціонування яких, ймовірно, координується - весь домен знаходиться або в активному або неактивному стані.

  На доменному рівні в результаті послідовної упаковки хроматину відбувається зменшення лінійних розмірів ДНК приблизно в 200 разів (700 нм).

• хромосомний рівень

  На хромосомному рівні відбувається конденсація профазної хромосоми метафазну з ущільненням петельних доменів навколо осьового каркасу негістонових білків. Ця суперспіралізація супроводжується фосфорилюванням у клітині всіх молекул H1. В результаті метафазну хромосому можна зобразити у вигляді щільно покладених соленоїдних петель, згорнутих у тугу спіраль. Типова хромосома людини може містити до 2600 петель. Товщина такої структури сягає 1400 нм (дві хроматиди), а молекула ДНК у своїй укорочується в 104 раз, тобто. із 5 см розтягнутої ДНК до 5 мкм.

Функції хромосом

У взаємодії із позахромосомними механізмами хромосоми забезпечують

1. зберігання спадкової інформації
2. використання цієї інформації для створення та підтримки клітинної організації
3. регуляцію зчитування спадкової інформації
4. самоподвоєння генетичного матеріалу
5. передачу генетичного матеріалу від материнської клітини дочірнім.

Існують дані, що з активації ділянки хроматину, тобто. при транскрипції з нього оборотно видаляються спочатку гістон H1, а потім і октет гістонів. Це викликає деконденсацію хроматину, послідовний перехід 30-нанометрової фібрили хроматину в 10-нанометрову нитку та її подальше розгортання ділянки вільної ДНК, тобто. втрату нуклеосомної структури.

Всі ми знаємо, що образ людини, деякі звички і навіть захворювання передаються у спадок. Уся ця інформація про живу істоту закодована в генах. То як же ці горезвісні гени виглядають, як вони функціонують і де знаходяться?

Отже, носієм усіх генів будь-якої людини чи тварини є ДНК. Ця сполука була відкрита в 1869 році Йоганном Фрідріхом Мішером. Хімічно ДНК - це дезоксирибонуклеїнова кислота. Що це означає? Як ця кислота несе в собі генетичний код всього живого на нашій планеті?

Почнемо з того, що розглянемо, де міститься ДНК. У клітині людини є безліч органоїдів, які виконують різні функції. ДНК міститься в ядрі. Ядро – це невелика органела, яка оточена спеціальною мембраною, і в якій зберігається весь генетичний матеріал – ДНК.

Яка будова молекули ДНК?

Насамперед, розглянемо, що є ДНК. ДНК – це дуже довга молекула, що складається із структурних елементів – нуклеотидів. Є 4 види нуклеотидів – це аденін (А), тимін (Т), гуанін (Г) та цитозин (Ц). Ланцюжок нуклеотидів схематично виглядає так: ГГААТЦТААГ.… Ось така послідовність нуклеотидів і є ланцюжок ДНК.

Вперше структура ДНК була розшифрована в 1953 Джеймсом Вотсоном і Френсісом Криком.

В одній молекулі ДНК є два ланцюжки нуклеотидів, які спірально закручені навколо один одного. Які ж ці нуклеотидні ланцюжки тримаються поруч і закручуються в спіраль? Цей феномен обумовлений властивістю комплементарності. Комплементарність означає, що один навпроти одного у двох ланцюжках можуть бути лише певні нуклеотиди (комплементарні). Так, навпроти аденіну завжди стоїть тімін, а навпроти гуаніну завжди лише цитозин. Таким чином, гуанін комплементарний з цитозином, а аденін - з тиміном. Такі пари нуклеотидів, що стоять навпроти один одного в різних ланцюжках також називаються комплементарними.

Схематично можна зобразити так:

Г - Ц
Т - А
Т - А
Ц - Г

Ці комплементарні пари А - Т і Г - Ц утворюють хімічний зв'язок між нуклеотидами пари, причому зв'язок між Г і Ц більш міцний ніж між А і Т. Зв'язок утворюється строго між комплементарними основами, тобто утворення зв'язку між некомлементарними Г і А - неможливо.

«Упаковка» ДНК, як ланцюжок ДНК стає хромосомою?

Чому ж ці нуклеотидні ланцюжки ДНК ще й закручуються довкола один одного? Навіщо це потрібно? Справа в тому, що кількість нуклеотидів величезна і потрібно багато місця, щоб розмістити такі довгі ланцюжки. З цієї причини відбувається спіральне закручування двох ниток ДНК навколо одного. Дане явище зветься спіралізації. В результаті спіралізації ланцюжка ДНК коротшають у 5-6 разів.

Деякі молекули ДНК активно використовуються організмом, інші використовуються рідко. Такі молекули ДНК, що рідко використовуються, крім спіралізації піддається ще більш компактній «упаковці». Така компактна упаковка називається суперспіралізацією та вкорочує нитку ДНК у 25-30 разів!

Як відбувається упакування спіралей ДНК?

Для суперспіралізації використовуються гістонові білки, які мають вигляд та структуру стрижня або котушки для ниток. На ці «котушки» – гістонові білки намотуються спіралізовані нитки ДНК. Таким чином, довга нитка стає компактно упакованою і займає дуже мало місця.

При необхідності використовувати ту чи іншу молекулу ДНК відбувається процес «розкручування», тобто нитка ДНК «змотується» з «котушки» - гістонового білка (якщо була на неї накручена) і розкручується зі спіралі у два паралельні ланцюги. А коли молекула ДНК знаходиться в такому розкрученому стані, з неї можна вважати необхідну генетичну інформацію. Причому зчитування генетичної інформації відбувається лише з розкручених ниток ДНК!

Сукупність суперспіралізованих хромосом називається гетерохроматин, а хромосом, доступних для зчитування інформації – еухроматин.

Що таке гени, який їх зв'язок із ДНК?

Тепер давайте розглянемо, що таке гени. Відомо, що є гени, що визначають групу крові, колір очей, волосся, шкіри та безліч інших властивостей нашого організму. Ген – це строго певна ділянка ДНК, що складається з певної кількості нуклеотидів, розташованих у строго певній комбінації. Розташування в певному ділянці ДНК означає, що конкретному гену відведено його місце, і поміняти це місце неможливо. Доречно провести таке порівняння: людина живе на певній вулиці, у певному будинку та квартирі, і самовільно людина не може переселитися до іншого будинку, квартири чи іншої вулиці. Певна кількість нуклеотидів у гені означає, що кожен ген має певну кількість нуклеотидів і їх не може стати більше або менше. Наприклад, ген, що кодує вироблення інсуліну, складається з 60 пар нуклеотидів; ген, що кодує вироблення гормону окситоцину - з 370 пар нуклеотидів.

Сувора послідовність нуклеотидів є унікальною для кожного гена і чітко визначеною. Наприклад, послідовність ААТТААТА - це фрагмент гена, що кодує вироблення інсуліну. Щоб отримати інсулін, використовується саме така послідовність, для отримання, наприклад, адреналіну, використовується інша комбінація нуклеотидів. Важливо розуміти, що тільки певна комбінація нуклеотидів кодує певний продукт (адреналін, інсулін і т.д.). Така ось унікальна комбінація певної кількості нуклеотидів, яка стоїть на своєму місці - це і є ген.

Крім генів у ланцюзі ДНК розташовані, так звані «некодуючі послідовності». Такі послідовності нуклеотидів, що не кодують, регулюють роботу генів, допомагають спіралізації хромосом, відзначають точку початку і кінця гена. Однак, на сьогоднішній день, роль більшості послідовностей, що не кодують, залишається нез'ясованою.

Що таке хромосома? Статеві хромосоми

Сукупність генів індивіда називається геномом. Звичайно, весь геном неможливо укласти в одну ДНК. Геном розбито на 46 пар молекул ДНК. Одна пара молекул ДНК називається хромосомою. Так саме цих хромосом у людини є 46 штук. Кожна хромосома несе строго певний набір генів, наприклад, в 18 хромосомі закладені гени, що кодують колір очей і т.д. Хромосоми відрізняються один від одного за довжиною та формою. Найпоширеніші форми як Х чи Y, але є й інші. У людини є дві хромосоми однакової форми, які називаються парними (парами). У зв'язку з такими відмінностями всі парні хромосоми пронумеровані - їх є 23 пари. Це означає, що є пара хромосом №1, пара №2, №3 тощо. Кожен ген відповідальний за певний ознака перебуває у тому ж хромосомі. У сучасних посібниках для фахівців може вказуватися локалізація гена, наприклад, так: 22 хромосоми, довге плече.

У чому різниця хромосом?

Як ще відрізняються між собою хромосоми? Що означає термін довге плече? Візьмемо хромосоми форми Х. Перетин ниток ДНК може відбуватися строго посередині (Х), а може відбуватися і не центрально. Коли таке перетин ниток ДНК відбувається не центрально, то щодо точки перехреста одні кінці довші, інші, відповідно, коротші. Такі довгі кінці прийнято називати довгим плечем хромосоми, а короткі відповідно коротким плечем. У хромосом форми Y більшість займають довгі плечі, а короткі зовсім невеликі (на схематичному зображенні вони навіть не вказуються).

Розмір хромосом коливається: найбільшими є хромосоми пар №1 і №3, найменшими хромосоми пар №17, №19.

Крім форм і розмірів хромосоми розрізняються за функціями, що виконуються. З 23 пар, 22 пари є соматичними та 1 пара – статеві. Що це означає? Соматичні хромосоми визначають всі зовнішні ознаки індивіда, особливості його поведінкових реакцій, спадковий психотип, тобто всі риси та особливості кожної конкретної людини. А пара статевих хромосом визначає стать людини: чоловік чи жінка. Існує два різновиди статевих хромосом людини – це Х (ікс) та У (ігрек). Якщо вони поєднуються як ХХ (ікс – ікс) – це жінка, а якщо ХУ (ікс – ігрек) – перед нами чоловік.

Спадкові хвороби та пошкодження хромосом

Однак трапляються «поломки» геному, тоді у людей виявляються генетичні захворювання. Наприклад, коли в 21 парі хромосом замість двох присутні три хромосоми, людина народжується із синдромом Дауна.

Існує безліч дрібніших «поломок» генетичного матеріалу, які не ведуть до виникнення хвороби, а навпаки, надають добрих властивостей. Усі «поломки» генетичного матеріалу називаються мутаціями. Мутації, що ведуть до хвороб чи погіршення властивостей організму, вважають негативними, а мутації, які ведуть до утворення нових корисних властивостей, вважають позитивними.

Однак, стосовно більшості хвороб, якими сьогодні страждають люди, передається у спадок не захворювання, а лише схильність. Наприклад, у батька дитини цукор засвоюється повільно. Це не означає, що дитина народиться з цукровим діабетом, але у дитини буде схильність. Це означає, якщо дитина зловживатиме солодощами та борошняними виробами, то у нього розвинеться цукровий діабет.

На сьогоднішній день розвивається так звана предикативнамедицини. В рамках даної медичної практики у людини виявляються схильності (на основі виявлення відповідних генів), а потім їй даються рекомендації - якої дієти дотримуватися, як правильно чергувати режим праці та відпочинку, щоб не захворіти.

Як прочитати інформацію, закодовану в ДНК?

А як можна прочитати інформацію, що міститься в ДНК? Як використовує її власний організм? Сама ДНК є якоюсь матрицею, але не просту, а закодовану. Щоб прочитати інформацію з матриці ДНК, вона спочатку переноситься на спеціальний переносник – РНК. РНК – це хімічно рибонуклеїнова кислота. Відрізняється від ДНК тим, що може проходити через мембрану ядра в клітину, а ДНК позбавлена ​​такої здатності (вона може бути тільки в ядрі). Закодована інформація використовується в самій клітині. Отже, РНК це переносник кодованої інформації з ядра в клітину.

Як відбувається синтез РНК, як з допомогою РНК синтезується білок?

Нитки ДНК, з яких потрібно "рахувати" інформацію, розкручуються, до них підходить спеціальний фермент - "будівельник" і синтезує паралельно нитки ДНК комплементарний ланцюжок РНК. Молекула РНК також складається з 4 видів нуклеотидів – аденіну (А), урацилу (У), гуаніну (Г) та цитозину (Ц). У цьому комплементарними є такі пари: аденін – урацил, гуанін – цитозин. Як видно, на відміну від ДНК, у РНК використовується урацил замість тиміну. Тобто фермент-«будівельник» працює наступним чином: якщо в нитці ДНК він бачить А, то до нитки РНК приєднує У, якщо Г - то приєднує Ц і т.д. Таким чином, з кожного активного гена при транскрипції формується шаблон копія РНК, здатна проходити через мембрану ядра.

Як відбувається синтез білка, закодованого певним геном?

Залишивши ядро, РНК потрапляє до цитоплазми. Вже в цитоплазмі РНК може бути як матриця вбудована в спеціальні ферментні системи (рибосоми), які можуть синтезувати, керуючись інформацією РНК відповідну послідовність амінокислот білка. Як відомо, молекула білка складається з амінокислот. Як же рибосомі вдається дізнатися, яку саме амінокислоту треба приєднати до білкового ланцюга, що росте? Робиться це з урахуванням триплетного коду. Триплетний код означає, що послідовність три нуклеотиду ланцюжка РНК ( триплет,наприклад, ГГУ) кодують одну амінокислоту (у даному випадку гліцин). Кожну амінокислоту кодує певний триплет. І так, рибосома «прочитує» триплет, визначає яку амінокислоту треба приєднати наступною з зчитування інформації в РНК. Коли ланцюжок амінокислот сформований, він приймає певну просторову форму і стає білком, здатним здійснювати покладені на нього ферментні, будівельні, гормональні та інші функції.

Білок будь-якого живого організму є продуктом гена. Саме білками визначаються всі різноманітні властивості, якості та зовнішні прояви генів.

Абревіатура клітинної ДНК багатьом знайома зі шкільного курсу біології, але мало хто зможе легко відповісти, що це. Лише невиразне уявлення про спадковість і генетику залишається в пам'яті відразу після закінчення навчання. Знання, що таке ДНК, який вплив воно робить на наше життя, може виявитися дуже потрібним.

Молекула ДНК

Біохіміки виділяють три типи макромолекул: ДНК, РНК та білки. Дезоксирибонуклеїнова кислота – це біополімер, який несе відповідальність за передачу даних про спадкові риси, особливості та розвиток виду з покоління в покоління. Його мономером є нуклеотид. Що таке молекули ДНК? Це головний компонент хромосом та містить генетичний код.

Структура ДНК

Раніше вчені уявляли, що модель будови ДНК періодична, де повторюються однакові групи нуклеотидів (комбінацій молекул фосфату та цукру). Певна комбінація послідовності нуклеотидів надає можливість "кодувати" інформацію. Завдяки дослідженням з'ясувалося, що з різних організмів структура відрізняється.

Особливо відомі у вивченні питання, що таке ДНК американські вчені Александер Річ, Девід Дейвіс та Гері Фелзенфелд. Вони 1957 року представили опис нуклеїнової кислоти з трьох спіралей. Через 28 років, вчений Максим Давидович Франк-Каменіцький продемонстрував, як дезоксирибонуклеїнова кислота, яка складається з двох спіралей, складається з Н-подібної форми з 3 ниток.

Структура у дезоксирибонуклеїнової кислоти дволанцюжкова. У ній нуклеотиди попарно з'єднані у довгі полінуклеотидні ланцюги. Ці ланцюжки за допомогою водневих зв'язків уможливлюють утворення подвійної спіралі. Виняток – віруси, у яких одноланцюговий геном. Існують лінійні ДНК (деякі віруси, бактерії) та кільцеві (мітохондрії, хлоропласти).

Склад ДНК

Без знання, із чого складається ДНК, не було б жодного досягнення медицини. Кожен нуклеотид – це три частини: залишок цукру пентози, азотна основа, залишок фосфорної кислоти. Виходячи з особливостей сполуки, кислоти можуть називатися дезоксирибонуклеїновою або рибонуклеїновою. До складу ДНК входить величезна кількість мононуклеотидів із двох підстав: цитозин і тимін. Крім цього, вона містить похідні піримідинів, аденін та гуанін.

Є в біології визначення DNA – сміттєва ДНК. Функції її ще невідомі. Альтернативна версія назви – «некодуюча», що ні вірно, т.к. вона містить білки, що кодують, транспозони, але їх призначення теж таємниця. Одна з робочих гіпотез свідчить, що певна кількість цієї макромолекули сприяє структурної стабілізації геному щодо мутацій.

Де знаходиться

Розташування усередині клітини залежить від особливостей виду. У одноклітинних ДНК знаходиться у мембрані. В інших живих істот вона знаходиться в ядрі, пластидах і мітохондріях. Якщо говорити про людську ДНК, її називають хромосомою. Щоправда, це не зовсім так, адже хромосоми – це комплекс хроматину та дезоксирибонуклеїнової кислоти.

Роль у клітці

Основна роль ДНК у клітинах – передача спадкових генів та виживання майбутнього покоління. Від неї залежать не лише зовнішні дані майбутньої особини, а й її характер та здоров'я. Дезоксирибонуклеїнова кислота знаходиться в суперскрученому стані, але для якісного процесу життєдіяльності вона має бути розкрученою. З цим їй допомагають ферменти - топоізомерази та хелікази.

Топоізомерази відносяться до нуклеаз, вони здатні змінювати ступінь скрученості. Ще одна їх функція – участь у транскрипції та реплікації (розподілі клітин). Хелікази розривають водневі зв'язки між основами. Існують ферменти лігази, які порушені зв'язки «зшивають», та полімерази, які беруть участь у синтезі нових ланцюгів полінуклеотидів.

Як розшифровується ДНК

Ця абревіатура для біології є звичною. Повна назва ДНК-дезоксирибонуклеїнова кислота. Вимовити таке не кожному під силу з першого разу, тому часто в промові розшифрування ДНК опускається. Зустрічається ще поняття РНК – рибонуклеїнова кислота, що складається з послідовностей амінокислот у білках. Вони безпосередньо пов'язані, а РНК є другою за важливістю макромолекулою.

ДНК людини

Людські хромосоми всередині ядра розділені, що робить ДНК людини найстабільнішим, найповнішим носієм інформації. Під час генетичної рекомбінації спіралі поділяються, відбувається обмін ділянками, потім зв'язок відновлюється. За рахунок пошкодження ДНК утворюються нові комбінації та малюнки. Весь механізм сприяє природному добору. Досі невідомо, як довго вона відповідає за передачу геному, і якою є її еволюція метаболізму.

Хто відкрив

Перше відкриття структури ДНК приписують англійським біологам Джеймсу Вотсону та Френсісу Крику, які у 1953 році розкрили особливості будови молекули. Знайшов її в 1869 році швейцарський лікар Фрідріх Мішер. Він вивчав хімічний склад тварин клітин за допомогою лейкоцитів, які масово накопичуються у гнійних ураженнях.

Мішер займався вивченням способів відмивання лейкоцитів, виділяв білки, коли виявив, що крім них є ще щось. На дні посуду під час обробки утворився осад із пластівців. Вивчивши ці відкладення під мікроскопом, молодий лікар виявив ядра, які залишалися після обробки соляною кислотою. Там містилося з'єднання, яке Фрідріх назвав нуклеїном (від лат. Nucleus – ядро).

Молекула ДНК і двох ниток, що утворюють подвійну спіраль. Вперше її структура була розшифрована Френсісом Криком та Джеймсом Вотсоном у 1953 році.

Спочатку молекула ДНК, що складається з пари нуклеотидних, закручених один навколо одного ланцюжків, породжувала питання, чому саме таку форму вона має. Вчені назвали цей феномен комплементарністю, що означає, що в її нитках один навпроти одного можуть бути виключно певні нуклеотиди. Наприклад, навпроти тиміну завжди стоїть аденін, а навпроти цитозину – гуанін. Ці нуклеотиди молекули ДНК називаються комплементарними.

Схематично це зображується так:

Т - А

Ц - Г

Дані пари утворюють хімічний нуклеотидний зв'язок, який визначає порядок розміщення амінокислот. У першому випадку вона трохи слабша. Зв'язок між Ц і Р міцніший. Некомплементарні нуклеотиди між собою не утворюють пари.

Про будову

Отже, будова молекули ДНК особлива. Таку форму вона має недарма: річ у тому, що кількість нуклеотидів дуже велика, і для розміщення довгих ланцюжків потрібно багато місця. Саме з цієї причини ланцюжкам притаманне спіральне закручування. Це явище названо спіралізацією, воно дозволяє ниткам коротшати десь у п'ять-шість разів.

Деякі молекули такого плану організм використовує дуже активно, інші рідко. Останні, крім спіралізації, піддаються ще й такому «компактному пакуванню», як суперспіралізація. І тоді довжина молекули ДНК зменшується у 25-30 разів.

Що таке «упакування» молекули?

У процесі суперспіралізації застосовуються гістонові білки. Вони мають структуру та вигляд котушки для ниток або стрижня. Там і намотуються спіралізовані нитки, які стають відразу «компактно упакованими» і займають мало місця. Коли виникає необхідність використання тієї чи іншої нитки, вона змотується з котушки, наприклад, гістонового білка, і спіраль розкручується в два паралельні ланцюжки. Коли молекула ДНК перебуває саме в такому стані, можна зчитувати з неї необхідні генетичні дані. Однак є одна умова. Отримання інформації можливе тільки якщо структура молекули ДНК має розкручений вигляд. Хромосоми, доступні для зчитування, називаються эухроматинами, і якщо вони суперсипіралізовані, це вже гетерохроматини.

Нуклеїнові кислоти

Нуклеїнові кислоти, як і білки, є біополімерами. Головна функція – це зберігання, реалізація та передача спадкової (генетичної інформації). Вони бувають двох типів: ДНК та РНК (дезоксирибонуклеїнові та рибонуклеїнові). Мономерами в них виступають нуклеотиди, кожен з яких має у своєму складі залишок фосфорної кислоти, п'ятивуглецевий цукор (дезоксирибоза/рибоза) та азотисту основу. У ДНК код входить 4 види нуклеотидів - аденін (А) / гуанін (Г) / цитозин (Ц) / тимін (Т). Вони відрізняються по азотистому підставі, що міститься в їх складі.

У молекулі ДНК кількість нуклеотидів може бути величезною - від кількох тисяч до десятків та сотень мільйонів. Розглянути такі гігантські молекули можна за допомогою електронного мікроскопа. У цьому випадку вдасться побачити подвійне коло з полінуклеотидних ниток, які з'єднані між собою водневими зв'язками азотистих основ нуклеотидів.

Дослідження

У ході досліджень вчені виявили, що види молекул ДНК у різних живих організмів відрізняються. Також було встановлено, що гуанін одного ланцюга може зв'язуватися тільки з цитозином, а тимін - з аденіном. Розташування нуклеотидів одного ланцюга суворо відповідає паралельному. Завдяки такій комплементарності полінуклеотидів молекула ДНК здатна до подвоєння та самовідтворення. Але спочатку комплементарні ланцюги під впливом спеціальних ферментів, що руйнують парні нуклеотиди, розходяться, а потім у кожній з них починається синтез недостатнього ланцюга. Це відбувається за рахунок наявних у великій кількості в кожній клітині вільних нуклеотидів. В результаті цього замість «материнської молекули» формуються дві «дочірні», ідентичні за складом та структурою, і ДНК-код стає вихідним. Цей процес є попередником клітинного поділу. Він забезпечує передачу всіх спадкових даних від материнських клітин дочірнім, а також усім наступним поколінням.

Як читається генний код?

Сьогодні обчислюється як маса молекули ДНК - можна дізнатися і складніші, раніше не доступні вченим дані. Наприклад, можна прочитати інформацію про те, як організм використовує власну клітину. Звичайно, спочатку ці дані знаходяться в закодованому вигляді і мають вигляд певної матриці, а тому її потрібно транспортувати на спеціальний носій, яким виступає РНК. Рибонуклеїновій кислоті під силу проникати в клітину через мембрану ядра і вже всередині зчитувати закодовану інформацію. Таким чином, РНК - це переносник прихованих даних з ядра в клітину, і вона відрізняється від ДНК тим, що до її складу замість дезоксирибози входить рибоза, а замість тиміну - урацил. Крім того, РНК одноланцюгова.

Синтез РНК

Глибокий аналіз ДНК показав, що після того, як РНК залишає ядро, вона потрапляє в цитоплазму, де і може бути вбудована як матриця в рибосоми (спеціальні ферментні системи). Керуючись отриманою інформацією, вони можуть синтезувати послідовність білкових амінокислот. Про те, який саме різновид органічної сполуки необхідно приєднати до білкового ланцюга, що формується, рибосома дізнається з триплетного коду. Кожній амінокислоті відповідає свій певний триплет, який її кодує.

Після того як формування ланцюжка завершено, вона набуває конкретної просторової форми і перетворюється на білок, здатний здійснювати свої гормональні, будівельні, ферментні та інші функції. Для будь-якого організму він є генним продуктом. Саме з нього визначаються всілякі якості, властивості та прояви генів.

Гени

Насамперед процеси секвенування розроблялися з метою отримання інформації про те, скільки генів має структура молекули ДНК. І, хоча дослідження дозволили вченим далеко просунутися в цьому питанні, дізнатися точну їх кількість поки що неможливо.

Ще кілька років тому передбачалося, що молекули ДНК містять приблизно 100 тис. генів. Трохи згодом цифра зменшилася до 80 тисяч, а в 1998 р. генетиками було заявлено, що в одній ДНК є тільки 50 тисяч генів, які є лише 3% всієї довжини ДНК. Але вразили останні висновки генетиків. Тепер вони стверджують, що геном входить 25-40 тисяч згаданих одиниць. Виходить, що за кодування білків відповідає лише 1,5% хромосомної ДНК.

У цьому дослідження не припинилися. Паралельна команда фахівців генної інженерії встановила, що чисельність генів в одній молекулі становить 32 тисячі. Як бачите, отримати остаточну відповідь поки що неможливо. Занадто багато суперечностей. Усі дослідники спираються лише з свої отримані результати.

Чи було еволюціонування?

Незважаючи на те, що немає жодних доказів еволюції молекули (оскільки будова молекули ДНК крихка і має малий розмір), все ж таки вченими було висловлено одне припущення. Виходячи з лабораторних даних, вони озвучили версію наступного змісту: молекула на початковому етапі своєї появи мала вигляд простого самовідтворюваного пептиду, до складу якого входило до 32 амінокислот, що містяться в древніх океанах.

Після самореплікації завдяки силам природного відбору у молекул з'явилася здатність захищати себе від впливу зовнішніх елементів. Вони стали довше жити та відтворюватися у великих кількостях. Молекули, що знайшли себе у ліпідному міхурі, отримали всі шанси для відтворення. В результаті низки послідовних циклів ліпідні бульбашки набули форми клітинних мембран, а вже далі - всім відомих частинок. Слід зазначити, що сьогодні будь-яка ділянка молекули ДНК є складною і чітко функціонуючою структурою, всі особливості якої вченими до кінця ще не вивчені.

Сучасний світ

Нещодавно вчені з Ізраїлю розробили комп'ютер, якому під силу виконувати трильйони операцій на секунду. Сьогодні це найшвидша машина Землі. Весь секрет у тому, що інноваційний пристрій функціонує від ДНК. Професори кажуть, що у найближчій перспективі такі комп'ютери зможуть навіть виробляти енергію.

Фахівці з інституту Вейцмана в Реховоті (Ізраїль) рік тому заявили про створення програмованої молекулярної обчислювальної машини, що складається з молекул та ферментів. Ними вони замінили мікрочіпи із кремнію. На цей час команда ще просунулася вперед. Тепер забезпечити комп'ютер необхідними даними та надати потрібне паливо може лише одна молекула ДНК.

Біохімічні «нанокомп'ютери» - це не вигадка, вони вже існують у природі і виявлені в кожній живій істоті. Але часто вони не керуються людьми. Людина поки що не може оперувати геном якоїсь рослини, щоб розрахувати, скажімо, число «Пі».

Ідея про використання ДНК для зберігання/обробки даних уперше відвідала світлі голови вчених у 1994 році. Саме тоді для вирішення простого математичного завдання було задіяно молекулу. З того моменту низка дослідницьких груп запропонувала різні проекти, що стосуються ДНК-комп'ютерів. Але тут усі спроби ґрунтувалися лише на енергетичній молекулі. Неозброєним оком такий комп'ютер не побачиш, він має вигляд прозорого розчину води в пробірці. У ньому немає жодних механічних деталей, а лише трильйони біомолекулярних пристроїв – і це лише в одній краплі рідини!

ДНК людини

Який вигляд має ДНК людини, людям стало відомо в 1953 році, коли вчені вперше змогли продемонструвати світу дволанцюгову модель ДНК. За це Кірк і Вотсон отримали Нобелівську премію, оскільки це відкриття стало фундаментальним у 20 столітті.

Згодом, звичайно, довели, що не тільки так, як у запропонованому варіанті, може виглядати структурована молекула людини. Провівши більш детальний аналіз ДНК, відкрили А-, В-і лівозакручену форму Z-. Форма А-часто є винятком, тому що утворюється лише в тому випадку, якщо спостерігається недостатність вологи. Але це можливо хіба що за лабораторних досліджень, для природного середовища це аномально, в живій клітині такий процес відбуватися не може.

Форма В- є класичною і відома як подвійний правозакручений ланцюг, а ось форма Z- не тільки закручена у зворотному напрямку, вліво, але також має більш зигзагоподібний вигляд. Вченими виділено ще й форму G-квадруплекс. У її структурі не 2, а 4 нитки. На думку генетиків, виникає така форма на тих ділянках, де є надмірна кількість гуаніну.

Штучна ДНК

Сьогодні вже існує штучна ДНК, яка є ідентичною справжньою копією; вона ідеально повторює структуру природної подвійної спіралі. Але, на відміну від первозданного полінуклеотиду, у штучному - лише два додаткові нуклеотиди.

Оскільки дубляж створювався з урахуванням інформації, отриманої під час різних досліджень цієї ДНК, він також може копіюватися, самовідтворюватися і еволюціонувати. Над створенням такої штучної молекули спеціалісти працювали близько 20 років. В результаті вийшов дивовижний винахід, який може користуватися генетичним кодом так само, як і природна ДНК.

До чотирьох наявних азотистих основ генетики додали додаткові дві, які створили методом хімічної модифікації природних основ. На відміну від природної, штучна ДНК вийшла досить короткою. Вона містить лише 81 пару підстав. Проте вона також розмножується та еволюціонує.

Реплікація молекули, отриманої штучним шляхом, має місце завдяки полімеразної ланцюгової реакції, але поки що це відбувається не самостійно, а через втручання вчених. У згадану ДНК вони самостійно додають необхідні ферменти, поміщаючи її у спеціально підготовлене рідке середовище.

Кінцевий результат

На процес і кінцевий результат розвитку ДНК можуть проводити різні чинники, наприклад мутації. Це зумовлює обов'язкове вивчення зразків матерії, щоб результат аналізів був достовірним та надійним. Як приклад можна навести тест на батьківство. Але не може не тішити, що такі казуси, як мутація, трапляються рідко. Проте зразки матерії завжди перевіряють ще раз, щоб на основі аналізу отримати більш точну інформацію.

ДНК рослин

Завдяки високим технологіям секвенування (HTS) здійснена революція і в галузі геноміки - виділення ДНК із рослин також можливе. Звичайно, одержання з рослинного матеріалу молекулярної маси ДНК високої якості викликає деякі труднощі, зумовлені великою кількістю копій мітохондрій та хлоропластів ДНК, а також високим рівнем полісахаридів та фенольних сполук. Для виділення аналізованої нами структури в цьому випадку задіяні різні методи.

Водневий зв'язок у ДНК

За водневий зв'язок молекулі ДНК відповідає електромагнітне тяжіння, створюване між позитивно зарядженим атомом водню, який приєднаний до електронегативного атома. Ця дипольна взаємодія не підпадає під критерій хімічного зв'язку. Але може здійснитися міжмолекулярно чи різних частинах молекули, т. е. внутримолекулярно.

Атом водню приєднується до електронегативного атома, що є донором цього зв'язку. Електронегативним атомом може бути азот, фтор, кисень. Він – шляхом децентралізації – приваблює до себе електронну хмару з водневого ядра і робить атом водню зарядженим (частково) позитивно. Оскільки розмір Н невеликий, проти іншими молекулами і атомами, заряд виходить також малим.

Розшифрування ДНК

Перш ніж розшифрувати молекулу ДНК, вчені спочатку беруть величезну кількість клітин. Для найточнішої та найуспішнішої роботи їх необхідно близько мільйона. Отримані у процесі вивчення результати постійно порівнюють та фіксують. Сьогодні розшифрування геному – це вже не рідкість, а доступна процедура.

Звичайно, розшифровувати геном однієї клітини – це недоцільне заняття. Отримані в ході таких досліджень дані для вчених не становлять жодного інтересу. Але важливо розуміти, що всі існуючі на даний момент методи декодування, незважаючи на їхню складність, недостатньо ефективні. Вони дозволять зчитувати лише 40-70% ДНК.

Однак гарвардські професори нещодавно заявили про спосіб, завдяки якому можна розшифрувати 90% геному. Методика заснована на додаванні до виділених клітин молекул-праймерів, за допомогою них починається реплікація ДНК. Але навіть цей метод не можна вважати успішним, його ще потрібно доопрацювати, перш ніж відкрито використовувати в науці.