Молекули на нуклеинова киселинаВсички видове живи организми са дълги, неразклонени полимери на мононуклеотиди. Ролята на мост между нуклеотидите се изпълнява от 3,5"-фосфодиестерна връзка, свързваща 5"-фосфата на един нуклеотид и 3"-хидроксилния остатък на рибоза (или дезоксирибоза) на следващия. В тази връзка полинуклеотидната верига се оказва полярна. 5"-фосфатната група остава свободна в единия край, а 3"-ОН групата в другия.
ДНК е като протеините, има първична, вторична и третична структура.
Първична структура на ДНК . Тази структура определя информацията, кодирана в нея, представляваща последователност от редуващи се дезоксирибонуклеотиди в полинуклеотидна верига.
ДНК молекулата се състои от две спиралис една и съща ос и противоположни посоки. Захарно-фосфатният скелет е разположен по периферията на двойната спирала, а азотните бази са разположени вътре. Скелетът съдържа ковалентни фосфодиестерни връзки, и двете спирали са свързани между базите водородни връзки и хидрофобни взаимодействия.
Тези връзки са открити и изследвани за първи път от Е. Чаргаф през 1945 г. и са наречени принцип на допълване, и се наричат характеристиките на образуването на водородни връзки между базите Правилата на Чаргаф:
- пуринова основа винаги се свързва с пиримидинова база: аденин - с тимин (A®T), гуанин - с цитозин (G®C);
- моларното съотношение на аденин към тимин и гуанин към цитозин е 1 (A=T, или A/T=1 и G=C, или G/C=1);
- сумата от остатъци A и G е равна на сумата от остатъци T и C, т.е. A+G=T+C;
- в ДНК, изолирана от различни източници, съотношението (G+C)/(A+T), наречено коефициент на специфичност, не е еднакво.
Правилата на Chargaff се основават на факта, че аденинът образува две връзки с тимина, а гуанинът образува три връзки с цитозина:
Въз основа на правилата на Чаргаф можем да си представим двуверижната структура на ДНК, която е показана на фигурата.
А-форма Б-форма
А-аденин, G-гуанин, С-цитозин, Т-тимин
Схематично представяне на двойна спирала
ДНК молекули
Вторична структура на ДНК . В съответствие с модела, предложен през 1953 г. от Дж. Уотсън и Ф. Крик, вторичната структура на ДНК е двуверижна дясна спиралаот антипаралелни полинуклеотидни вериги, комплементарни една на друга.
За вторичната структура на ДНК решаващи са две структурни особености на азотните бази на нуклеотидите. Първият е наличието на групи, способни да образуват водородни връзки. Втората характеристика е, че двойките се допълват бази A-Tи G-C се оказват идентични не само по размер, но и по форма.
Благодарение на способността на нуклеотидите да се сдвояват, се образува твърда, добре стабилизирана двойноверижна структура. Основните елементи и параметричните характеристики на такава структура са ясно изобразени на фигурата.
Въз основа на задълбочен анализ на рентгенови дифракционни модели на изолирана ДНК е установено, че двойната спирала на ДНК може да съществува в няколко форми (A, B, C, Z и др.). Тези форми на ДНК се различават по диаметъра и стъпката на спиралата, броя на базовите двойки в един завой и ъгъла на наклон на равнината на базите спрямо оста на молекулата.
Третична структура на ДНК. Във всички живи организми двуверижните ДНК молекули са плътно опаковани, за да се образуват сложни триизмерни структури.Образува се двойноверижна прокариотна ДНК, имаща кръгова ковалентно затворена форма леви (-) супербобини. Третичната структура на ДНК в еукариотните клетки също се формира чрез супернавиване, но не на свободна ДНК, а на нейните комплекси с хромозомни протеини (хистонови протеини от класове H1, H2, H3, H4 и H5).
В пространствената организация на хромозомите могат да се разграничат няколко нива. Първо ниво– нуклеозомни. В резултат на нуклеозомната организация на хроматина, двойна спирала на ДНК с диаметър 2 nm придобива диаметър 10-11 nm и се скъсява приблизително 7 пъти.
Второ нивоПространствената организация на хромозомите е образуването на хроматинова фибрила с диаметър 20-30 nm от нуклеозомната нишка (намаляване на линейните размери на ДНК с още 6-7 пъти).
Висше нивоорганизацията на хромозомите се дължи на сгъването на хроматиновите фибрили в бримки. Нехистоновите протеини участват в образуването на бримки. ДНК секцията, съответстваща на една бримка, съдържа от 20 000 до 80 000 нуклеотидни двойки. В резултат на такова опаковане линейните размери на ДНК се намаляват приблизително 200 пъти. Подобната на бримка доменна организация на ДНК, наречена интерфазна хромонема, може да претърпи допълнително уплътняване, чиято степен варира в зависимост от фазата на клетъчния цикъл.
Английските учени Дж. Уотсън и Ф. Крик (1953) предлагат пространствен модел на молекулата на ДНК. Според този модел макромолекулата е спирала, състояща се от две полинуклеотидни вериги, усукани около обща ос. Пуриновите и пиримидиновите бази са насочени към вътрешността на спиралата. Водородните връзки възникват между пуриновата основа на едната верига и пиримидиновата основа на другата. Тези бази образуват допълващи се двойки:
A=T (свързани с две Н-връзки), GC (три Н-връзки).
По този начин вторичната структура на ДНК е двойна спирала, образувана поради Н-връзки между комплементарни двойки хетероциклични бази и ван дер Ваалсови сили между азотни бази.
Водородните връзки се образуват между – NH групата на една база и
, както и между амидни и имидни азотни атомиН-връзките стабилизират двойната спирала.
Верижно допълване – химическа основа основни функцииДНК – съхранение и предаване на наследствени характеристики. ДНК съдържа само четири бази (A, G, C, T). Кодиращата единица за всяка протеинова аминокиселина е триплет (код на три бази). Част от ДНК молекула, съдържаща в своята нуклеотидна последователност информация за последователността на аминокиселинните единици в протеина, който се синтезира, се нарича ген. Макромолекулата на ДНК съдържа много гени.
Въпреки това нуклеотидна последователностДНК под влияние различни факториможе да претърпи промени т.нар мутации. Най-често срещаният тип мутация е замяната на базова двойка с друга. Причината е промяна в тавтомерното равновесие. Например, замяна на обичайната T-A двойка с двойка T-G. С натрупването на мутации броят на грешките в биосинтезата на протеините се увеличава. Втората причина за появата на мутация са химичните фактори, както и различни видоверадиация. Мутации под влияние химични съединенияимат голяма стойностконтрол на наследствеността с цел нейното подобряване - селекция на земеделски култури, създаване на щамове микроорганизми, произвеждащи антибиотици, витамини, фуражни дрожди.
Макромолекулата на РНК, като правило, е единична полипептидна верига, която приема различни пространствени форми, включително спирални.
ДНК молекулите са разположени в ядрата на клетките, а протеиновият синтез се извършва в цитоплазмата на рибозомите с участието на РНК, която копира генетична информация, пренася я до мястото на протеинов синтез и участва в процеса на протеинов синтез.
Нуклеотидите са от голямо значение не само като строителен материалза НК. Те участват в биохимични процеси, например в клетъчния енергиен метаболизъм (АТФ), прехвърлянето на фосфатни групи, в окислително-възстановителните реакции и др.
Напредъкът в изучаването на структурата на НК и техните функции доведе до развитието на нов клон на биологичната наука - генното инженерство, което прави възможно контролирането на вътреклетъчните процеси. Следователно има изключителни перспективи за решаване на проблеми в медицината (превенция и лечение на заболявания), индустрията (например биотехнология, основана на използването на нови микроорганизми, които благодарение на наличието на нови гени синтезират нови съединения) и др. Тези научни постиженияпоказват, че жизнените процеси на организмите се основават на реални химични процеси, протичащи в клетките на молекулярно ниво.
УотсънИ крещипоказа това ДНКсе състои от две полинуклеотидни вериги. Всяка верига е усукана в спирала надясно и двете са усукани заедно, тоест усукани надясно около една и съща ос, образувайки двойна спирала.
Веригите са антипаралелни, т.е. насочени навътре противоположни страни. Всяка верига на ДНКсе състои от захарно-фосфатен скелет, по протежение на който основите са разположени перпендикулярно на дългата ос на двойната спирала; Противоположните основи на две противоположни нишки на двойна спирала са свързани с водородни връзки.
Захарно-фосфатни гръбнаци две нишки с двойна спираласа ясно видими на пространствения ДНК модел. Разстоянието между захарно-фосфатните гръбнаци на двете вериги е постоянно и равно на разстоянието, заето от двойка бази, т.е. една пуринова и една пиримидинова. Два пурина биха заели твърде много място, а два пиримидина биха заели твърде малко място, за да запълнят празнините между двете вериги.
По оста на молекулата съседни базови двойки са разположени на разстояние 0,34 nm една от друга, което обяснява периодичността, открита в рентгеновите дифракционни модели. Пълен оборот на спиралатапредставлява 3,4 nm, т.е. 10 базови двойки. Няма ограничения по отношение на последователността на нуклеотидите в една верига, но поради правилото за сдвояване на основите тази последователност в едната верига определя последователността на нуклеотидите в другата верига. Затова казваме, че двете нишки на двойната спирала се допълват една на друга.
УотсънИ крещипубликува съобщение за вашият ДНК моделв списание "" през 1953 г., а през 1962 г. те, заедно с Морис Уилкинс, получават Нобелова награда за тази работа. През същата година Кендрю и Перуц получават Нобелова награда за работата си по определяне на триизмерната структура на протеините, също извършена чрез рентгенов дифракционен анализ. Розалинд Франклин, която почина от рак преди тези награди да бъдат присъдени, не беше включена като получател, тъй като Нобелова наградане е награден посмъртно.
За да се разпознае предложената структура като генетичен материал, беше необходимо да се покаже, че тя е способна: 1) да носи кодирана информация и 2) точно да възпроизвежда (репликира). Уотсън и Крик са били наясно, че техният модел отговаря на тези изисквания. В края на първия си документ те предпазливо отбелязват: „Не е убягнало от вниманието ни, че специфичното базово сдвояване, което постулирахме, веднага ни позволява да постулираме възможен механизъм за копиране на генетичен материал.“
Във втора статия, публикувана през 1953 г., те обсъждат генетичните последици от техния модел. Това откритие показа как изрична структураможе да се свърже с функция вече на молекулярно ниво, давайки мощен тласък на развитието на молекулярната биология.
Съкращението клетъчна ДНК е познато на мнозина от училищен курсбиология, но малцина могат лесно да отговорят какво представлява. Само неясна представа за наследствеността и генетиката остава в паметта веднага след дипломирането. Да знаем какво е ДНК и какво влияние има върху живота ни понякога може да бъде много необходимо.
ДНК молекула
Биохимиците разграничават три вида макромолекули: ДНК, РНК и протеини. Дезоксирибонуклеиновата киселина е биополимер, който е отговорен за предаването на данни за наследствените черти, характеристики и развитие на даден вид от поколение на поколение. Неговият мономер е нуклеотид. Какво представляват ДНК молекулите? Той е основният компонент на хромозомите и съдържа генетичния код.
ДНК структура
Преди това учените си представяха, че моделът на структурата на ДНК е периодичен, където се повтарят идентични групи от нуклеотиди (комбинации от фосфатни и захарни молекули). Определена комбинация от нуклеотидни последователности осигурява способността за „кодиране“ на информация. Благодарение на изследванията стана ясно, че структурата е различна при различните организми.
Американските учени Александър Рич, Дейвид Дейвис и Гари Фелсенфелд са особено известни в изучаването на въпроса какво е ДНК. Те представиха описание през 1957 г нуклеинова киселинаот три спирали. 28 години по-късно ученият Максим Давидович Франк-Каменицки демонстрира как дезоксирибонуклеиновата киселина, която се състои от две спирали, се сгъва в H-образна форма от 3 нишки.
Структурата на дезоксирибонуклеиновата киселина е двуверижна. В него нуклеотидите са свързани по двойки, за да образуват дълги полинуклеотидни вериги. Тези вериги правят възможно образуването на двойна спирала с помощта на водородни връзки. Изключение правят вирусите, които имат едноверижен геном. Има линейна ДНК (някои вируси, бактерии) и кръгова (митохондрии, хлоропласти).
Състав на ДНК
Без познаване на това от какво се състои ДНК, нямаше да има напредък в медицината. Всеки нуклеотид се състои от три части: остатък от пентозна захар, азотна основа и остатък от фосфорна киселина. Въз основа на характеристиките на съединението киселината може да се нарече дезоксирибонуклеинова или рибонуклеинова. ДНК съдържа огромен брой мононуклеотиди от две бази: цитозин и тимин. Освен това съдържа пиримидинови производни, аденин и гуанин.
В биологията има определение, наречено ДНК – нежелана ДНК. Функциите му все още не са известни. Алтернативна версияимена – „некодиращи“, което не е вярно, т.к съдържа кодиращи протеини и транспозони, но тяхната цел също е мистерия. Една от работните хипотези предполага, че определено количество от тази макромолекула допринася за структурната стабилизация на генома по отношение на мутациите.
Къде е
Местоположението вътре в клетката зависи от характеристиките на вида. При едноклетъчните организми ДНК се намира в мембраната. При други живи същества се намира в ядрото, пластидите и митохондриите. Ако говорим за човешка ДНК, тя се нарича хромозома. Вярно е, че това не е съвсем вярно, защото хромозомите са комплекс от хроматин и дезоксирибонуклеинова киселина.
Роля в клетката
Основната роля на ДНК в клетките е предаването на наследствени гени и оцеляването на бъдещото поколение. От това зависят не само външните данни на бъдещия индивид, но и неговият характер и здраве. Дезоксирибонуклеиновата киселина е в свръхнавито състояние, но за висококачествен жизнен процес тя трябва да бъде разплетена. За това й помагат ензимите – топоизомерази и хеликази.
Топоизомеразите са способни да променят степента на усукване. Друга тяхна функция е участието в транскрипцията и репликацията (клетъчното делене). Хеликазите разрушават водородните връзки между базите. Има лигазни ензими, които „напречно свързват” разкъсаните връзки и полимерази, които участват в синтеза на нови полинуклеотидни вериги.
Как се дешифрира ДНК
Това съкращение за биология е познато. Пълното име на ДНК е дезоксирибонуклеинова киселина. Не всеки може да каже това от първия път, така че декодирането на ДНК често се пропуска в речта. Съществува и концепцията за РНК - рибонуклеинова киселина, която се състои от аминокиселинни последователности в протеините. Те са пряко свързани и РНК е втората по важност макромолекула.
Човешка ДНК
Човешките хромозоми са разделени в ядрото, което прави човешката ДНК най-стабилният и пълен носител на информация. По време на генетичната рекомбинация спиралите се разделят, участъците се разменят и след това връзката се възстановява. Поради увреждане на ДНК се образуват нови комбинации и модели. Целият механизъм допринася естествен подбор. Все още не е известно колко време е отговорен за предаването на генома и каква е била метаболитната му еволюция.
Кой отвори
Първото откритие на структурата на ДНК се приписва на английските биолози Джеймс Уотсън и Франсис Крик, които през 1953 г. разкриват структурните особености на молекулата. Открит е от швейцарския лекар Фридрих Мишер през 1869 г. Той учи химически съставживотински клетки с помощта на левкоцити, които се натрупват масово в гнойни лезии.
Miescher изучаваше методи за измиване на бели кръвни клетки, изолирани протеини, когато откри, че има нещо друго освен тях. По време на обработката на дъното на съда се образува утайка от люспи. След като изследва тези отлагания под микроскоп, младият лекар открива ядра, останали след лечението солна киселина. В него се съдържало съединение, което Фридрих нарекъл нуклеин (от лат. nucleus - ядро).
Планът за раждане на човек е готов, когато репродуктивните клетки на майката и бащата се слеят в една. Тази формация се нарича зигота или оплодена яйцеклетка. Самият план за развитие на организма се съдържа в ДНК молекулата, разположена в ядрото на тази единична клетка. Именно в него са закодирани цветът на косата, височината, формата на носа и всичко останало, което прави човек индивидуален.
Разбира се, съдбата на човек зависи не само от молекулата, но и от много други фактори. Но гените, заложени при раждането, също влияят до голяма степен на съдбовния път. И те представляват последователност от нуклеотиди.
Всеки път, когато една клетка се дели, ДНК се удвоява. Следователно всяка клетка носи информация за структурата на целия организъм. Сякаш, когато се строи тухлена сграда, всяка тухла има архитектурен план за цялата конструкция. Гледате само една тухла и вече знаете от коя строителна структура е част.
Истинската структура на ДНК молекулата е демонстрирана за първи път от британския биолог Джон Гърдън през 1962 г. Той взе клетъчно ядро от червата на жаба и с помощта на микрохирургични техники го трансплантира в яйцеклетка на жаба. Освен това в това яйце собственото му ядро е било убито преди това чрез ултравиолетово облъчване.
От хибридното яйце израсна нормална жаба. Освен това той беше абсолютно идентичен с този, чието клетъчно ядро беше взето. Това бележи началото на ерата на клонирането. И първият успешен резултат от клонирането сред бозайниците беше овцата Доли. Тя живя 6 години и след това почина.
Самата природа обаче също създава двойници. Това се случва, когато след първото делене на зиготата две нови клетки не остават заедно, а се раздалечават и всяка произвежда свой собствен организъм. Така се раждат еднояйчни близнаци. Техните ДНК молекули са абсолютно еднакви, затова близнаците си приличат толкова много.
към неговия външен видДНК прилича на въжена стълба, усукана в дясна спирала. И се състои от полимерни вериги, всяка от които е образувана от 4 вида единици: аденин (A), гуанин (G), тимин (T) и цитозин (C).
Именно в тяхната последователност се съдържа генетичната програма на всеки жив организъм. Фигурата по-долу например показва нуклеотид Т. Неговият горен пръстен се нарича азотна основа, петчленният пръстен в долната част е захар, а отляво е фосфатна група.
Фигурата показва тиминов нуклеотид, който е част от ДНК. Останалите 3 нуклеотида имат подобна структура, но се различават по своята азотна основа. Горният десен пръстен е азотна основа. Долният петчленен пръстен е захар. Лява група PO - фосфат
Размери на ДНК молекула
Диаметърът на двойната спирала е 2 nm (nm е нанометър, равен на 10 -9 метра). Разстоянието между съседни базови двойки по спиралата е 0,34 nm. Двойната спирала прави пълен оборот на всеки 10 чифта. Но дължината зависи от организма, към който принадлежи молекулата. Най-простите вируси имат само няколко хиляди връзки. Бактериите имат няколко милиона от тях. А висшите организми имат милиарди от тях.
Ако разтегнете цялата ДНК, съдържаща се в една човешка клетка, ще получите нишка с дължина приблизително 2 m. Това показва, че дължината на нишката е милиарди пъти по-голяма от нейната дебелина. За да си представите по-добре размера на една ДНК молекула, можете да си представите, че нейната дебелина е 4 см, взета от една човешка клетка, може да опасва земното кълбо по екватора. В този мащаб човек ще съответства на размера на Земята, а клетъчното ядро ще нарасне до размера на стадион.
Правилен ли е моделът на Уотсън и Крик?
Като се има предвид структурата на ДНК молекулата, възниква въпросът как тя, имайки такава огромна дължина, се намира в ядрото. Тя трябва да лежи така, че да е достъпна по цялата си дължина за РНК полимераза, която чете желаните гени.
Как се извършва репликацията? В крайна сметка, след удвояване, двете допълващи се вериги трябва да се разделят. Това е доста трудно, тъй като веригите първоначално са усукани в спирала.
Такива въпроси първоначално породиха съмнения относно валидността на модела на Уотсън и Крик. Но този модел беше твърде специфичен и просто дразнеше специалистите със своята неприкосновеност. Затова всички се втурнаха да търсят недостатъци и противоречия.
Някои експерти предположиха, че ако злополучната молекула се състои от 2 полимерни вериги, свързани чрез слаби нековалентни връзки, тогава те трябва да се разминават при нагряване на разтвора, което може лесно да се провери експериментално.
Вторите специалисти се интересуват от азотни основи, които образуват водородни връзки помежду си. Това може да се провери чрез измерване на спектрите на молекулата в инфрачервената област.
Трети смятаха, че ако азотните бази наистина са скрити вътре в двойната спирала, тогава би било възможно да се установи дали молекулата е засегната от тези вещества, които могат да реагират само с тези скрити групи.
Проведени са много експерименти и в края на 50-те години на 20 век става ясно, че моделът, предложен от Уотсън и Крик, е издържал всички тестове. Опитите да се опровергае не успяха.
