Cząsteczka DNA: poziomy organizacji strukturalnej. Struktura cząsteczki dna

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

Kwasy nukleinowe to biopolimery dwóch odmian: kwasu rybonukleinowego (RNA) i kwasu dezoksyrybonukleinowego (DNA). Każdy biopolimer składa się z nukleotydów różniących się resztą węglowodanową (ryboza, deoksyryboza) i jedną z zasad azotowych (uracyl, tymina). W związku z tym kwasy nukleinowe mają swoją nazwę.

Struktura kwasu dezoksyrybonukleinowego

Kwasy nukleinowe mają strukturę pierwszorzędową, drugorzędową i trzeciorzędową.

Podstawowa struktura DNA

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

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

Liniowy łańcuch DNA, którego długość zależy od liczby nukleotydów wchodzących w skład łańcucha, ma dwa końce: jeden nazywany jest końcem 3” i zawiera wolny hydroksyl, a drugi, koniec 5” zawiera kwas fosforowy pozostałość. Obwód jest polarny i może mieć wymiary 5"->3" i 3"->5". Wyjątkiem jest kolisty DNA.

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

Polinukleodytowe łańcuchy DNA osiągają gigantyczne rozmiary, dlatego są w określony sposób upakowane w komórce.

Badając skład DNA, Chargaff (1949) ustalił istotne prawidłowości dotyczące zawartości poszczególnych zasad DNA. Pomogli odkryć drugorzędową strukturę DNA. Wzorce te nazywane są regułami Chargaffa.

Zasady Chargaffa

  1. suma nukleotydów purynowych jest równa sumie nukleotydów pirymidynowych, tj. A + G / C + T \u003d 1
  2. zawartość adeniny jest równa zawartości tyminy (A = T lub A / T = 1);
  3. zawartość guaniny jest równa zawartości cytozyny (G = C lub G/C = 1);
  4. liczba grup 6-aminowych jest równa liczbie grup 6-keto zasad zawartych w DNA: G + T = A + C;
  5. zmienna jest tylko suma A + T i G + C. Jeżeli A + T > G-C, to jest to DNA typu AT; jeśli G + C > A + T, to jest to DNA typu GC.

Zasady te mówią, że podczas budowania DNA należy zachować raczej ścisłą zgodność (parowanie) nie w przypadku zasad purynowych i pirymidynowych w ogóle, ale szczególnie tyminy z adeniną i cytozyny z guaniną.

Na podstawie tych zasad m.in. w 1953 roku Watson i Crick zaproponowali model drugorzędowej struktury DNA, zwany podwójną helisą (ryc.).

Struktura drugorzędowa DNA

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

Warunki wstępne tworzenia modelu DNA

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

Innym ważnym pośrednim wskazaniem możliwej struktury DNA były dane L. Paulinga dotyczące struktury cząsteczek białek. Pauling wykazał, że w cząsteczce białka możliwych jest kilka różnych stabilnych konfiguracji łańcucha aminokwasów. Jedna z powszechnych konfiguracji łańcucha peptydowego – α-helisa – jest regularną strukturą helikalną. Dzięki takiej strukturze możliwe jest tworzenie wiązań wodorowych pomiędzy aminokwasami znajdującymi się na sąsiednich zwojach łańcucha. Pauling opisał konfigurację α-helikalną łańcucha polipeptydowego w 1950 roku i zasugerował, że cząsteczki DNA prawdopodobnie również mają strukturę helikalną związaną wiązaniami wodorowymi.

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

Model DNA Watsona-Cricka

Na podstawie danych analitycznych Chargaffa, promieni rentgenowskich Wilkinsa i badań chemików, które dostarczyły informacji o dokładnych odległościach między atomami w cząsteczce, kątach między wiązaniami danego atomu oraz wielkości atomów, Watson i Crick zaczęli budować modele fizyczne poszczególnych składników cząsteczki DNA w określonej skali i „dopasowywać” je do siebie w taki sposób, aby powstały układ odpowiadał różnym danym eksperymentalnym [pokazywać] .

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

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

Podwójną helisę DNA można traktować jako spiralną drabinę linową, której szczeble pozostają poziome. Następnie dwie podłużne liny będą odpowiadać łańcuchom reszt cukrowych i fosforanowych, a poprzeczki będą odpowiadać parom zasad azotowych połączonych wiązaniami wodorowymi.

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

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

Układ zasad azotowych w łańcuchu DNA jest komplementarny (od greckiego „uzupełnienia” – addycja), tj. przeciw adeninie (A) jest zawsze tymina (T), a przeciw guaninie (G) - tylko cytozyna (C). Wyjaśnia to fakt, że A i T, a także G i C, ściśle sobie odpowiadają, tj. wzajemnie się uzupełniają. Zgodność tę wynika z budowy chemicznej zasad, która umożliwia tworzenie wiązań wodorowych w parze puryn i pirymidyny. Pomiędzy A i T znajdują się dwa wiązania, pomiędzy G i C - trzy. Wiązania te zapewniają częściową stabilizację cząsteczki DNA w przestrzeni. Stabilność podwójnej helisy jest wprost proporcjonalna do liczby wiązań G≡C, które są bardziej stabilne niż wiązania A=T.

Znana sekwencja nukleotydów w jednej nici DNA umożliwia, zgodnie z zasadą komplementarności, ustalenie nukleotydów drugiej nici.

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

Wiązania wodorowe pomiędzy komplementarnymi zasadami (poziomo) i interakcja układania pomiędzy płaszczyznami zasad w łańcuchu polinukleotydowym pod wpływem sił van der Waalsa (pionowo) zapewniają cząsteczce DNA dodatkową stabilizację w przestrzeni.

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

Funkcje DNA

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

Podstawowe funkcje DNA.

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

Formy organizacji dwuniciowego DNA

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

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

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

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

Początkowo uważano, że forma A DNA jest mniej istotna. Jednak później okazało się, że forma A DNA, podobnie jak forma B, ma ogromne znaczenie biologiczne. Helisa RNA-DNA w kompleksie matryca-nasienie ma formę A, podobnie jak helisa RNA-RNA i struktury typu spinki do włosów RNA (grupa 2'-hydroksylowa rybozy nie pozwala cząsteczkom RNA na utworzenie formy B) . Forma A DNA występuje w zarodnikach. Ustalono, że forma A DNA jest 10 razy bardziej odporna na działanie promieni UV niż forma B.

Formę A i formę B nazywa się kanonicznymi formami DNA.

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

Tabela 1. Charakterystyka niektórych typów struktur DNA
Typ spiralny A B Z
Skok spiralny 0,32 nm 3,38 nm 4,46 nm
Skręt spiralny Prawidłowy Prawidłowy Lewy
Liczba par zasad na turę 11 10 12
Odległość pomiędzy płaszczyznami bazowymi 0,256 nm0,338 nm0,371 nm
Konformacja wiązania glikozydowego antyantywybryk
syn-G
Konformacja pierścienia furanozowego C3” –endoC2” –endoC3” –endo-G
C2” –endo-C
Szerokość rowka, mała/duża 1,11/0,22 nm 0,57/1,17 nm0,2/0,88 nm
Głębokość rowka, mała/duża 0,26/1,30 nm 0,82/0,85 nm1,38/0,37 nm
Średnica spirali 2,3 nm 2,0 nm 1,8 nm

Elementy strukturalne DNA
(niekanoniczne struktury DNA)

Elementy strukturalne DNA obejmują niezwykłe struktury ograniczone pewnymi specjalnymi sekwencjami:

  1. Forma Z DNA - powstaje w miejscach formy B DNA, gdzie puryny występują na przemian z pirymidynami lub w powtórzeniach zawierających metylowaną cytozynę.
  2. Palindromy to sekwencje odwracane, odwrócone powtórzenia sekwencji zasad, posiadające symetrię drugiego rzędu w odniesieniu do dwóch nici DNA i tworzące „szpilki do włosów” i „krzyżyki”.
  3. Forma H DNA i potrójne helisy DNA powstają w obecności miejsca zawierającego tylko puryny w jednej nici normalnego dupleksu Watsona-Cricka, a w drugiej nici odpowiednio komplementarne do nich pirymidyny.
  4. G-kwadrupleks (G-4) to czteroniciowa helisa DNA, w której 4 zasady guaninowe z różnych nici tworzą kwartety G (G-tetrady), połączone wiązaniami wodorowymi, tworząc G-kwadrupleksy.

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

Naturalne cząsteczki DNA występują przeważnie w odpowiedniej formie B, chyba że zawierają sekwencje takie jak (CG)n. Jeśli jednak takie sekwencje są częścią DNA, to te regiony, gdy siła jonowa roztworu lub kationy neutralizujące ładunek ujemny na szkielecie fosfodiestrowym, mogą zmienić się w formę Z, podczas gdy inne regiony DNA w łańcuchu pozostają w klasyczna forma B. Możliwość takiego przejścia wskazuje, że dwie nici podwójnej helisy DNA znajdują się w stanie dynamicznym i mogą się względem siebie rozwijać, przechodząc z formy prawej do lewej i odwrotnie. Biologiczne konsekwencje tej labilności, która umożliwia transformacje konformacyjne struktury DNA, nie są jeszcze w pełni poznane. Uważa się, że regiony Z-DNA odgrywają rolę w regulacji ekspresji niektórych genów i biorą udział w rekombinacji genetycznej.

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

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

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

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

W przypadkach, gdy w tej samej nici DNA występuje odwrócone powtórzenie, taką sekwencję nazywa się powtórzeniem lustrzanym. Powtórzenia lustrzane nie mają właściwości samouzupełniających się i dlatego nie są w stanie tworzyć struktur typu spinka do włosów lub krzyża. Sekwencje tego typu występują w prawie wszystkich dużych cząsteczkach DNA i mogą mieć długość od kilku do kilku tysięcy par zasad.

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

Forma H DNA- jest to helisa zbudowana z trzech nici DNA - potrójna helisa DNA. Jest to kompleks podwójnej helisy Watsona-Cricka z trzecią jednoniciową nicią DNA, która wpasowuje się w jej duży rowek, tworząc tzw. parę Hoogsteena.

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

W dalszych badaniach ustalono możliwość strukturalnej przemiany niektórych dwuniciowych polinukleotydów homopurynowo-homopirymidynowych z utworzeniem struktury trójniciowej zawierającej:

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

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

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

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

    Uwaga: bezpośrednie i odwrotne oddziaływanie Hoogsteena tłumaczy się symetrią 1-metylotyminy: obrót o 180 ° prowadzi do tego, że miejsce atomu O4 zajmuje atom O2, podczas gdy układ wiązań wodorowych zostaje zachowany.

Istnieją dwa rodzaje potrójnych helis:

  1. równoległe potrójne helisy, w których polarność trzeciej nici jest taka sama jak łańcucha homopurynowego dupleksu Watsona-Cricka
  2. antyrównoległe potrójne helisy, w których polaryzacja trzeciego i homopurynowego łańcucha jest przeciwna.
Chemicznie homologiczne łańcuchy zarówno w tripleksach Py-Pu-Pu, jak i Py-Pu-Py są w orientacji antyrównoległej. Zostało to dodatkowo potwierdzone danymi ze spektroskopii NMR.

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

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

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

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

Najbardziej badane jest istnienie kwadrupleksów na końcach chromosomów – na telomerach i onkopromotorach. Jednak pełne zrozumienie lokalizacji takiego DNA w ludzkich chromosomach nadal nie jest znane.

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

  • Postać superskręcona - obserwowana po uwolnieniu z jądra komórkowego bez uszkodzenia szkieletu pentozo-fosforanowego. Ma postać superskręconych zamkniętych pierścieni. W stanie superskręconym podwójna helisa DNA jest przynajmniej raz „skręcona na siebie”, czyli zawiera co najmniej jeden superskręt (przybiera kształt ósemki).
  • Stan zrelaksowany DNA - obserwowany przy pojedynczym pęknięciu (pęknięciu jednej nici). W tym przypadku superskręty znikają, a DNA przybiera formę zamkniętego pierścienia.
  • Liniową formę DNA obserwuje się, gdy dwie nici podwójnej helisy zostaną zerwane.
Wszystkie trzy wymienione formy DNA można łatwo rozdzielić za pomocą elektroforezy żelowej.

Trzeciorzędowa struktura DNA

Trzeciorzędowa struktura DNA powstaje w wyniku dodatkowego skręcenia w przestrzeni cząsteczki dwuniciowej – jej superskręcenia. Superskręcenie cząsteczki DNA w komórkach eukariotycznych, w przeciwieństwie do prokariotów, odbywa się w postaci kompleksów z białkami.

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

Białka histonowe chromatyny

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

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

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

Niehistonowe białka chromatyny

Białka niehistonowe, w przeciwieństwie do histonów, są bardzo zróżnicowane. Wyizolowano do 590 różnych frakcji białek niehistonowych wiążących DNA. Nazywa się je również białkami kwasowymi, ponieważ w ich strukturze dominują aminokwasy kwasowe (są to polianiony). Specyficzna regulacja aktywności chromatyny jest związana z różnymi białkami niehistonowymi. Na przykład enzymy niezbędne do replikacji i ekspresji DNA mogą przejściowo wiązać się z chromatyną. Inne białka, jak mówią, zaangażowane w różne procesy regulacyjne, wiążą się z DNA tylko w określonych tkankach lub na określonych etapach różnicowania. Każde białko jest komplementarne do określonej sekwencji nukleotydów DNA (miejsca DNA). Ta grupa obejmuje:

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

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

Chromatyna

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

Aktywna chromatyna (euchromatyna) jest nieskondensowana, tj. zapakowane mniej ciasno. W różnych komórkach jego zawartość waha się od 2 do 11%. W komórkach mózgu jest go najwięcej – 10-11%, w komórkach wątroby – 3-4 i nerek – 2-3%. Istnieje aktywna transkrypcja euchromatyny. Jednocześnie jego struktura strukturalna umożliwia wykorzystanie tej samej informacji genetycznej DNA właściwej dla danego typu organizmu na różne sposoby w wyspecjalizowanych komórkach.

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

Nukleosom zawiera około 90% DNA, reszta to łącznik. Uważa się, że nukleosomy są fragmentami „cichej” chromatyny, podczas gdy łącznik jest aktywny. Jednakże nukleosomy mogą się rozwinąć i stać się liniowe. Rozwinięte nukleosomy są już aktywną chromatyną. To wyraźnie pokazuje zależność funkcji od konstrukcji. Można założyć, że im więcej chromatyny znajduje się w składzie nukleosomów kulistych, tym jest mniej aktywna. Oczywiście w różnych komórkach nierówna proporcja chromatyny spoczynkowej jest powiązana z liczbą takich nukleosomów.

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

W wyniku opisanych powyżej oddziaływań DNA z histonami odcinek podwójnej helisy DNA o długości 186 par zasad, o średniej średnicy 2 nm i długości 57 nm, zamienia się w helisę o średnicy 10 nm i długości o długości 5 nm. Przy późniejszym ściskaniu tej spirali do włókna o średnicy 30 nm stopień kondensacji wzrasta jeszcze sześciokrotnie.

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

Poziomy zagęszczenia DNA w chromosomach

Każda cząsteczka DNA jest upakowana w oddzielnym chromosomie. Diploidalne komórki ludzkie zawierają 46 chromosomów, które znajdują się w jądrze komórkowym. Całkowita długość DNA wszystkich chromosomów komórki wynosi 1,74 m, ale średnica jądra, w którym upakowane są chromosomy, jest miliony razy mniejsza. Takie zwarte upakowanie DNA w chromosomach i chromosomach w jądrze komórkowym jest zapewniane przez różnorodne białka histonowe i niehistonowe oddziałujące w określonej sekwencji z DNA (patrz wyżej). Zagęszczenie DNA w chromosomach umożliwia zmniejszenie jego wymiarów liniowych około 10 000 razy - warunkowo od 5 cm do 5 mikronów. Istnieje kilka poziomów zagęszczenia (ryc. 10).

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

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

  • poziom elektromagnesu

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

  • poziom pętli

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

  • poziom domeny

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

    Domeny pętlowe są przyłączone swoją zasadą do wewnątrzjądrowej macierzy białkowej w tzw. wbudowanych miejscach przyłączania, często określanych jako sekwencje MAR/SAR (MAR, z angielskiego matrix Associated Region; SAR, z angielskich regionów przyłączania rusztowania) - fragmenty DNA o kilkuset długich parach zasad, które charakteryzują się dużą zawartością (>65%) par zasad A/T. Wydaje się, że każda domena ma jedno miejsce początkowe replikacji i funkcjonuje jako autonomiczna jednostka superskręcona. Każda domena pętlowa zawiera wiele jednostek transkrypcyjnych, których działanie jest prawdopodobnie skoordynowane – cała domena jest albo w stanie aktywnym, albo nieaktywnym.

    Na poziomie domeny, w wyniku sekwencyjnego upakowania chromatyny, wymiary liniowe DNA zmniejszają się około 200 razy (700 nm).

  • poziom chromosomów

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

Funkcje chromosomów

Chromosomy zapewniają interakcję z mechanizmami pozachromosomalnymi

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

Istnieją dowody, że po aktywacji regionu chromatyny, tj. podczas transkrypcji najpierw odwracalnie usuwany jest z niego histon H1, a następnie oktet histonu. Powoduje to dekondensację chromatyny, kolejne przejście 30-nm fibryli chromatyny do 10-nm włókna i dalsze jej rozwinięcie w wolne regiony DNA, tj. utrata struktury nukleosomalnej.

Po prawej stronie największa ludzka helisa DNA zbudowana z ludzi na plaży w Warnie (Bułgaria), która została wpisana do Księgi Rekordów Guinnessa 23 kwietnia 2016 r.

Kwas deoksyrybonukleinowy. Informacje ogólne

DNA (kwas dezoksyrybonukleinowy) jest rodzajem planu życia, złożonym kodem, który zawiera dane dotyczące informacji dziedzicznej. Ta złożona makrocząsteczka jest zdolna do przechowywania i przekazywania dziedzicznej informacji genetycznej z pokolenia na pokolenie. DNA określa takie właściwości każdego żywego organizmu, jak dziedziczność i zmienność. Zakodowana w nim informacja determinuje cały program rozwoju każdego żywego organizmu. Czynniki osadzone genetycznie determinują cały przebieg życia zarówno człowieka, jak i każdego innego organizmu. Sztuczne lub naturalne oddziaływanie środowiska zewnętrznego może jedynie w niewielkim stopniu wpływać na ogólne nasilenie poszczególnych cech genetycznych lub wpływać na rozwój zaprogramowanych procesów.

Kwas deoksyrybonukleinowy(DNA) to makrocząsteczka (jedna z trzech głównych, pozostałe dwie to RNA i białka), która zapewnia przechowywanie, przekazywanie z pokolenia na pokolenie oraz realizację programu genetycznego dotyczącego rozwoju i funkcjonowania organizmów żywych. DNA zawiera informacje o strukturze różnych typów RNA i białek.

W komórkach eukariotycznych (zwierząt, roślin i grzybów) DNA znajduje się w jądrze komórkowym jako część chromosomów, a także w niektórych organellach komórkowych (mitochondria i plastydy). W komórkach organizmów prokariotycznych (bakterii i archeonów) od wewnątrz do błony komórkowej przyczepiona jest kolista lub liniowa cząsteczka DNA, tzw. nukleoid. Zarówno one, jak i niższe eukarionty (na przykład drożdże) mają również małe autonomiczne, przeważnie okrągłe cząsteczki DNA zwane plazmidami.

Z chemicznego punktu widzenia DNA jest długą cząsteczką polimerową składającą się z powtarzających się bloków - nukleotydów. Każdy nukleotyd składa się z zasady azotowej, cukru (dezoksyrybozy) i grupy fosforanowej. Wiązania między nukleotydami w łańcuchu tworzą deoksyryboza ( Z) i fosforan ( F) grupy (wiązania fosfodiestrowe).


Ryż. 2. Nukleryd składa się z zasady azotowej, cukru (deoksyrybozy) i grupy fosforanowej

W przeważającej większości przypadków (z wyjątkiem niektórych wirusów zawierających jednoniciowy DNA) makrocząsteczka DNA składa się z dwóch łańcuchów zorientowanych względem siebie przez zasady azotowe. Ta dwuniciowa cząsteczka jest skręcona w helisę.

W DNA występują cztery rodzaje zasad azotowych (adenina, guanina, tymina i cytozyna). Zasady azotowe jednego z łańcuchów są połączone z zasadami azotowymi drugiego łańcucha wiązaniami wodorowymi zgodnie z zasadą komplementarności: adenina łączy się tylko z tyminą ( NA), guanina – tylko z cytozyną ( G-C). To właśnie te pary tworzą „szczeble” spiralnej „drabiny” DNA (patrz: ryc. 2, 3 i 4).


Ryż. 2. Zasady azotowe

Sekwencja nukleotydów pozwala na „kodowanie” informacji o różnych typach RNA, z których najważniejsze to informacyjny lub szablonowy (mRNA), rybosomalny (rRNA) i transportowy (tRNA). Wszystkie te typy RNA syntetyzowane są na matrycy DNA poprzez kopiowanie sekwencji DNA do sekwencji RNA syntetyzowanej podczas transkrypcji i biorą udział w biosyntezie białek (procesie translacji). Oprócz sekwencji kodujących DNA komórki zawiera sekwencje pełniące funkcje regulacyjne i strukturalne.


Ryż. 3. Replikacja DNA

Lokalizacja podstawowych kombinacji związków chemicznych DNA oraz stosunki ilościowe pomiędzy tymi kombinacjami zapewniają kodowanie informacji dziedzicznej.

Edukacja nowe DNA (replikacja)

  1. Proces replikacji: rozwinięcie podwójnej helisy DNA - synteza komplementarnych nici przez polimerazę DNA - utworzenie dwóch cząsteczek DNA z jednej.
  2. Podwójna helisa „rozpina się” na dwie gałęzie, gdy enzymy rozrywają wiązanie między parami zasad związków chemicznych.
  3. Każda gałąź to nowy element DNA. Nowe pary zasad są łączone w tej samej kolejności, co w gałęzi macierzystej.

Po zakończeniu duplikacji powstają dwie niezależne helisy, utworzone ze związków chemicznych macierzystego DNA i mające z nim ten sam kod genetyczny. W ten sposób DNA jest w stanie przedrzeć się z informacją z komórki do komórki.

Bardziej szczegółowe informacje:

STRUKTURA KWASÓW NUKLEINOWYCH


Ryż. 4 . Zasady azotowe: adenina, guanina, cytozyna, tymina

Kwas deoksyrybonukleinowy(DNA) odnosi się do kwasów nukleinowych. Kwasy nukleinowe to klasa nieregularnych biopolimerów, których monomerami są nukleotydy.

NUKLEOTYDY składać się z zasada azotowa, połączony z pięciowęglowym węglowodanem (pentozą) - dezoksyryboza(w przypadku DNA) lub ryboza(w przypadku RNA), który łączy się z resztą kwasu fosforowego (H 2 PO 3 -).

Zasady azotowe Istnieją dwa rodzaje: zasady pirymidynowe – uracyl (tylko w RNA), cytozyna i tymina, zasady purynowe – adenina i guanina.


Ryż. Ryc. 5. Budowa nukleotydów (po lewej), położenie nukleotydu w DNA (na dole) oraz rodzaje zasad azotowych (po prawej): pirymidyna i puryna


Atomy węgla w cząsteczce pentozy są ponumerowane od 1 do 5. Fosforan łączy się z trzecim i piątym atomem węgla. W ten sposób kwasy nukleinowe łączą się ze sobą, tworząc łańcuch kwasów nukleinowych. W ten sposób możemy wyizolować końce 3' i 5' nici DNA:


Ryż. 6. Izolacja końców 3' i 5' nici DNA

Tworzą się dwie nici DNA podwójna helisa. Te łańcuchy w spirali są zorientowane w przeciwnych kierunkach. W różnych niciach DNA zasady azotowe są połączone ze sobą za pomocą wiązania wodorowe. Adenina zawsze łączy się z tyminą, a cytozyna zawsze łączy się z guaniną. Nazywa się to zasada komplementarności.

Zasada komplementarności:

A-T G-C

Na przykład, jeśli otrzymamy nić DNA zawierającą sekwencję

3'-ATGTCCTAGCTGCTCG - 5',

wtedy drugi łańcuch będzie do niego komplementarny i skierowany w przeciwnym kierunku - od końca 5' do końca 3':

5'-TACAGGATCGACGAGC-3'.


Ryż. 7. Kierunek łańcuchów cząsteczki DNA i łączenie zasad azotowych za pomocą wiązań wodorowych

REPLIKACJA DNA

replikacja DNA to proces podwajania cząsteczki DNA poprzez syntezę matrycy. W większości przypadków naturalna replikacja DNAElementarzdla syntezy DNA jest krótki fragment (utworzony ponownie). Taki starter rybonukleotydowy tworzony jest przez enzym prymazę (prymaza DNA u prokariotów, polimeraza DNA u eukariotów), a następnie jest zastępowany przez polimerazę dezoksyrybonukleotydową, która normalnie pełni funkcje naprawcze (korygowanie uszkodzeń chemicznych i pęknięć w cząsteczce DNA).

Replikacja zachodzi w sposób półkonserwatywny. Oznacza to, że podwójna helisa DNA rozwija się i na każdym z jej łańcuchów tworzony jest nowy łańcuch, zgodnie z zasadą komplementarności. Cząsteczka potomna DNA zawiera zatem jedną nić cząsteczki macierzystej i jedną nowo zsyntetyzowaną. Replikacja zachodzi w kierunku od 3' do 5' nici macierzystej.

Ryż. 8. Replikacja (podwojenie) cząsteczki DNA

Synteza DNA- nie jest to tak skomplikowany proces, jak mogłoby się wydawać na pierwszy rzut oka. Jeśli się nad tym zastanowić, najpierw musisz dowiedzieć się, czym jest synteza. To proces łączenia czegoś w całość. Tworzenie nowej cząsteczki DNA przebiega w kilku etapach:

1) Topoizomeraza DNA, znajdująca się przed widełkami replikacyjnymi, przecina DNA w celu ułatwienia jego rozwijania i rozwijania.
2) Helikaza DNA, podążając za topoizomerazą, wpływa na proces „rozwijania” helisy DNA.
3) Białka wiążące DNA wykonują wiązanie nici DNA, a także przeprowadzają ich stabilizację, zapobiegając ich sklejaniu się.
4) Polimeraza DNA δ(delta) , skoordynowana z prędkością ruchu widełek replikacyjnych, przeprowadza syntezęprowadzącywięzy pomocniczy DNA w kierunku 5” → 3” na matrycy macierzyński nici DNA w kierunku od końca 3" do końca 5" (prędkość do 100 par zasad na sekundę). Te wydarzenia na ten temat macierzyński nici DNA są ograniczone.



Ryż. 9. Schematyczne przedstawienie procesu replikacji DNA: (1) nić opóźniona (nić opóźniona), (2) nić wiodąca (nić wiodąca), (3) polimeraza DNA α (Polα), (4) ligaza DNA, (5) RNA -starter, (6) prymaza, (7) fragment Okazaki, (8) polimeraza DNA δ (Polδ ), (9) helikaza, (10) białka wiążące jednoniciowy DNA, (11) topoizomeraza.

Syntezę opóźnionej nici potomnej DNA opisano poniżej (patrz poniżej). schemat widełki replikacyjne i funkcje enzymów replikacyjnych)

Więcej informacji na temat replikacji DNA można znaleźć w artykule

5) Natychmiast po rozwinięciu i ustabilizowaniu kolejnej nici cząsteczki macierzystej łączy się onaPolimeraza DNA α(alfa)a w kierunku 5 „→3” syntetyzuje starter (starter RNA) - sekwencję RNA na matrycy DNA o długości od 10 do 200 nukleotydów. Następnie enzymusunięte z nici DNA.

Zamiast Polimeraza DNAα przymocowany do 3-calowego końca podkładu Polimeraza DNAε .

6) Polimeraza DNAε (epsilon) jakby nadal wydłużał podkład, ale jak podłoże wtapiało siędeoksyrybonukleotydy(w ilości 150-200 nukleotydów). Rezultatem jest solidny wątek składający się z dwóch części -RNA(tj. podkład) i DNA. Polimeraza DNA εdziała, dopóki nie napotka podkładu poprzedniegofragment Okazakiego(zsyntetyzowany nieco wcześniej). Enzym ten jest następnie usuwany z łańcucha.

7) Polimeraza DNA β(beta) zastępujePolimerazy DNA ε,porusza się w tym samym kierunku (5” → 3”) i usuwa rybonukleotydy starterowe, wprowadzając w ich miejsce deoksyrybonukleotydy. Enzym działa do momentu całkowitego usunięcia startera, tj. aż do powstania dezoksyrybonukleotydu (jeszcze więcej wcześniej zsyntetyzowanego).Polimeraza DNA ε). Enzym nie jest w stanie połączyć wyniku swojej pracy z DNA znajdującym się z przodu, więc opuszcza łańcuch.

W efekcie fragment DNA potomnego „leży” na matrixie nici macierzystej. Nazywa się tofragment Okazaki.

8) Ligaza DNA liguje dwa sąsiadujące ze sobą fragmenty Okazakiego , tj. 5” – koniec segmentu, zsyntetyzowanyPolimeraza DNA ε,i wbudowaną końcówkę łańcucha 3".Polimeraza DNAβ .

STRUKTURA RNA

Kwas rybonukleinowy(RNA) to jedna z trzech głównych makrocząsteczek (pozostałe dwie to DNA i białka), które znajdują się w komórkach wszystkich żywych organizmów.

Podobnie jak DNA, RNA składa się z długiego łańcucha, w którym każde ogniwo jest nazywane nukleotyd. Każdy nukleotyd składa się z zasady azotowej, cukru rybozowego i grupy fosforanowej. Jednak w przeciwieństwie do DNA, RNA zwykle ma jedną, a nie dwie nici. Pentozę w RNA reprezentuje ryboza, a nie deoksyryboza (ryboza ma dodatkową grupę hydroksylową na drugim atomie węglowodanów). Wreszcie DNA różni się od RNA składem zasad azotowych: zamiast tyminy ( T) uracyl jest obecny w RNA ( u) , który jest również uzupełnieniem adeniny.

Sekwencja nukleotydów umożliwia RNA kodowanie informacji genetycznej. Wszystkie organizmy komórkowe wykorzystują RNA (mRNA) do programowania syntezy białek.

Komórkowe RNA powstają w procesie zwanym transkrypcja , czyli synteza RNA na matrycy DNA, prowadzona przez specjalne enzymy - Polimerazy RNA.

Informacyjne RNA (mRNA) biorą następnie udział w procesie zwanym audycja, te. synteza białek na matrycy mRNA przy udziale rybosomów. Pozostałe RNA po transkrypcji ulegają modyfikacjom chemicznym, a po utworzeniu struktur drugorzędowych i trzeciorzędowych pełnią funkcje zależne od rodzaju RNA.

Ryż. 10. Różnica między DNA i RNA pod względem zasady azotowej: zamiast tyminy (T) RNA zawiera uracyl (U), który jest również komplementarny do adeniny.

TRANSKRYPCJA

Jest to proces syntezy RNA na matrycy DNA. DNA rozwija się w jednym z miejsc. Jeden z łańcuchów zawiera informację, którą należy skopiować na cząsteczkę RNA - łańcuch ten nazywa się kodowaniem. Druga nić DNA, komplementarna do nici kodującej, nazywana jest nicią matrycową. W procesie transkrypcji na łańcuchu matrycowym w kierunku 3'-5' (wzdłuż łańcucha DNA) syntetyzowany jest komplementarny do niego łańcuch RNA. W ten sposób tworzona jest kopia RNA nici kodującej.

Ryż. 11. Schematyczne przedstawienie transkrypcji

Na przykład, jeśli podana jest sekwencja nici kodującej

3'-ATGTCCTAGCTGCTCG - 5',

wówczas zgodnie z zasadą komplementarności łańcuch matryc będzie niósł sekwencję

5'- TACAGGATCGACGAGC- 3',

a zsyntetyzowany z niego RNA jest sekwencją

AUDYCJA

Rozważ mechanizm synteza białek na matrycy RNA, a także w kodzie genetycznym i jego właściwościach. Również dla jasności pod linkiem poniżej polecamy obejrzeć krótki film przedstawiający procesy transkrypcji i translacji zachodzące w żywej komórce:

Ryż. 12. Proces syntezy białek: kody DNA dla RNA, kody RNA dla białek

KOD GENETYCZNY

Kod genetyczny- metoda kodowania sekwencji aminokwasów białek z wykorzystaniem sekwencji nukleotydów. Każdy aminokwas jest kodowany przez sekwencję trzech nukleotydów – kodon lub triplet.

Kod genetyczny wspólny dla większości pro- i eukariontów. Tabela zawiera listę wszystkich 64 kodonów i listę odpowiednich aminokwasów. Kolejność zasad przebiega od końca 5” do końca 3” mRNA.

Tabela 1. Standardowy kod genetyczny

1. miejsce
podstawy

nie

2. baza

3
podstawy

nie

u

C

A

G

u

Ty, Ty, Ty

(Phe/F)

U C U

(Ser/S)

U A U

(Tyr/Y)

U G U

(Cys/C)

u

U U C

U C C

UA C

UG C

C

Ty A

(Leu/L)

UCA A

U A A

Kodon stop**

U G A

Kodon stop**

A

U U G

U C G

U A G

Kodon stop**

U G

(Trp/W)

G

C

C U U

C C U

(Rekwizyt)

CA U

(Jego/H)

C G U

(Arg/R)

u

CUC

C C C

C A C

C G C

C

C U A

C C A

C A A

(Gln/Q)

CGA

A

C U G

C C G

C A G

CG G

G

A

A Ty U

(Ile/I)

AC U

(Thr/T)

A A U

(Jak/N)

AG U

(Ser/S)

u

AUC

A C C

A A C

AG C

C

A U A

A C A

A A A

(Lys/K)

AGA

A

A U G

(Met/M)

AC G

A A G

AG G

G

G

G U U

(War/V)

G C U

(Ala/A)

GA U

(Asp/D)

G G U

(Gly/G)

u

GUC

GC C

GAC

G G C

C

GU A

G C A

G A

(Klej)

G G A

A

G U G

G C G

G.A.G

G G

G

Wśród trójek znajdują się 4 specjalne sekwencje, które pełnią rolę „znaków interpunkcyjnych”:

  • *Tryplet SIERPIEŃ, również kodujący metioninę kodon startowy. Kodon ten rozpoczyna syntezę cząsteczki białka. Zatem podczas syntezy białek pierwszym aminokwasem w sekwencji będzie zawsze metionina.
  • **Trojaczki UAA, UAG I UGA zwany kodony stop i nie kodują żadnych aminokwasów. W tych sekwencjach synteza białek zatrzymuje się.

Właściwości kodu genetycznego

1. Trójca. Każdy aminokwas jest kodowany przez sekwencję trzech nukleotydów – triplet lub kodon.

2. Ciągłość. Pomiędzy trojaczkami nie ma dodatkowych nukleotydów, informacje są odczytywane w sposób ciągły.

3. Nie nakładające się. Jeden nukleotyd nie może być jednocześnie częścią dwóch tripletów.

4. Wyjątkowość. Jeden kodon może kodować tylko jeden aminokwas.

5. Degeneracja. Jeden aminokwas może być kodowany przez kilka różnych kodonów.

6. Wszechstronność. Kod genetyczny jest taki sam dla wszystkich żywych organizmów.

Przykład. Dana jest sekwencja nici kodującej:

3’- CCGATTGCACGTCGATCGTATA- 5’.

Łańcuch matrix będzie miał sekwencję:

5’- GGCTAACGTGCAGCTAGCATAT- 3’.

Teraz „syntetyzujemy” informacyjny RNA z tego łańcucha:

3’- CCGAUUGCACCGUCGAUCGUAUA- 5’.

Synteza białek przebiega w kierunku 5' → 3', dlatego aby „odczytać” kod genetyczny należy odwrócić sekwencję:

5’- AUAUGCUAGCUGCACGUUAGCC- 3’.

Teraz znajdź kodon start AUG:

5’- AU SIERPIEŃ CUAGCUGCACGUUAGCC- 3’.

Podziel ciąg na trójki:

brzmi tak: informacja z DNA jest przenoszona na RNA (transkrypcja), z RNA na białko (translacja). DNA można powielać także drogą replikacji, możliwy jest także proces odwrotnej transkrypcji, gdy DNA syntetyzuje się z matrycy RNA, ale taki proces jest charakterystyczny głównie dla wirusów.


Ryż. 13. Centralny dogmat biologii molekularnej

GENOM: GENY I CHROMOSOMY

(Pojęcia ogólne)

Genom - całość wszystkich genów organizmu; jego kompletny zestaw chromosomów.

Termin „genom” został zaproponowany przez G. Winklera w 1920 r. na określenie całości genów zawartych w haploidalnym zestawie chromosomów organizmów tego samego gatunku biologicznego. Pierwotne znaczenie tego terminu wskazywało, że pojęcie genomu, w przeciwieństwie do genotypu, jest cechą genetyczną gatunku jako całości, a nie jednostki. Wraz z rozwojem genetyki molekularnej znaczenie tego terminu uległo zmianie. Wiadomo, że DNA, które jest nośnikiem informacji genetycznej u większości organizmów i dlatego stanowi podstawę genomu, obejmuje nie tylko geny we współczesnym znaczeniu tego słowa. Większość DNA komórek eukariotycznych jest reprezentowana przez niekodujące („zbędne”) sekwencje nukleotydowe, które nie zawierają informacji o białkach i kwasach nukleinowych. Zatem główną częścią genomu każdego organizmu jest cały DNA jego haploidalnego zestawu chromosomów.

Geny to segmenty cząsteczek DNA kodujące polipeptydy i cząsteczki RNA.

W ciągu ostatniego stulecia nasze rozumienie genów znacząco się zmieniło. Wcześniej genom był regionem chromosomu, który koduje lub określa jedną cechę lub fenotypowy(widoczna) właściwość, taka jak kolor oczu.

W 1940 roku George Beadle i Edward Tatham zaproponowali molekularną definicję genu. Naukowcy przetworzyli zarodniki grzybów Neurospora Crassa Promienie rentgenowskie i inne czynniki powodujące zmiany w sekwencji DNA ( mutacje) i odkryli zmutowane szczepy grzyba, które utraciły część specyficznych enzymów, co w niektórych przypadkach doprowadziło do zakłócenia całego szlaku metabolicznego. Beadle i Tatham doszli do wniosku, że gen to odcinek materiału genetycznego, który definiuje lub koduje pojedynczy enzym. Tak wygląda hipoteza „jeden gen, jeden enzym”. Pojęcie to zostało później rozszerzone na definicję „jeden gen – jeden polipeptyd”, ponieważ wiele genów koduje białka, które nie są enzymami, a polipeptyd może być podjednostką złożonego kompleksu białkowego.

na ryc. 14 przedstawia diagram przedstawiający, jak triplety DNA określają polipeptyd, sekwencję aminokwasów białka, za pośrednictwem mRNA. Jedna z nici DNA pełni rolę matrycy do syntezy mRNA, którego triplety nukleotydowe (kodony) są komplementarne do tripletów DNA. U niektórych bakterii i wielu eukariontów sekwencje kodujące są przerywane przez regiony niekodujące (tzw introny).

Współczesna biochemiczna definicja genu jeszcze bardziej konkretnie. Geny to wszystkie odcinki DNA kodujące pierwszorzędową sekwencję produktów końcowych, do których należą polipeptydy lub RNA, które pełnią funkcję strukturalną lub katalityczną.

Oprócz genów DNA zawiera także inne sekwencje, które pełnią wyłącznie funkcję regulacyjną. Sekwencje regulacyjne mogą oznaczać początek lub koniec genów, wpływać na transkrypcję lub wskazywać miejsce inicjacji replikacji lub rekombinacji. Niektóre geny mogą ulegać ekspresji na różne sposoby, przy czym ten sam fragment DNA służy jako matryca do tworzenia różnych produktów.

Możemy z grubsza obliczyć minimalny rozmiar genu kodujące białko pośrednie. Każdy aminokwas w łańcuchu polipeptydowym jest kodowany przez sekwencję trzech nukleotydów; sekwencje tych tripletów (kodonów) odpowiadają łańcuchowi aminokwasów w polipeptydzie kodowanym przez dany gen. Łańcuch polipeptydowy składający się z 350 reszt aminokwasowych (łańcuch średniej długości) odpowiada sekwencji o długości 1050 bp. ( bp). Jednak wiele genów eukariotycznych i niektóre geny prokariotyczne są przerywane segmentami DNA, które nie niosą informacji o białku, i dlatego okazują się znacznie dłuższe, niż wynika z prostych obliczeń.

Ile genów znajduje się na jednym chromosomie?


Ryż. 15. Widok chromosomów w komórkach prokariotycznych (po lewej) i eukariotycznych. Histony to szeroka klasa białek jądrowych, które spełniają dwie główne funkcje: biorą udział w pakowaniu nici DNA w jądrze oraz w epigenetyczną regulację procesów jądrowych, takich jak transkrypcja, replikacja i naprawa.

Jak wiadomo, komórki bakteryjne posiadają chromosom w postaci nici DNA, upakowanej w zwartą strukturę – nukleoid. chromosom prokariotyczny Escherichia coli, którego genom jest całkowicie rozszyfrowany, jest kolistą cząsteczką DNA (w rzeczywistości nie jest to regularne koło, ale raczej pętla bez początku i końca), składająca się z 4 639 675 bp. Sekwencja ta zawiera około 4300 genów białkowych i kolejnych 157 genów stabilnych cząsteczek RNA. W ludzki genom około 3,1 miliarda par zasad odpowiadających prawie 29 000 genów zlokalizowanych na 24 różnych chromosomach.

Prokarioty (bakterie).

Bakteria E coli ma jedną dwuniciową kolistą cząsteczkę DNA. Składa się z 4 639 675 b.p. i osiąga długość około 1,7 mm, co przekracza długość samego ogniwa E coli około 850 razy. Oprócz dużego okrągłego chromosomu będącego częścią nukleoidu wiele bakterii zawiera jedną lub więcej małych okrągłych cząsteczek DNA, które są swobodnie zlokalizowane w cytozolu. Te elementy pozachromosomalne nazywane są plazmidy(ryc. 16).

Większość plazmidów składa się z zaledwie kilku tysięcy par zasad, niektóre zawierają ponad 10 000 bp. Niosą informację genetyczną i replikują się, tworząc plazmidy potomne, które przedostają się do komórek potomnych podczas podziału komórki macierzystej. Plazmidy występują nie tylko w bakteriach, ale także w drożdżach i innych grzybach. W wielu przypadkach plazmidy nie przynoszą żadnej korzyści komórkom gospodarza, a ich jedynym zadaniem jest niezależna reprodukcja. Jednakże niektóre plazmidy niosą geny przydatne dla gospodarza. Na przykład geny zawarte w plazmidach mogą nadawać komórkom bakteryjnym oporność na środki przeciwbakteryjne. Plazmidy niosące gen β-laktamazy nadają oporność na antybiotyki β-laktamowe, takie jak penicylina i amoksycylina. Plazmidy mogą przechodzić z komórek opornych na antybiotyki do innych komórek tego samego lub innego gatunku bakterii, powodując, że te komórki również stają się oporne. Intensywne stosowanie antybiotyków jest silnym czynnikiem selektywnym, który sprzyja rozprzestrzenianiu się plazmidów kodujących oporność na antybiotyki (a także transpozonów kodujących podobne geny) wśród bakterii chorobotwórczych i prowadzi do powstania szczepów bakteryjnych opornych na kilka antybiotyków. Lekarze zaczynają rozumieć niebezpieczeństwa związane z powszechnym stosowaniem antybiotyków i przepisują je tylko wtedy, gdy jest to absolutnie konieczne. Z podobnych powodów powszechne stosowanie antybiotyków w leczeniu zwierząt hodowlanych jest ograniczone.

Zobacz też: Ravin N.V., Shestakov S.V. Genom prokariotów // Vavilov Journal of Genetics and Breeding, 2013. V. 17. nr 4/2. s. 972-984.

Eukarionty.

Tabela 2. DNA, geny i chromosomy niektórych organizmów

wspólne DNA,

b.s.

Liczba chromosomów*

Przybliżona liczba genów

Escherichia coli(bakteria)

4 639 675

4 435

Saccharomyces cerevisiae(drożdże)

12 080 000

16**

5 860

Caenorhabditis eleganckie(nicienie)

90 269 800

12***

23 000

Arabidopsis thaliana(zakład)

119 186 200

33 000

muszka owocowa(muszka owocowa)

120 367 260

20 000

Oryza sativa(Ryż)

480 000 000

57 000

Mus mięśni(mysz)

2 634 266 500

27 000

Homo sapiens(Człowiek)

3 070 128 600

29 000

Notatka. Informacje są stale aktualizowane; Bardziej aktualne informacje można znaleźć na stronach internetowych poszczególnych projektów genomicznych.

* Dla wszystkich eukariontów, z wyjątkiem drożdży, podany jest diploidalny zestaw chromosomów. diploidalny zestaw chromosomy (z greckiego diploos - podwójne i eidos - widok) - podwójny zestaw chromosomów (2n), z których każdy ma jeden homologiczny.
**Zbiór haploidalny. Dzikie szczepy drożdży mają zazwyczaj osiem (oktaploidalnych) lub więcej zestawów tych chromosomów.
***Dla kobiet z dwoma chromosomami X. Mężczyźni mają chromosom X, ale nie Y, czyli tylko 11 chromosomów.

Komórka drożdży, jeden z najmniejszych eukariontów, ma 2,6 razy więcej DNA niż komórka E coli(Tabela 2). komórki muszki owocowej Drosophila klasyczny obiekt badań genetycznych zawiera 35 razy więcej DNA, a komórki ludzkie zawierają około 700 razy więcej DNA niż komórki E coli. Wiele roślin i płazów zawiera jeszcze więcej DNA. Materiał genetyczny komórek eukariotycznych jest zorganizowany w postaci chromosomów. Diploidalny zestaw chromosomów (2 N) zależy od rodzaju organizmu (tab. 2).

Na przykład w ludzkiej komórce somatycznej znajduje się 46 chromosomów ( Ryż. 17). Każdy chromosom w komórce eukariotycznej, jak pokazano na ryc. 17, A, zawiera jedną bardzo dużą dwuniciową cząsteczkę DNA. Dwadzieścia cztery ludzkie chromosomy (22 sparowane chromosomy i dwa chromosomy płci X i Y) różnią się długością ponad 25 razy. Każdy chromosom eukariotyczny zawiera specyficzny zestaw genów.


Ryż. 17. chromosomy eukariotyczne.A- para połączonych i skondensowanych chromatyd siostrzanych z ludzkiego chromosomu. W tej formie chromosomy eukariotyczne pozostają po replikacji i w metafazie podczas mitozy. B- kompletny zestaw chromosomów z leukocytu jednego z autorów książki. Każda normalna ludzka komórka somatyczna zawiera 46 chromosomów.

Jeśli połączysz ze sobą cząsteczki DNA ludzkiego genomu (22 chromosomy oraz chromosomy X i Y lub X i X), otrzymasz sekwencję o długości około jednego metra. Uwaga: U wszystkich ssaków i innych heterogametycznych organizmów męskich samice mają dwa chromosomy X (XX), a samce jeden chromosom X i jeden chromosom Y (XY).

Większość komórek ludzkich, więc całkowita długość DNA takich komórek wynosi około 2m. Dorosły człowiek ma około 10 14 komórek, zatem całkowita długość wszystkich cząsteczek DNA wynosi 2・1011 km. Dla porównania obwód Ziemi wynosi 4・10 4 km, a odległość Ziemi od Słońca wynosi 1,5・10 8 km. Tak niesamowicie zwarte jest DNA w naszych komórkach!

W komórkach eukariotycznych znajdują się inne organelle zawierające DNA - są to mitochondria i chloroplasty. Wysunięto wiele hipotez dotyczących pochodzenia mitochondrialnego i chloroplastowego DNA. Powszechnie przyjęty dziś punkt widzenia jest taki, że są to podstawy chromosomów starożytnych bakterii, które przedostały się do cytoplazmy komórek gospodarza i stały się prekursorami tych organelli. Mitochondrialne DNA koduje mitochondrialne tRNA i rRNA, a także kilka białek mitochondrialnych. Ponad 95% białek mitochondrialnych jest kodowanych przez DNA jądrowy.

STRUKTURA GENÓW

Rozważ strukturę genu u prokariotów i eukariontów, ich podobieństwa i różnice. Pomimo tego, że gen jest odcinkiem DNA kodującym tylko jedno białko lub RNA, oprócz części bezpośrednio kodującej zawiera także elementy regulacyjne i inne elementy strukturalne, które u prokariotów i eukariontów mają odmienną budowę.

sekwencja kodowania- główna jednostka strukturalna i funkcjonalna genu, w niej znajdują się triplety nukleotydów kodującychsekwencja aminokwasów. Zaczyna się od kodonu start i kończy kodonem stop.

Przed i po sekwencji kodowania nie podlegające translacji sekwencje 5' i 3'. Pełnią funkcje regulacyjne i pomocnicze, na przykład zapewniają lądowanie rybosomu na mRNA.

Sekwencje nie podlegające translacji i kodujące tworzą jednostkę transkrypcji – transkrybowany region DNA, czyli region DNA, z którego syntetyzowany jest mRNA.

terminatora Nietranskrypcyjny region DNA na końcu genu, w którym zatrzymuje się synteza RNA.

Na początku jest gen obszar regulacyjny, co zawiera promotor I operator.

promotor- sekwencja, z którą wiąże się polimeraza podczas inicjacji transkrypcji. Operator- jest to obszar, z którym mogą wiązać się specjalne białka - represory, co może zmniejszyć aktywność syntezy RNA z tego genu - innymi słowy ją zmniejszyć wyrażenie.

Struktura genów u prokariotów

Ogólny plan struktury genów u prokariotów i eukariotów nie różni się - oba zawierają region regulatorowy z promotorem i operatorem, jednostkę transkrypcyjną z sekwencjami kodującymi i nie podlegającymi translacji oraz terminator. Jednakże organizacja genów u prokariotów i eukariontów jest inna.

Ryż. 18. Schemat struktury genu u prokariotów (bakterii) -obraz jest powiększony

Na początku i na końcu operonu znajdują się wspólne regiony regulatorowe dla kilku genów strukturalnych. Z transkrybowanego regionu operonu odczytywana jest jedna cząsteczka mRNA, która zawiera kilka sekwencji kodujących, z których każda ma własny kodon start i stop. Z każdego z tych obszarówsyntetyzowane jest jedno białko. Zatem, Z jednej cząsteczki i-RNA syntetyzuje się kilka cząsteczek białka.

Prokarioty charakteryzują się połączeniem kilku genów w jedną jednostkę funkcjonalną - operon. Pracę operonu można regulować innymi genami, które można zauważalnie usunąć z samego operonu - regulatory. Białko ulegające translacji z tego genu nazywa się represor. Wiąże się z operatorem operonu, regulując jednocześnie ekspresję wszystkich zawartych w nim genów.

Prokarioty również charakteryzują się tym zjawiskiem koniugacje transkrypcyjne i translacyjne.


Ryż. 19 Zjawisko koniugacji transkrypcji i translacji u prokariotów - obraz jest powiększony

To parowanie nie występuje u eukariontów ze względu na obecność błony jądrowej oddzielającej cytoplazmę, w której zachodzi translacja, od materiału genetycznego, na którym zachodzi transkrypcja. U prokariotów podczas syntezy RNA na matrycy DNA rybosom może natychmiast związać się z syntetyzowaną cząsteczką RNA. Zatem tłumaczenie rozpoczyna się jeszcze przed zakończeniem transkrypcji. Co więcej, kilka rybosomów może jednocześnie wiązać się z jedną cząsteczką RNA, syntetyzując jednocześnie kilka cząsteczek jednego białka.

Struktura genów u eukariontów

Geny i chromosomy eukariontów są bardzo złożone.

Bakterie wielu gatunków mają tylko jeden chromosom i prawie we wszystkich przypadkach na każdym chromosomie znajduje się jedna kopia każdego genu. Tylko kilka genów, takich jak geny rRNA, występuje w wielu kopiach. Geny i sekwencje regulatorowe tworzą prawie cały genom prokariotów. Co więcej, prawie każdy gen ściśle odpowiada sekwencji aminokwasów (lub sekwencji RNA), którą koduje (ryc. 14).

Strukturalna i funkcjonalna organizacja genów eukariotycznych jest znacznie bardziej złożona. Badanie chromosomów eukariotycznych, a później sekwencjonowanie całych sekwencji genomu eukariotycznego, przyniosło wiele niespodzianek. Wiele, jeśli nie większość, genów eukariotycznych ma interesującą cechę: ich sekwencje nukleotydowe zawierają jeden lub więcej regionów DNA, które nie kodują sekwencji aminokwasów produktu polipeptydowego. Takie nie podlegające translacji wstawki zakłócają bezpośrednią zgodność pomiędzy sekwencją nukleotydową genu i sekwencją aminokwasową kodowanego polipeptydu. Te nieulegające translacji segmenty genów nazywane są introny, Lub wbudowany sekwencje, a segmenty kodujące to eksony. U prokariotów tylko kilka genów zawiera introny.

Tak więc u eukariotów praktycznie nie ma kombinacji genów w operony, a sekwencja kodująca genu eukariotycznego jest najczęściej dzielona na regiony podlegające translacji. - eksony i nieprzetłumaczone sekcje - introny.

W większości przypadków funkcja intronów nie została ustalona. Ogólnie rzecz biorąc, tylko około 1,5% ludzkiego DNA jest „kodujące”, to znaczy przenosi informację o białkach lub RNA. Biorąc jednak pod uwagę duże introny okazuje się, że 30% ludzkiego DNA stanowią geny. Ponieważ geny stanowią stosunkowo niewielką część ludzkiego genomu, znaczna ilość DNA pozostaje niewyjaśniona.

Ryż. 16. Schemat struktury genu u eukariontów - obraz jest powiększony

Z każdego genu najpierw syntetyzuje się niedojrzały, czyli pre-RNA, który zawiera zarówno introny, jak i eksony.

Następnie następuje proces splicingu, w wyniku którego wycinane są regiony intronowe i powstaje dojrzały mRNA, z którego można syntetyzować białko.


Ryż. 20. Alternatywny proces łączenia - obraz jest powiększony

Taka organizacja genów pozwala np. na syntezę różnych form białka z jednego genu, dzięki temu, że podczas splicingu eksony mogą ulegać fuzji w różnych sekwencjach.

Ryż. 21. Różnice w budowie genów prokariotów i eukariontów - obraz jest powiększony

MUTACJE I MUTAGENEZA

mutacja nazywana trwałą zmianą genotypu, czyli zmianą sekwencji nukleotydów.

Proces prowadzący do mutacji nazywa się mutageneza i organizm Wszystko których komórki niosą tę samą mutację mutant.

teoria mutacji został po raz pierwszy sformułowany przez Hugh de Vriesa w 1903 r. Jego nowoczesna wersja zawiera następujące postanowienia:

1. Mutacje pojawiają się nagle, nagle.

2. Mutacje przekazywane są z pokolenia na pokolenie.

3. Mutacje mogą być korzystne, szkodliwe lub neutralne, dominujące lub recesywne.

4. Prawdopodobieństwo wykrycia mutacji zależy od liczby badanych osobników.

5. Podobne mutacje mogą występować wielokrotnie.

6. Mutacje nie są ukierunkowane.

Mutacje mogą zachodzić pod wpływem różnych czynników. Rozróżnij mutacje spowodowane przez mutagenny wpływy: fizyczne (np. ultrafiolet lub promieniowanie), chemiczne (np. kolchicyna lub reaktywne formy tlenu) i biologiczne (np. wirusy). Mutacje mogą być również spowodowane błędy replikacji.

W zależności od warunków pojawienia się mutacji dzieli się na spontaniczny- to znaczy mutacje, które powstały w normalnych warunkach, oraz wywołany- czyli mutacje, które powstały w specjalnych warunkach.

Mutacje mogą wystąpić nie tylko w DNA jądrowym, ale także np. w DNA mitochondriów czy plastydów. W związku z tym możemy rozróżnić jądrowy I cytoplazmatyczny mutacje.

W wyniku wystąpienia mutacji często mogą pojawić się nowe allele. Jeśli zmutowany allel zastępuje allel normalny, nazywa się mutację dominujący. Jeśli normalny allel tłumi zmutowany, nazywa się mutację recesywny. Większość mutacji powodujących powstanie nowych alleli ma charakter recesywny.

Mutacje wyróżniają się efektem adaptacyjny, prowadzące do wzrostu zdolności adaptacyjnych organizmu do środowiska, neutralny które nie mają wpływu na przeżycie szkodliwy które zmniejszają zdolność przystosowania się organizmów do warunków środowiskowych i śmiertelny prowadząc do śmierci organizmu we wczesnych stadiach rozwoju.

Zgodnie z konsekwencjami rozróżnia się mutacje prowadzące do utrata funkcji białka, mutacje prowadzące do powstanie białko ma nową funkcję, a także mutacje zmienić dawkę genu i odpowiednio dawka syntetyzowanego z niego białka.

Mutacja może wystąpić w dowolnej komórce ciała. Jeśli mutacja występuje w komórce zarodkowej, nazywa się to kiełkujący(zarodkowy lub generatywny). Mutacje takie nie pojawiają się w organizmie, w którym się pojawiły, lecz prowadzą do pojawienia się mutantów u potomstwa i są dziedziczone, zatem są istotne dla genetyki i ewolucji. Jeśli mutacja występuje w jakiejkolwiek innej komórce, nazywa się ją somatyczny. Taka mutacja może w pewnym stopniu ujawnić się w organizmie, w którym powstała, np. doprowadzić do powstania nowotworów nowotworowych. Jednak taka mutacja nie jest dziedziczona i nie wpływa na potomstwo.

Mutacje mogą wpływać na części genomu o różnej wielkości. Przeznaczyć genetyczny, chromosomalny I genomowy mutacje.

Mutacje genowe

Mutacje występujące w skali mniejszej niż jeden gen nazywane są mutacjami genetyczny, Lub kropkowany (kropkowany). Takie mutacje prowadzą do zmiany jednego lub większej liczby nukleotydów w sekwencji. Mutacje genowe obejmujązamienniki, co prowadzi do zastąpienia jednego nukleotydu innym,usunięcia co prowadzi do utraty jednego z nukleotydów,wstawki, co prowadzi do dodania dodatkowego nukleotydu do sekwencji.


Ryż. 23. Mutacje genowe (punktowe).

Ze względu na mechanizm działania na białko mutacje genowe dzielą się na:równoznaczny, które (w wyniku degeneracji kodu genetycznego) nie prowadzą do zmiany składu aminokwasowego produktu białkowego,mutacje zmiany sensu, które prowadzą do zastąpienia jednego aminokwasu innym i mogą wpływać na strukturę syntetyzowanego białka, choć często są one nieistotne,bezsensowne mutacje, co prowadzi do zastąpienia kodonu kodującego kodonem stop,mutacje prowadzące do zaburzenie splicingu:


Ryż. 24. Schematy mutacyjne

Ponadto, zgodnie z mechanizmem działania na białko, izolowane są mutacje, co prowadzi do przesunięcie ramki odczyty takie jak wstawienia i usunięcia. Mutacje takie, podobnie jak mutacje nonsensowne, chociaż występują w jednym punkcie genu, często wpływają na całą strukturę białka, co może doprowadzić do całkowitej zmiany jego struktury.

Ryż. 29. Chromosom przed i po duplikacji

Mutacje genomowe

Wreszcie, mutacje genomowe wpływają na cały genom, czyli na zmianę liczby chromosomów. Wyróżnia się poliploidię - wzrost ploidii komórki i aneuploidię, czyli zmianę liczby chromosomów, na przykład trisomię (obecność dodatkowego homologu w jednym z chromosomów) i monosomię (brak homolog w chromosomie).

Film związany z DNA

REPLIKACJA DNA, KODOWANIE RNA, SYNTEZA BIAŁEK

Angielscy naukowcy J. Watson i F. Crick (1953) zaproponowali przestrzenny model cząsteczki DNA. Według tego modelu makrocząsteczka to helisa składająca się z dwóch łańcuchów polinukleotydowych skręconych wokół wspólnej osi. Zasady purynowe i pirymidynowe są skierowane do wnętrza helisy. Wiązania wodorowe tworzą się pomiędzy zasadą purynową jednego łańcucha i zasadą pirymidynową drugiego. Zasady te tworzą komplementarne pary:

A \u003d T (połączone dwoma wiązaniami H), G°C (trzy wiązania H).

Zatem drugorzędową strukturą DNA jest podwójna helisa utworzona przez wiązania wodorowe między komplementarnymi parami zasad heterocyklicznych i siły van der Waalsa między zasadami azotowymi.

Wiązania wodorowe powstają pomiędzy grupą –NH jednej zasady i

, jak również pomiędzy amidowymi i imidowymi atomami azotu

Wiązania H stabilizują podwójną helisę.

Komplementarność łańcuchów jest chemiczną podstawą najważniejszych funkcji DNA – przechowywania i przekazywania cech dziedzicznych. DNA zawiera tylko cztery zasady (A, G, C, T). Jednostką kodującą dla każdego AA białka jest triplet (kod trzech zasad). Odcinek cząsteczki DNA zawierający w sekwencji jej nukleotydów informację o sekwencji jednostek aminokwasów w syntetyzowanym białku nazywany jest genem. Makrocząsteczka DNA zawiera wiele genów.

Jednakże sekwencja nukleotydów DNA pod wpływem różnych czynników może ulegać zmianom, tzw mutacje. Najczęstszym rodzajem mutacji jest zastąpienie pary zasad inną. Powodem jest przesunięcie równowagi tautomerycznej. Na przykład zastąpienie zwykłej pary T-A parą T-G. Wraz z kumulacją mutacji wzrasta liczba błędów w biosyntezie białek. Drugą przyczyną wystąpienia mutacji są czynniki chemiczne, a także różnego rodzaju promieniowanie. Mutacje pod wpływem związków chemicznych mają ogromne znaczenie w zarządzaniu dziedzicznością w celu jej poprawy - selekcji upraw rolnych, tworzeniu szczepów mikroorganizmów produkujących antybiotyki, witaminy, drożdże paszowe.

Makrocząsteczka RNA jest z reguły pojedynczym łańcuchem polipeptydowym, który przyjmuje różne formy przestrzenne, w tym spiralne.

Cząsteczki DNA zlokalizowane są w jądrach komórkowych, a synteza białek odbywa się w cytoplazmie na rybosomach przy udziale RNA, które kopiuje informację genetyczną, przenosi ją na miejsce syntezy białek i uczestniczy w procesie syntezy białek.

Nukleotydy mają ogromne znaczenie nie tylko jako materiał budulcowy NA. Uczestniczą w procesach biochemicznych, na przykład w metabolizmie energii komórkowej (ATP), przenoszeniu grup fosforanowych, w reakcjach redoks itp.

Postęp w badaniach nad strukturą NC i ich funkcją spowodował rozwój nowej gałęzi nauk biologicznych – inżynierii genetycznej, która umożliwia sterowanie procesami wewnątrzkomórkowymi. Stąd wyjątkowe perspektywy rozwiązania problemów medycyny (profilaktyka i leczenie chorób), przemysłu (np. biotechnologia oparta na wykorzystaniu nowych mikroorganizmów, które dzięki obecności nowych genów syntetyzują nowe związki) itp. Te osiągnięcia naukowe pokazują, że procesy życiowe organizmów opierają się na rzeczywistych procesach chemicznych zachodzących w komórkach na poziomie molekularnym.

DNA jest uniwersalnym źródłem i strażnikiem informacji dziedzicznej, która jest zapisywana za pomocą specjalnej sekwencji nukleotydów, która określa właściwości wszystkich żywych organizmów.

Zakłada się, że średnia masa cząsteczkowa nukleotydu wynosi 345, a liczba reszt nukleotydowych może sięgać kilkuset, tysięcy, a nawet milionów. DNA znajduje się głównie w jądrach komórkowych. Niewiele znajduje się w chloroplastach i mitochondriach. Jednakże DNA jądra komórkowego nie jest pojedynczą cząsteczką. Składa się z wielu cząsteczek rozmieszczonych na różnych chromosomach, ich liczba różni się w zależności od organizmu. Taka jest struktura DNA.

Historia odkrycia DNA

Strukturę i funkcję DNA odkryli James Watson i Francis Crick, a w 1962 roku otrzymali nawet Nagrodę Nobla.

Ale po raz pierwszy szwajcarski naukowiec Friedrich Johann Miescher, który pracował w Niemczech, odkrył kwasy nukleinowe. W 1869 roku badał komórki zwierzęce – leukocyty. Aby je zdobyć, używał bandaży z ropą, które dostawał ze szpitali. Misher wymył leukocyty z ropy i wyizolował z nich białko. W trakcie tych badań naukowcowi udało się ustalić, że oprócz białek w leukocytach znajduje się coś jeszcze, jakaś nieznana wówczas substancja. Był to nitkowaty lub łuszczący się osad, który wyróżniał się, gdy powstało kwaśne środowisko. Osad rozpuścił się natychmiast po dodaniu zasady.

Za pomocą mikroskopu naukowiec odkrył, że po przemyciu leukocytów kwasem solnym z komórek pozostają jądra. Następnie doszedł do wniosku, że w jądrze znajduje się nieznana substancja, którą nazwał nukleiną (słowo jądro w tłumaczeniu oznacza jądro).

Po przeprowadzeniu analizy chemicznej Misher odkrył, że nowa substancja ma w swoim składzie węgiel, wodór, tlen i fosfor. W tamtym czasie znanych było niewiele związków fosforoorganicznych, więc Friedrich pomyślał, że odkrył nową klasę związków występujących w jądrze komórkowym.

I tak w XIX wieku odkryto istnienie kwasów nukleinowych. Jednak w tamtym czasie nikt nie mógł nawet pomyśleć o tym, jak ważną rolę odegrały.

Istota dziedziczności

Kontynuowano badania struktury DNA i w 1944 roku grupa bakteriologów pod przewodnictwem Oswalda Avery'ego otrzymała dowody, że cząsteczka ta zasługuje na poważne zainteresowanie. Naukowiec od wielu lat bada pneumokoki, czyli organizmy wywołujące zapalenie płuc lub choroby płuc. Avery przeprowadził eksperymenty polegające na mieszaniu pneumokoków wywołujących chorobę z tymi, które są bezpieczne dla organizmów żywych. Najpierw zabijano komórki chorobotwórcze, a następnie dodawano do nich te, które nie powodowały choroby.

Wyniki badań zadziwiły wszystkich. Istniały takie żywe komórki, które po interakcji ze zmarłymi nauczyły się wywoływać choroby. Naukowiec poznał naturę substancji biorącej udział w procesie przekazywania informacji do żywych komórek z martwych. Cząsteczka DNA okazała się tą substancją.

Struktura

Dlatego konieczne jest zrozumienie, jaką strukturę ma cząsteczka DNA. Odkrycie jego struktury było znaczącym wydarzeniem, doprowadziło do powstania biologii molekularnej – nowej gałęzi biochemii. DNA znajduje się w dużych ilościach w jądrach komórkowych, ale wielkość i liczba cząsteczek zależy od rodzaju organizmu. Ustalono, że jądra komórek ssaków zawierają wiele tych komórek, są one rozmieszczone na chromosomach, jest ich 46.

Badając strukturę DNA, w 1924 roku Felgen po raz pierwszy ustalił jego lokalizację. Dowody uzyskane podczas eksperymentów wykazały, że DNA zlokalizowane jest w mitochondriach (1-2%). W innych miejscach cząsteczki te można znaleźć podczas infekcji wirusowej, w ciałach podstawowych, a także w jajach niektórych zwierząt. Wiadomo, że im bardziej złożony organizm, tym większa masa DNA. Liczba cząsteczek w komórce zależy od funkcji i zwykle wynosi 1-10%. Najmniej jest w miocytach (0,2%), więcej w komórkach rozrodczych (60%).

Struktura DNA wykazała, że ​​w chromosomach organizmów wyższych są one powiązane z prostymi białkami - albuminami, histonami i innymi, które razem tworzą DNP (deoksyrybonukleoproteinę). Zwykle duża cząsteczka jest niestabilna i aby podczas ewolucji pozostała nienaruszona i niezmieniona, stworzono tzw. system naprawczy, na który składają się enzymy – ligazy i nukleazy odpowiedzialne za „naprawę” cząsteczki.

Struktura chemiczna DNA

DNA to polimer, polinukleotyd, składający się z ogromnej liczby (nawet dziesiątek tysięcy milionów) mononukleotydów. Struktura DNA jest następująca: mononukleotydy zawierają zasady azotowe – cytozynę (C) i tyminę (T) – z pochodnych pirymidyny, adeninę (A) i guaninę (G) – z pochodnych puryn. Oprócz zasad azotowych cząsteczka ludzka i zwierzęca zawiera 5-metylocytozynę, pomniejszą zasadę pirymidynową. Zasady azotowe wiążą się z kwasem fosforowym i dezoksyrybozą. Poniżej przedstawiono strukturę DNA.

Zasady Chargaffa

Strukturę i biologiczną rolę DNA badał E. Chargaff w 1949 roku. W toku swoich badań ujawnił wzorce obserwowane w ilościowym rozkładzie zasad azotowych:

  1. ∑T + C \u003d ∑A + G (to znaczy liczba zasad pirymidynowych jest równa liczbie puryn).
  2. Liczba reszt adeninowych jest zawsze równa liczbie reszt tyminy, a ilość guaniny jest równa cytozynie.
  3. Współczynnik specyficzności ma wzór: G+C/A+T. Na przykład u ludzi wynosi 1,5, u byka 1,3.
  4. Suma „A + C” jest równa sumie „G + T”, czyli jest tyle samo adeniny i cytozyny, ile guaniny i tyminy.

Model struktury DNA

Został stworzony przez Watsona i Cricka. Reszty fosforanowe i deoksyryboza znajdują się wzdłuż grzbietu dwóch spiralnie skręconych łańcuchów polinukleotydowych. Stwierdzono, że płaskie struktury zasad pirymidynowych i purynowych są usytuowane prostopadle do osi łańcucha i tworzą jakby spiralne stopnie drabiny. Ustalono również, że A jest zawsze połączone z T dwoma wiązaniami wodorowymi, podczas gdy G jest połączone z C trzema takimi samymi wiązaniami. Zjawisko to nazwano „zasadą selektywności i komplementarności”.

Poziomy organizacji strukturalnej

Łańcuch polinukleotydowy wygięty w kształcie helisy jest strukturą pierwotną, która ma pewien jakościowy i ilościowy zestaw mononukleotydów połączonych wiązaniem 3',5'-fosfodiestrowym. Zatem każdy z łańcuchów ma koniec 3' (deoksyryboza) i koniec 5' (fosforan). Regiony zawierające informację genetyczną nazywane są genami strukturalnymi.

Cząsteczka podwójnej helisy jest strukturą wtórną. Co więcej, jego łańcuchy polinukleotydowe są antyrównoległe i są połączone wiązaniami wodorowymi pomiędzy komplementarnymi zasadami łańcuchów. Ustalono, że każdy zwój tej helisy zawiera 10 reszt nukleotydowych, jej długość wynosi 3,4 nm. Strukturę tę wspierają także siły oddziaływania van der Waalsa, które obserwuje się pomiędzy podstawami tego samego łańcucha, obejmujące składniki odpychające i atrakcyjne. Siły te tłumaczy się oddziaływaniem elektronów w sąsiednich atomach. Oddziaływanie elektrostatyczne stabilizuje również strukturę wtórną. Zachodzi pomiędzy dodatnio naładowanymi cząsteczkami histonów i ujemnie naładowaną nicią DNA.

Struktura trzeciorzędowa to owinięcie nici DNA wokół histonów lub superskręcenie. Opisano pięć typów histonów: H1, H2A, H2B, H3, H4.

Zwijanie się nukleosomów w chromatynę jest strukturą czwartorzędową, zatem cząsteczka DNA o długości kilku centymetrów może zwijać się do 5 nm.

Funkcje DNA

Główne funkcje DNA to:

  1. Przechowywanie informacji dziedzicznych. Sekwencja aminokwasów w cząsteczce białka jest określona przez kolejność reszt nukleotydowych w cząsteczce DNA. Koduje także wszelkie informacje o właściwościach i cechach organizmu.
  2. DNA jest zdolne do przekazywania informacji dziedzicznej następnemu pokoleniu. Jest to możliwe dzięki zdolności do replikacji – samopodwajania. DNA ma zdolność rozszczepiania się na dwa komplementarne łańcuchy i na każdym z nich (zgodnie z zasadą komplementarności) przywracana jest pierwotna sekwencja nukleotydów.
  3. Za pomocą DNA zachodzi biosynteza białek, enzymów i hormonów.

Wniosek

Struktura DNA pozwala mu być strażnikiem informacji genetycznej, a także przekazywać ją kolejnym pokoleniom. Jakie są cechy tej cząsteczki?

  1. Stabilność. Jest to możliwe dzięki wiązaniom glikozydowym, wodorowym i fosfodiestrowym, a także mechanizmowi naprawy uszkodzeń indukowanych i samoistnych.
  2. Możliwość replikacji. Mechanizm ten umożliwia komórkom somatycznym utrzymanie diploidalnej liczby chromosomów.
  3. Istnienie kodu genetycznego. Za pomocą procesów translacji i transkrypcji sekwencja zasad występująca w DNA jest przekształcana w sekwencję aminokwasów występującą w łańcuchu polipeptydowym.
  4. Zdolność do rekombinacji genetycznej. W tym przypadku powstają nowe kombinacje genów, które są ze sobą powiązane.

Zatem struktura i funkcje DNA pozwalają mu odgrywać nieocenioną rolę w organizmach istot żywych. Wiadomo, że długość 46 cząsteczek DNA w każdej ludzkiej komórce wynosi prawie 2 m, a liczba par nukleotydów wynosi 3,2 miliarda.

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

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

Zacznijmy od sprawdzenia, gdzie znajduje się DNA. W komórce ludzkiej znajduje się wiele organelli, które pełnią różne funkcje. DNA znajduje się w jądrze. Jądro to mała organella otoczona specjalną błoną, w której przechowywany jest cały materiał genetyczny – DNA.

Jaka jest struktura cząsteczki DNA?

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

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

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

Można to schematycznie przedstawić w następujący sposób:

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

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

„Opakowanie” DNA – w jaki sposób nić DNA staje się chromosomem?

Dlaczego te łańcuchy nukleotydowe DNA również splatają się wokół siebie? Dlaczego jest to potrzebne? Faktem jest, że liczba nukleotydów jest ogromna i potrzeba dużo miejsca, aby pomieścić tak długie łańcuchy. Z tego powodu następuje spiralne skręcenie dwóch nici DNA wokół drugiej. Zjawisko to nazywa się spiralizacją. W wyniku spiralizacji łańcuchy DNA ulegają skróceniu 5-6 razy.

Niektóre cząsteczki DNA są aktywnie wykorzystywane przez organizm, inne natomiast są wykorzystywane rzadko. Tak rzadko stosowane cząsteczki DNA, oprócz helikalizacji, ulegają jeszcze bardziej zwartemu „opakowaniu”. Taki kompaktowy pakiet nazywa się superskręceniem i skraca nić DNA 25-30 razy!

Jak pakowana jest helisa DNA?

Do superskręcenia stosuje się białka histonowe, które mają wygląd i strukturę pręta lub szpuli nici. Spiralne nici DNA są nawinięte na te „cewki” – białka histonowe. W ten sposób długi włókno staje się bardzo kompaktowo upakowane i zajmuje bardzo mało miejsca.

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

Nazywa się zestaw superskręconych chromosomów heterochromatyna i chromosomy dostępne do odczytania informacji - euchromatyna.


Czym są geny i jaki jest ich związek z DNA?

Przyjrzyjmy się teraz, czym są geny. Wiadomo, że istnieją geny określające grupę krwi, kolor oczu, włosów, skóry i wiele innych właściwości naszego organizmu. Gen to ściśle określony odcinek DNA, składający się z określonej liczby nukleotydów ułożonych w ściśle określoną kombinację. Umiejscowienie w ściśle określonym odcinku DNA oznacza, że ​​dany gen ma swoje miejsce i nie da się tego miejsca zmienić. Należałoby dokonać takiego porównania: dana osoba mieszka na określonej ulicy, w określonym domu i mieszkaniu i nie może samowolnie przenieść się do innego domu, mieszkania lub innej ulicy. Pewna liczba nukleotydów w genie oznacza, że ​​każdy gen ma określoną liczbę nukleotydów i nie może być większa lub mniejsza. Na przykład gen kodujący produkcję insuliny ma długość 60 par zasad; gen kodujący wytwarzanie hormonu oksytocyny ma długość 370 pz.

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

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

Co to jest chromosom? chromosomy płciowe

Całość genów danej osoby nazywa się genomem. Naturalnie całego genomu nie można upakować w jednym DNA. Genom jest podzielony na 46 par cząsteczek DNA. Jedna para cząsteczek DNA nazywana jest chromosomem. Więc to właśnie te chromosomy dana osoba ma 46 sztuk. Każdy chromosom niesie ściśle określony zestaw genów, np. 18. chromosom zawiera geny kodujące kolor oczu itp. Chromosomy różnią się od siebie długością i kształtem. Najpopularniejsze formy to X lub Y, ale są też inne. Osoba ma dwa chromosomy o tym samym kształcie, które nazywane są sparowanymi (parami). W związku z takimi różnicami wszystkie sparowane chromosomy są ponumerowane - jest ich 23 pary. Oznacza to, że istnieje para chromosomów nr 1, para nr 2, nr 3 i tak dalej. Każdy gen odpowiedzialny za daną cechę znajduje się na tym samym chromosomie. We współczesnych podręcznikach dla specjalistów lokalizację genu można wskazać na przykład w następujący sposób: chromosom 22, ramię długie.

Jakie są różnice między chromosomami?

Czym jeszcze chromosomy różnią się od siebie? Co oznacza termin długie ramię? Weźmy chromosomy w kształcie X. Przecięcie nici DNA może nastąpić ściśle pośrodku (X) lub może nie nastąpić centralnie. Gdy takie przecięcie nici DNA nie następuje centralnie, to w stosunku do punktu przecięcia jedne końce są odpowiednio dłuższe, inne krótsze. Takie długie końce są powszechnie nazywane długim ramieniem chromosomu, a krótkie końce odpowiednio krótkim ramieniem. Chromosomy w kształcie Y są przeważnie zajęte przez długie ramiona, a krótkie są bardzo małe (na schemacie nawet ich nie zaznaczono).

Wielkość chromosomów jest zmienna: największe są chromosomy z par nr 1 i nr 3, najmniejsze z par nr 17, nr 19.

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

Choroby dziedziczne i uszkodzenia chromosomów

Jednak zdarzają się „załamania” genomu, wtedy u ludzi wykrywane są choroby genetyczne. Na przykład, jeśli w 21 parach chromosomów zamiast dwóch znajdują się trzy chromosomy, osoba rodzi się z zespołem Downa.

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

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

Dziś tzw predykatywny medycyna. W ramach tej praktyki lekarskiej identyfikuje się predyspozycje danej osoby (na podstawie identyfikacji odpowiednich genów), a następnie podaje się mu zalecenia - jaką dietę stosować, jak prawidłowo zmieniać reżim pracy i odpoczynku, aby nie zachorować.

Jak odczytać informację zakodowaną w DNA?

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

Jak zachodzi synteza RNA, jak syntetyzowane jest białko za pomocą RNA?

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

W jaki sposób synteza białka kodowana jest przez konkretny gen?

Po opuszczeniu jądra RNA przedostaje się do cytoplazmy. Już w cytoplazmie RNA można, jako matrycę, wbudować w specjalne układy enzymatyczne (rybosomy), które mogą syntetyzować, kierując się informacją z RNA, odpowiednią sekwencję aminokwasów białka. Jak wiadomo, cząsteczka białka składa się z aminokwasów. W jaki sposób rybosom wie, który aminokwas przyłączyć do rosnącego łańcucha białkowego? Odbywa się to w oparciu o kod tripletowy. Kod tripletowy oznacza, że ​​sekwencja trzech nukleotydów łańcucha RNA ( tryplet, na przykład GGU) koduje jeden aminokwas (w tym przypadku glicynę). Każdy aminokwas jest kodowany przez określoną trójkę. I tak rybosom „odczytuje” triplet, określa, który aminokwas powinien zostać dodany jako następny, gdy informacja zostanie wczytana do RNA. Kiedy tworzy się łańcuch aminokwasów, przyjmuje on określoną formę przestrzenną i staje się białkiem zdolnym do wykonywania przypisanych mu funkcji enzymatycznych, budulcowych, hormonalnych i innych.

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

Podobna treść

Mizulin Nikołaj Michajłowicz
Chemia

Mizulin Nikołaj Michajłowicz

Siergiej Szojgu, biografia, aktualności, zdjęcia
Chemia

Siergiej Szojgu, biografia, aktualności, zdjęcia

Dzieci rosyjskich urzędników i biznesmenów zajmujących wysokie stanowiska
Chemia

Dzieci rosyjskich urzędników i biznesmenów zajmujących wysokie stanowiska