Predložena je struktura molekule DNA. Struktura DNK: značajke, shema
Molekularna genetika – grana genetike koja se bavi proučavanjem nasljedstva na molekularnoj razini.
Nukleinske kiseline. Replikacija DNA. Reakcije sinteze matriksa
Nukleinske kiseline (DNA, RNA) otkrio je 1868. švicarski biokemičar I.F. Misher. Nukleinske kiseline su linearni biopolimeri koji se sastoje od monomera - nukleotida.
DNA - struktura i funkcija
Kemijsku strukturu DNA dešifrirali su 1953. američki biokemičar J. Watson i engleski fizičar F. Crick.
Opća struktura DNK. Molekula DNA sastoji se od 2 lanca, koji su uvijeni u spiralu (slika 11) jedan oko drugog i oko zajedničke osi. Molekule DNA mogu sadržavati od 200 do 2x10 8 parova baza. Uz spiralu molekule DNA, susjedni nukleotidi smješteni su na udaljenosti 0,34 nm jedan od drugog. Potpuni zavoj spirale uključuje 10 parova baza. Njegova duljina je 3,4 nm.
Riža. 11 ... Dijagram strukture DNK (dvostruka spirala)
Polimernost molekule DNA. Molekula DNA - bioploimer sastoji se od složenih spojeva - nukleotida.
Struktura nukleotida DNA. DNK nukleotid se sastoji od 3 jedinice: jedne od dušikovih baza (adenin, gvanin, citozin, timin); deoksiriboza (monosaharid); ostatak fosforne kiseline (slika 12).
Postoje 2 skupine dušikovih baza:
purin - adenin (A), gvanin (G), koji sadrži dva benzenska prstena;
pirimidin - timin (T), citozin (C), koji sadrži jedan benzenski prsten.
DNK sadrži sljedeće vrste nukleotida: adenin (A); gvanin (G); citozin (C); timin (T). Nazivi nukleotida odgovaraju nazivima dušičnih baza koje čine njihov sastav: adenin nukleotid dušična baza adenin; guanin nukleotid dušikova baza gvanin; citozin nukleotid dušikova baza citozin; timin nukleotid dušična baza timin.
Spajanje dva lanca DNA u jednu molekulu
Nukleotidi A, G, C i T jednog lanca povezani su s nukleotidima T, C, G i A drugog lanca vodikove veze... Između A i T nastaju dvije vodikove veze, a između G i C nastaju tri vodikove veze (A = T, G≡C).
Parovi baza (nukleotida) A - T i G - C nazivaju se komplementarni, odnosno međusobno odgovaraju. Komplementarnost Je li kemijska i morfološka korespondencija nukleotida međusobno u uparenim lancima DNA.
5 ’ 3 ’
1 2 3
3’ 5’
Riža. 12 Presjek dvostruke spirale DNK. Struktura nukleotida (1 - ostatak fosforne kiseline; 2 - deoksiriboza; 3 - dušikova baza). Povezivanje nukleotida pomoću vodikovih veza.
Lanci u molekuli DNA antiparalelno, odnosno usmjeren u suprotnim smjerovima, tako da je 3'-kraj jedne niti nasuprot 5'-kraja druge niti. Genetske informacije u DNK zapisane su od 5 'kraja do 3' kraja. Ova nit se naziva semantička DNK,
jer se geni nalaze ovdje. Druga nit - 3' -5 'služi kao standard za pohranu genetskih podataka.
Odnos između broja različitih baza u DNA uspostavio je E. Chargaff 1949. Chargaff je otkrio da je u DNK različitih vrsta količina adenina jednaka količini timina, a količina gvanina jednaka količini citozin.
E. Chargaffovo pravilo:
u molekuli DNA broj A (adenin) nukleotida uvijek je jednak broju T (timin) nukleotida ili omjeru ∑ A prema ∑ T = 1. Zbroj G (gvanin) nukleotida jednak je zbroju C (citozin) nukleotida ili omjeru ∑ G prema ∑ C = 1;
zbroj purinskih baza (A + G) jednak je zbroju pirimidinskih baza (T + C) ili omjeru ∑ (A + G) prema ∑ (T + C) = 1;
Metoda sinteze DNA - replikacija... Replikacija je proces samo-dupliciranja molekule DNA, koji se provodi u jezgri pod kontrolom enzima. Javlja se samozadovoljstvo molekule DNA na temelju komplementarnosti- strogo podudaranje nukleotida jedan s drugim u uparenim lancima DNA. Na početku procesa replikacije, molekula DNA se odmotava (despiralizira) na određenom području (slika 13), dok se vodikove veze oslobađaju. Na svakom od lanaca nastalih nakon puknuća vodikovih veza, uz sudjelovanje enzima DNA polimiraze, sintetizira se kćerinski lanac DNA. Materijal za sintezu su slobodni nukleotidi sadržani u citoplazmi stanica. Ti se nukleotidi postavljaju komplementarno nukleotidima dvaju majčinskih DNA lanaca. Enzim DNA polimeraze veže komplementarne nukleotide na matricu DNA lanca. Na primjer, nukleotidu A predložak polimeraze veže nukleotid T i prema tome nukleotid C do nukleotida G (slika 14). Do umrežavanja komplementarnih nukleotida dolazi enzimom DNA ligaze... Tako se udvostručavanjem sintetiziraju dva kćeri DNK lanca.
Dobivene dvije molekule DNA iz jedne molekule DNK su polukonzervativni model jer se sastoje od starih roditeljskih i novih kćeri lanaca i točna su kopija roditeljske molekule (slika 14). Biološko značenje replikacije je točan prijenos nasljednih informacija s roditeljske molekule na molekulu kćer.
Riža. 13 ... Despiralizacija molekule DNA pomoću enzima
1
Riža. 14 ... Replikacija - stvaranje dvije molekule DNA iz jedne molekule DNA: 1 - kćer molekula DNA; 2 - majčinska (roditeljska) molekula DNA.
Enzim DNA polimeraze može se kretati duž lanca DNA samo u smjeru 3 '-> 5'. Budući da su komplementarni lanci u molekuli DNA usmjereni u suprotnim smjerovima, a enzim DNA polimeraze može se kretati duž lanca DNA samo u smjeru 3 '-> 5', sinteza novih niti je antiparalelna ( antiparalelizam).
Mjesto lokalizacije DNK... DNK je sadržana u jezgri stanice, u matrici mitohondrija i kloroplasta.
Količina DNA u stanici je konstantna i iznosi 6,6x10 -12 g.
DNK funkcije:
Pohrana i prijenos u brojnim generacijama genetskih informacija u molekule i - RNK;
Strukturne. DNK je strukturna osnova kromosoma (kromosom je 40% DNK).
Vrste specifičnosti DNK... Sastav nukleotida DNA služi kao kriterij vrste.
RNA, građa i funkcija.
Opća struktura.
RNA je linearni biopolimer koji se sastoji od jednog polinukleotidnog lanca. Razlikovati primarnu i sekundarnu strukturu RNK. Primarna struktura RNK je jednolančana molekula, a sekundarna struktura je u obliku križa i karakteristična je za t-RNK.
Polimernost molekule RNK... Molekula RNA može se kretati od 70 nukleotida do 30 000 nukleotida. Nukleotidi koji čine RNK su sljedeći: adenil (A), gvanil (G), citidil (C), uracil (U). U RNA nukleotid timina zamjenjuje nukleotid uracil (U).
Struktura nukleotida RNK.
RNA nukleotid uključuje 3 karike:
dušična baza (adenin, gvanin, citozin, uracil);
monosaharid - riboza (riboza sadrži kisik na svakom atomu ugljika);
ostatak fosforne kiseline.
Metoda sinteze RNA - transkripcija... Transkripcija je, poput replikacije, reakcija sinteze matriksa. Matriks je molekula DNA. Reakcija se odvija prema principu komplementarnosti na jednom od lanaca DNA (slika 15). Proces transkripcije započinje despiralizacijom molekule DNA na određenom mjestu. Na prepisanom lancu DNK nalazi se promotor - skupina DNA nukleotida, s kojom započinje sinteza molekule RNA. Enzim se veže za promotor RNA polimeraza... Enzim aktivira proces transkripcije. Prema principu komplementarnosti, kompletirani su nukleotidi koji dolaze iz citoplazme stanice u prepisani lanac DNA. RNA polimeraza aktivira poravnanje nukleotida u jedan lanac i stvaranje molekule RNA.
U procesu transkripcije razlikuju se četiri faze: 1) vezanje RNA polimeraze s promotorom; 2) početak sinteze (inicijacija); 3) elongacija - rast lanca RNA, odnosno dolazi do uzastopnog vezivanja nukleotida jedan za drugi; 4) prekid - završetak sinteze i -RNA.
Riža. 15 ... Shema transkripcije
1 - molekula DNA (dvolančana); 2 - molekula RNA; 3 - kodoni; 4 - promotor.
1972. američki znanstvenici - virolog H.M. Temin i molekularni biolog D. Baltimore otkrili su obrnutu transkripciju pomoću virusa u stanicama tumora. Obrnuta transkripcija- prepisivanje genetskih informacija iz RNK u DNK. Proces se odvija uz pomoć enzima reverzna transkriptaza.
Vrste RNK prema funkciji
Informacijska ili messenger RNA (i-RNA, ili m-RNA) prenosi genetske informacije iz molekule DNA na mjesto sinteze proteina-u ribosom. Sintetizira se u jezgri uz sudjelovanje enzima RNA polimeraze. Čini 5% svih vrsta RNA u stanici. i-RNA sadrži od 300 nukleotida do 30 000 nukleotida (najduži lanac među RNK).
Transportna RNA (t-RNA) prenosi aminokiseline do mjesta sinteze proteina, ribosoma. Ima oblik križa (slika 16) i sastoji se od 70 - 85 nukleotida. Njegova količina u stanici je 10-15% RNK stanice.
Riža. 16. Shema strukture t -RNK: A - D - parovi nukleotida povezani vodikovim vezama; D - mjesto vezivanja aminokiseline (akceptorsko mjesto); E - antikodon.
3. Ribosomska RNA (r-RNA) sintetizira se u jezgri i dio je ribosoma. Sadrži približno 3000 nukleotida. Čini 85% RNK stanice. Ova vrsta RNA nalazi se u jezgri, u ribosomima, na endoplazmatskom retikulumu, u kromosomima, u mitohondrijskom matriksu, a također i u plastidama.
Osnove citologije. Rješavanje tipičnih zadataka
Problem 1
Koliko nukleotida timina i adenina sadrži DNK ako se u njoj nađe 50 citozinskih nukleotida, što je 10% svih nukleotida.
Riješenje. Prema pravilu komplementarnosti u dvostrukom lancu DNA, citozin je uvijek komplementaran s gvaninom. 50 citozinskih nukleotida čini 10%, pa prema Chargaffovom pravilu 50 gvanin nukleotida također čini 10%, ili (ako je C = 10%, tada je ∑G = 10%).
Zbroj para nukleotida C + G je 20%
Zbroj para nukleotida T + A = 100% - 20% (C + G) = 80%
Da biste saznali koliko nukleotida timina i adenina sadrži DNK, morate napraviti sljedeći omjer:
50 citozinskih nukleotida → 10%
X (T + A) → 80%
X = 50x80: 10 = 400 komada
Prema Chargaffovom pravilu ∑A = ∑T, dakle ∑A = 200 i ∑T = 200.
Odgovor: broj timina, kao i adenin nukleotida u DNK, je 200.
Problem 2
Timinski nukleotidi u DNA čine 18% od ukupnog broja nukleotida. Odredite postotak preostalih vrsta nukleotida sadržanih u DNA.
Riješenje.∑T = 18%. Prema Chargaffovom pravilu T = ∑A, stoga udio adeninskih nukleotida također čini 18% (∑A = 18%).
Zbroj T + A nukleotidnog para je 36% (18% + 18% = 36%). Za nekoliko nukleotida GiC čini: G + C = 100% -36% = 64%. Budući da je gvanin uvijek komplementaran citozinu, njihov sadržaj u DNA bit će jednak,
odnosno ∑ G = ∑C = 32%.
Odgovor: sadržaj gvanina, poput citozina, je 32%.
Problem 3
20 nukleotida DNA citozina čini 10% od ukupnog broja nukleotida. Koliko adenin nukleotida postoji u molekuli DNA?
Riješenje. U dvostrukom lancu DNK, količina citozina jednaka je količini gvanina, pa je njihov zbroj: C + G = 40 nukleotida. Pronađi ukupan broj nukleotida:
20 citozinskih nukleotida → 10%
X (ukupan broj nukleotida) → 100%
X = 20x100: 10 = 200 komada
A + T = 200 - 40 = 160 komada
Budući da je adenin komplementaran s timinom, njihov sadržaj će biti jednak,
tj. 160 komada: 2 = 80 komada, ili ∑A = ∑T = 80.
Odgovor: Molekula DNA sadrži 80 adenin nukleotida.
Problem 4
Dodajte nukleotide desnog lanca DNA ako su poznati nukleotidi njegovog lijevog lanca: AGA - TAT - GTG - TCT
Riješenje. Konstrukcija desnog lanca DNA prema danom lijevom lancu provodi se prema načelu komplementarnosti - strogoj međusobnoj podudarnosti nukleotida: adenonski - timin (A - T), gvanin - citozin (G - C). Stoga bi nukleotidi desnog lanca DNA trebali biti sljedeći: TCT - ATA - CAC - AGA.
Odgovor: nukleotidi desnog lanca DNA: TCT - ATA - TsAC - AGA.
Problem 5
Zapišite transkripciju ako prepisani lanac DNA ima sljedeći nukleotidni red: AGA - TAT - THT - TCT.
Riješenje... Molekula i-RNA sintetizirana je prema principu komplementarnosti na jednom od lanaca molekule DNA. Znamo redoslijed nukleotida u lancu transkribirane DNA. Stoga je potrebno izgraditi komplementarni lanac i-RNA. Treba zapamtiti da je umjesto timina u molekulu RNA uključen uracil. Stoga:
DNK lanac: AGA - TAT - THT - TCT
Lanac i -RNA: UCU - AUA –ACA –AGA.
Odgovor: slijed nukleotida i -RNA je sljedeći: UCU - AUA - ACA –AGA.
Problem 6
Zapišite obrnutu transkripciju, tj. Izgradite fragment dvolančane molekule DNA od predloženog fragmenta i-RNA, ako lanac i-RNA ima sljedeću nukleotidnu sekvencu:
GCG - ATS - UUU - UCG - CGU - AGU - ATA
Riješenje. Obrnuta transkripcija je sinteza molekule DNA na temelju genetskog koda m-RNA. M -RNA koja kodira molekulu DNA ima sljedeći nukleotidni red: GCG - ACA - UUU - UCH - TsGU - AGU - AGA. Komplementaran mu je lanac DNA: CHC - THT - AAA - AGC - HCA - TCA - TCT. Drugi DNK lanac: GCG - ACA - TTT - TCG - CGT - AGT - AGA.
Odgovor: kao rezultat obrnute transkripcije, sintetizirana su dva lanca molekule DNA: CGC - TGT - AAA - AGC - HCA - TCA i GCG - ACA - TTT - TCG - CGT - AGT - AGA.
Genetski kod. Biosinteza proteina.
Gen- dio molekule DNA koji sadrži genetske podatke o primarnoj strukturi jednog specifičnog proteina.
Exon-intron struktura genaeukarioti
promotor- komad DNA (duljine do 100 nukleotida) na koji je enzim vezan RNA polimeraza potrebno za transkripciju;
2) regulatorno područje- zona koja utječe na aktivnost gena;
3) strukturni dio gena- genetske informacije o primarnoj strukturi proteina.
DNK nukleotidna sekvenca koja nosi genetske podatke o primarnoj strukturi proteina - egzon... Oni su također dio i-RNA. DNK nukleotidna sekvenca koja ne nosi genetske podatke o primarnoj strukturi proteina - intron... Oni nisu dio i-RNK. Tijekom transkripcije, uz pomoć posebnih enzima, kopije introna izrezuju se iz i-RNA, a kopije egzona spajaju se tijekom stvaranja molekule i-RNA (slika 20). Taj proces se naziva spajanje.
Riža. 20 ... Shema spajanja (stvaranje zrele i-RNA u eukariota)
Genetski kod - sustav nukleotidnih sekvenci u molekuli DNA, ili m-RNA, koji odgovara slijedu aminokiselina u polipeptidnom lancu.
Svojstva genetskog koda:
Trojstvo(ACA - GTG - GTsG ...)
Genetski kod je trojka, budući da je svaka od 20 aminokiselina kodirana nizom od tri nukleotida ( trojka, kodon).
Postoji 64 vrste nukleotidnih tripleta (4 3 = 64).
Jednoznačnost (specifičnost)
Genetski kod je nedvosmislen, budući da svaki pojedinačni triplet nukleotida (kodon) kodira samo jednu aminokiselinu ili jedan kodon uvijek odgovara jednoj aminokiselini (tablica 3).
Pluralitet (suvišnost ili degeneracija)
Jedna te ista aminokiselina može biti kodirana s nekoliko trojki (od 2 do 6), budući da postoji 20 aminokiselina koje tvore proteine i 64 tripleta.
Kontinuitet
Čitanje genetskih informacija događa se u jednom smjeru, slijeva nadesno. Ako dođe do gubitka jednog nukleotida, tada će tijekom čitanja njegovo mjesto zauzeti najbliži nukleotid iz susjednog trojca, što će dovesti do promjene genetskih informacija.
Svestranost
Genetski kod karakterističan je za sve žive organizme, a iste trojke kodiraju istu aminokiselinu u svim živim organizmima.
Ima početne i završne trojke(početna trojka - AUG, terminalne trojke UAA, UGA, UAG). Ove vrste trojki ne kodiraju aminokiseline.
Ne preklapa se (diskretnost)
Genetski kod se ne preklapa, budući da se isti nukleotid ne može istodobno uključiti u dvije susjedne trojke. Nukleotidi mogu pripadati samo jednoj trojki, a ako ih preuredite u drugu trojku, doći će do promjene genetskih podataka.
Tablica 3 - Tablica genetskog koda
|
Kodonske baze |
|||||
Napomena: Skraćeni nazivi aminokiselina dati su u skladu s međunarodnom terminologijom.
Biosinteza proteina
Biosinteza proteina - vrsta zamjene plastike tvari u stanici, koje se javljaju u živim organizmima pod djelovanjem enzima. Biosintezi bjelančevina prethode reakcije sinteze matriksa (replikacija - sinteza DNA; transkripcija - sinteza RNA; translacija - montaža proteinskih molekula na ribosomima). U procesu biosinteze proteina razlikuju se dvije faze:
transkripcija
emitiranje
Tijekom transkripcije, genetske informacije sadržane u DNA pronađenoj u kromosomima jezgre prenose se u molekulu RNA. Po završetku procesa transkripcije, m-RNA ulazi u citoplazmu stanice kroz pore u nuklearnoj membrani, nalazi se između 2 podjedinice ribosoma i sudjeluje u biosintezi proteina.
Prijevod je proces prevođenja genetskog koda u niz aminokiselina. Translacija se vrši u citoplazmi stanice na ribosomima, koji se nalaze na površini EPS -a (endoplazmatski retikulum). Ribosomi su sferne granule prosječnog promjera 20 nm, koje se sastoje od velikih i malih podjedinica. Molekula i-RNA nalazi se između dvije podjedinice ribosoma. Proces prevođenja uključuje aminokiseline, ATP, i-RNA, t-RNA, enzim amino-acil t-RNA sintetazu.
Codon- dio molekule DNA ili m-RNA, koji se sastoji od tri sekvencijalno smještena nukleotida, koji kodiraju jednu aminokiselinu.
Antikodon-područje molekule t-RNA, koje se sastoji od tri uzastopna nukleotida i komplementarno je kodonu molekule i-RNA. Kodoni su komplementarni odgovarajućim antikodonima i s njima su povezani vodikovim vezama (slika 21).
Sinteza proteina počinje s startni kodon AUG... Od njega ribosom
kreće se duž molekule i-RNA, triplet po triplet. Aminokiseline dolaze iz genetskog koda. Njihovo umetanje u polipeptidni lanac na ribosomu događa se uz pomoć t-RNK. Primarna struktura t-RNK (lanac) prelazi u sekundarnu strukturu koja oblikom podsjeća na križ, a istodobno se u njoj čuva komplementarnost nukleotida. U donjem dijelu t-RNA nalazi se akceptorsko mjesto za koje je vezana aminokiselina (slika 16). Aminokiselinu aktivira enzim aminoacil t-RNA sintetaza... Bit ovog procesa je u tome što ovaj enzim stupa u interakciju s aminokiselinom i s ATP -om. U tom slučaju nastaje trostruki kompleks, predstavljen ovim enzimom, aminokiselinom i ATP -om. Aminokiselina je obogaćena energijom, aktivirana i stječe sposobnost stvaranja peptidnih veza sa susjednom aminokiselinom. Bez procesa aktivacije aminokiseline, polipeptidni lanac ne može nastati iz aminokiselina.
Suprotni, gornji dio molekule t-RNA sadrži triplet nukleotida antikodon, uz pomoć kojih je t-RNA vezana za svoj komplementarni kodon (slika 22).
Prva molekula t-RNA, s aktiviranom aminokiselinom na nju, veže svoj antikodon na kodon m-RNA, a jedna se aminokiselina pojavljuje u ribosomu. Zatim je druga t-RNA vezana svojim antikodonom na odgovarajući kodon m-RNK. U tom slučaju u ribosomu već postoje 2 aminokiseline između kojih nastaje peptidna veza. Prva t-RNA napušta ribosom čim donira aminokiselinu polipeptidnom lancu na ribosomu. Zatim se treća aminokiselina veže za dipeptid, donosi je treća t -RNA itd. Sinteza proteina prestaje na jednom od krajnjih kodona - UAA, UAG, UGA (slika 23).
1 - i -RNA kodon; kodoniUCG -UCH; CUA -CUA; CGU -CSU;
2 - t -RNA antikodon; antikodon GAT - GAT
Riža. 21 ... Faza translacije: m-RNA kodon privučen je antikodonom t-RNA odgovarajućim komplementarnim nukleotidima (bazama)
Svi znamo da se čovjekov izgled, neke navike, pa čak i bolesti nasljeđuju. Svi ti podaci o živom biću kodirani su u genima. Pa kako izgledaju ti poslovični geni, kako funkcioniraju i gdje se nalaze?
Dakle, nositelj svih gena bilo koje osobe ili životinje je DNK. Ovaj spoj otkrio je 1869. Johann Friedrich Miescher, kemijski je DNK deoksiribonukleinska kiselina. Što to znači? Kako ova kiselina nosi genetski kod cijelog života na našem planetu?
Počnimo gledajući gdje se nalazi DNK. U ljudskoj stanici postoji mnogo organela koji obavljaju različite funkcije. DNK se nalazi u jezgri. Jezgra je mala organela koja je okružena posebnom membranom, a u kojoj je pohranjen sav genetski materijal - DNK.
Koja je struktura molekule DNK?
Prije svega, pogledajmo što je DNK. DNK je vrlo duga molekula sastavljena od građevnih blokova - nukleotida. Postoje 4 vrste nukleotida - adenin (A), timin (T), gvanin (G) i citozin (C). Nukleotidni lanac shematski izgleda ovako: GGAATCTAAG ... Ovo je slijed nukleotida koji je lanac DNA.Strukturu DNA prvi su dešifrirali 1953. James Watson i Francis Crick.
U jednoj molekuli DNA postoje dva lanca nukleotida koji su spiralno uvijeni jedan oko drugog. Kako se ti nukleotidni lanci drže zajedno i uvijaju u spiralu? Ova pojava je posljedica svojstva komplementarnosti. Komplementarnost znači da se samo određeni nukleotidi (komplementarni) mogu nalaziti jedan nasuprot drugome u dvije niti. Dakle, nasuprot adeninu uvijek postoji timin, a nasuprot gvaninu uvijek samo citozin. Dakle, gvanin je komplementaran citozinu, a adenin komplementaran s timinom.Takvi parovi nukleotida okrenuti jedan prema drugom u različitim nitima također se nazivaju komplementarni.
Shematski se može prikazati na sljedeći način:
G - C
T - A
T - A
C - G
Ovi komplementarni parovi A - T i G - C tvore kemijsku vezu između nukleotida para, a veza između G i C je jača nego između A i T. Veza nastaje strogo između komplementarnih baza, to jest stvaranja veze između nekomplementarnih G i A je nemoguće.
DNA pakiranje, kako lanac DNA postaje kromosom?
Zašto se ti nukleotidni lanci DNA također uvijaju jedan oko drugog? Zašto je to potrebno? Činjenica je da je broj nukleotida ogroman i potrebno je puno prostora za smještaj tako dugih lanaca. Iz tog razloga dolazi do spiralnog uvijanja dva lanca DNA oko drugog. Taj se fenomen naziva spiralizacija. Kao rezultat spiralizacije, niti DNK skraćuju se 5-6 puta.Neke molekule DNA tijelo aktivno koristi, dok se druge rijetko koriste. Takve rijetko korištene molekule DNA, uz spiralizaciju, prolaze još kompaktnije "pakiranje". Ovo kompaktno pakiranje naziva se superkolutanje i skraćuje DNK lanac za 25-30 puta!
Kako se odvija pakiranje DNK niti?
Za super namotavanje koriste se histonski proteini koji imaju izgled i strukturu šipke ili navoja. Spiralizirani lanci DNA namotani su na te "zavojnice" - proteine histona. Dakle, dugačak konac postaje vrlo kompaktno pakiran i zauzima vrlo malo prostora. Ako je potrebno upotrijebiti ovu ili onu molekulu DNK, dolazi do procesa "odmotavanja", odnosno DNK lanac se "odmotava" iz "zavojnice" - proteina histona (ako je na njega bio namotan) i odmotan iz spirala u dva paralelna lanca. A kad je molekula DNA u takvom raspletenom stanju, iz nje se mogu iščitati potrebne genetske informacije. Štoviše, čitanje genetskih informacija događa se samo iz ispletenih niti DNK!
Skup super namotanih kromosoma naziva se heterokromatin i kromosomi dostupni za čitanje informacija - euhromatin.
Što su geni, kakav je njihov odnos prema DNK?
Pogledajmo sada koji su geni. Poznato je da postoje geni koji određuju krvnu grupu, boju očiju, kose, kože i mnoga druga svojstva našeg tijela. Gen je strogo definiran odsječak DNA, koji se sastoji od određenog broja nukleotida koji se nalaze u strogo definiranoj kombinaciji. Položaj u strogo definiranom području DNK znači da je određenom genu dodijeljeno njegovo mjesto, pa je nemoguće promijeniti to mjesto. Primjereno je napraviti takvu usporedbu: osoba živi u određenoj ulici, u određenoj kući i stanu, a osoba se ne može samovoljno preseliti u drugu kuću, stan ili u drugu ulicu. Određeni broj nukleotida u genu znači da svaki gen ima određeni broj nukleotida i ne može postati više ili manje. Na primjer, gen koji kodira proizvodnju inzulina dugačak je 60 parova baza; gen koji kodira proizvodnju hormona oksitocina - od 370 parova baza. Strogi slijed nukleotida jedinstven je za svaki gen i strogo je definiran. Na primjer, niz AATTAATA je fragment gena koji kodira proizvodnju inzulina. Za dobivanje inzulina koristi se upravo takav slijed; za dobivanje, na primjer, adrenalina, koristi se drugačija kombinacija nukleotida. Važno je shvatiti da samo određena kombinacija nukleotida kodira određeni "proizvod" (adrenalin, inzulin itd.). Takva jedinstvena kombinacija određenog broja nukleotida, koja stoji na "svom mjestu" - to je gen.
Osim gena, u lancu DNA nalaze se i takozvane "nekodirajuće sekvence". Takve nekodirajuće nukleotidne sekvence reguliraju rad gena, pomažu pri spiralizaciji kromosoma i označavaju početak i kraj gena. Međutim, do danas uloga većine nekodirajućih sekvenci ostaje nejasna.
Što je kromosom? Spolni kromosomi
Zbirka gena pojedinca naziva se genom. Naravno, nemoguće je uklopiti cijeli genom u jednu DNK. Genom se razlaže na 46 parova molekula DNA. Jedan par molekula DNA naziva se kromosom. Dakle, ti kromosomi osoba ima 46 komada. Svaki kromosom nosi strogo definiran skup gena, na primjer, kromosom 18 sadrži gene koji kodiraju boju očiju itd. Kromosomi se međusobno razlikuju po duljini i obliku. Najčešći oblici su X ili Y, ali postoje i drugi. Osoba ima dva kromosoma istog oblika, koji se nazivaju upareni (parovi). Zbog takvih razlika svi su upareni kromosomi numerirani - ima ih 23 para. To znači da postoji par kromosoma # 1, par # 2, # 3 itd. Svaki gen odgovoran za određenu osobinu nalazi se na istom kromosomu. U suvremenim priručnicima za stručnjake lokalizacija gena može se naznačiti, na primjer, na sljedeći način: 22 kromosoma, duga ruka.Koje su razlike između kromosoma?
Po čemu se kromosomi inače razlikuju? Što znači izraz dugo rame? Uzmimo kromosome oblika X. Sjecište niti DNK može se dogoditi strogo u sredini (X) ili se ne može dogoditi središnje. Kada se takvo sjecište niti DNK ne dogodi u središtu, tada su u odnosu na točku križanja neki krajevi duži, drugi kraći. Takvi dugi krajevi obično se nazivaju dugim krakom kromosoma, a kratki kraćim krakom. U kromosomima Y oblika duga ramena zauzimaju većinu njih, a kratka su vrlo mala (nisu ni označena na shematskoj slici). Veličina kromosoma varira: najveći su kromosomi parova # 1 i # 3, najmanji su kromosomi parova # 17, # 19.
Osim oblika i veličine, kromosomi se razlikuju i po svojim funkcijama. Od 23 para, 22 su somatska, a 1 seksualni. Što to znači? Somatski kromosomi određuju sve vanjske znakove pojedinca, značajke njegovih reakcija u ponašanju, nasljedni psihotip, odnosno sve osobine i karakteristike svake pojedine osobe. Par spolnih kromosoma određuje spol osobe: muški ili ženski. Postoje dvije vrste ljudskih spolnih kromosoma - X (X) i Y (Y). Ako se kombiniraju kao XX (X - X) - ovo je žena, a ako XY (X - Y) - imamo muškarca.
Nasljedne bolesti i oštećenje kromosoma
Međutim, događaju se "slomovi" genoma, tada se kod ljudi otkrivaju genetske bolesti. Na primjer, kada postoje tri kromosoma na 21 paru kromosoma umjesto dva, osoba se rađa s Down sindromom.Mnogo je manjih "kvarova" genetskog materijala koji ne dovode do pojave bolesti, već, naprotiv, daju dobra svojstva. Svi "kvarovi" genetskog materijala nazivaju se mutacije. Mutacije koje dovode do bolesti ili pogoršanja tjelesnih svojstava smatraju se negativnim, a mutacije koje dovode do stvaranja novih korisnih svojstava smatraju se pozitivnim.
Međutim, u odnosu na većinu bolesti od kojih ljudi danas boluju, to nije nasljedna bolest, već samo predispozicija. Na primjer, otac djeteta polako asimilira šećer. To ne znači da će se dijete roditi s dijabetesom, ali će dijete imati predispozicije. To znači da ako dijete zloupotrijebi slatkiše i proizvode od brašna, razvit će dijabetes melitus.
Danas su tzv predikativno lijek. U okviru ove liječničke prakse kod osobe se identificiraju predispozicije (na temelju identifikacije odgovarajućih gena), a zatim mu se daju preporuke - koju dijetu treba slijediti, kako ispravno izmjenjivati način rada i odmora kako da se ne razbolim.
Kako čitati informacije kodirane u DNK?
Kako možete pročitati informacije sadržane u DNK? Kako to koristi njezino vlastito tijelo? Sama DNK je svojevrsna matrica, ali ne jednostavna, već kodirana. Za čitanje informacija iz DNK matrice, prvo se prenose na poseban nosač - RNK. RNA je kemijski ribonukleinska kiselina. Razlikuje se od DNA po tome što može proći kroz nuklearnu membranu u stanicu, a DNK je lišena te sposobnosti (može biti samo u jezgri). Kodirane informacije koriste se u samoj ćeliji. Dakle, RNA je nositelj kodiranih informacija od jezgre do stanice.Kako se sintetizira RNA, kako se protein sintetizira uz pomoć RNK?
DNK lanci, iz kojih je potrebno "pročitati" informacije, odmotavaju se, prilazi im poseban enzim - "graditelj" i paralelno s lancem DNK sintetizira komplementarni lanac RNA. Molekula RNA također se sastoji od 4 vrste nukleotida - adenina (A), uracila (Y), gvanina (G) i citozina (C). U ovom slučaju sljedeći su parovi komplementarni: adenin - uracil, gvanin - citozin. Kao što vidite, za razliku od DNK, RNK koristi timil uracil. Odnosno, enzim "graditelj" djeluje na sljedeći način: ako vidi A u lancu DNA, tada veže Y za lanac RNA, ako G, tada veže C itd. Tako se od svakog aktivnog gena tijekom transkripcije stvara predložak - kopija RNA koja može proći kroz nuklearnu membranu. Kako dolazi do sinteze proteina kodiranog specifičnim genom?
Nakon napuštanja jezgre, RNA ulazi u citoplazmu. Već u citoplazmi RNA može biti, kao matrica, ugrađena u posebne enzimske sustave (ribosome), koji mogu sintetizirati, vodeći se informacijama o RNA, odgovarajuću proteinsku aminokiselinsku sekvencu. Kao što znate, molekula proteina sastoji se od aminokiselina. Kako ribosom uspijeva saznati koju aminokiselinu treba vezati za rastući proteinski lanac? To se radi na temelju trojnog koda. Triplet kod znači da je niz od tri nukleotida lanca RNA ( trojka, na primjer, HGH) kodiraju jednu aminokiselinu (u ovom slučaju glicin). Svaka aminokiselina kodirana je određenom trojkom. I tako, ribosom "čita" trojku, određuje koja aminokiselina treba biti sljedeća vezana dok čita informacije u RNA. Kad se formira lanac aminokiselina, on poprima određeni prostorni oblik i postaje protein sposoban obavljati enzimske, građevinske, hormonske i druge funkcije koje su mu dodijeljene.Proteini za bilo koji živi organizam proizvod su gena. Proteini određuju sva različita svojstva, kvalitete i vanjske manifestacije gena.
Molekula DNA sastoji se od dvije niti koje tvore dvostruku spiralu. Njegovu su strukturu prvi dešifrirali Francis Crick i James Watson 1953. godine.
Isprva je molekula DNK, koja se sastoji od para nukleotidnih lanaca uvijenih jedan oko drugog, postavila pitanje zašto ima baš takav oblik. Znanstvenici su ovaj fenomen nazvali komplementarnost, što znači da se samo određeni nukleotidi mogu nalaziti u njegovim nitima nasuprot jedan drugome. Na primjer, adenin je uvijek nasuprot timina, a gvanin suprotan citozinu. Ti se nukleotidi molekule DNA nazivaju komplementarni.
To je shematski prikazano na sljedeći način:
T - A
C - G
Ovi parovi tvore kemijsku nukleotidnu vezu koja određuje redoslijed po kojem su aminokiseline raspoređene. U prvom slučaju je nešto slabiji. Veza između C i G je jača. Nekomplementarni nukleotidi se ne spajaju međusobno.
O strukturi
Dakle, struktura molekule DNA je posebna. Ima takav oblik s razlogom: činjenica je da je broj nukleotida vrlo velik, a potrebno je puno prostora za smještaj dugih lanaca. Iz tog razloga je spiralno uvijanje svojstveno lancima. Taj se fenomen naziva spiralizacija i omogućuje da se vlakna skrate oko pet do šest puta.
Tijelo neke molekule ove vrste koristi vrlo aktivno, druge rijetko. Potonji, osim spiralizacije, prolaze i takvo "kompaktno pakiranje" kao superkolutanje. I tada se duljina molekule DNA smanjuje 25-30 puta.
Što je "pakiranje" molekule?
U procesu supermotacije uključeni su histonski proteini. Imaju strukturu i izgled navoja niti ili šipke. Na njih su namotane spiralizirane niti koje se odmah "kompaktno pakiraju" i zauzimaju malo mjesta. Kad postane potrebno upotrijebiti jedan ili drugi konac, odmotava se iz zavojnice, na primjer, proteina histona, a spirala se odmotava u dva paralelna lanca. Kad je molekula DNA u ovom stanju, iz nje se mogu iščitati potrebni genetski podaci. Međutim, postoji jedan uvjet. Dobivanje informacija moguće je samo ako je struktura DNK molekule iskrivljena. Kromosomi dostupni za čitanje nazivaju se euhromatini, a ako su supersipiralizirani, onda su to već heterokromatini.
Nukleinske kiseline
Nukleinske kiseline su, poput proteina, biopolimeri. Glavna funkcija je pohrana, provedba i prijenos nasljednih (genetskih podataka). Dvije su vrste: DNA i RNA (deoksiribonukleinska i ribonukleinska). Monomeri u njima su nukleotidi, od kojih svaki sadrži ostatak fosforne kiseline, šećer s pet ugljika (deoksiriboza / riboza) i dušičnu bazu. Kod DNA uključuje 4 vrste nukleotida - adenin (A) / gvanin (G) / citozin (C) / timin (T). Razlikuju se po dušičnoj bazi koju sadrže.
U molekuli DNA broj nukleotida može biti ogroman - od nekoliko tisuća do desetaka i stotina milijuna. Takve divovske molekule mogu se promatrati kroz elektronski mikroskop. U tom će slučaju biti moguće vidjeti dvostruki lanac polinukleotidnih niti, koji su međusobno povezani vodikovim vezama dušikovih baza nukleotida.
Istraživanje
Tijekom istraživanja znanstvenici su otkrili da se vrste molekula DNK u različitim živim organizmima razlikuju. Također je utvrđeno da se gvanin jednog lanca može vezati samo s citozinom, a timin - s adeninom. Raspored nukleotida jedne niti strogo odgovara paralelnoj. Zbog ove komplementarnosti polinukleotida, molekula DNA sposobna je za duplikaciju i samoreprodukciju. No prvo se komplementarni lanci razilaze pod utjecajem posebnih enzima koji uništavaju uparene nukleotide, a zatim u svakom od njih počinje sinteza lanca koji nedostaje. To je zbog slobodnih nukleotida prisutnih u velikim količinama u svakoj stanici. Kao rezultat toga, umjesto "roditeljske molekule" nastaju dvije "kćeri" molekule, identične po sastavu i strukturi, a DNK kod postaje izvorni. Ovaj proces je preteča diobe stanica. Omogućuje prijenos svih nasljednih podataka s majčinskih stanica na stanice kćeri, kao i na sve sljedeće generacije.
Kako se čita genetski kod?
Danas se ne računa samo masa molekule DNA - možete saznati i složenije podatke koji prije nisu bili dostupni znanstvenicima. Na primjer, možete pročitati informacije o tome kako tijelo koristi vlastitu stanicu. Naravno, u početku su te informacije kodirane i imaju oblik neke vrste matrice, pa se stoga moraju transportirati na poseban nosač, a to je RNA. Ribonukleinska kiselina može prodrijeti u stanicu kroz nuklearnu membranu i pročitati kodirane informacije iznutra. Dakle, RNA je nositelj skrivenih podataka od jezgre do stanice, a razlikuje se od DNA po tome što umjesto deoksiriboze sadrži ribozu, a umjesto timina uracil. Osim toga, RNA je jednolančana.
Sinteza RNK
Duboka analiza DNK pokazala je da nakon što RNA napusti jezgru, ona ulazi u citoplazmu, gdje se kao predložak može ugraditi u ribosome (posebni enzimski sustavi). Na temelju primljenih informacija mogu sintetizirati odgovarajući niz proteinskih aminokiselina. Iz trojnog koda ribosom uči kakav organski spoj mora biti vezan za proteinski lanac koji tvori. Svaka aminokiselina ima svoj triplet koji je kodira.
Nakon što je formiranje lanca dovršeno, dobiva specifičan prostorni oblik i pretvara se u protein sposoban obavljati svoje hormonske, građevinske, enzimske i druge funkcije. Za svaki organizam to je genski proizvod. Iz njega se određuju sve vrste kvaliteta, svojstava i manifestacija gena.
Geni
Prije svega, postupci sekvenciranja razvijeni su kako bi se dobile informacije o tome koliko gena ima struktura molekule DNA. I premda je istraživanje omogućilo znanstvenicima veliki napredak u ovom pitanju, još nije moguće znati točan broj njih.
Prije nekoliko godina pretpostavljalo se da molekule DNK sadrže približno 100 tisuća gena. Nešto kasnije ta se brojka smanjila na 80 tisuća, a 1998. genetičari su objavili da je u jednoj DNK prisutno samo 50 tisuća gena, što je samo 3% cijele duljine DNK. No, posljednji zaključci genetičara bili su zadivljeni. Sada tvrde da genom uključuje 25-40 tisuća ovih jedinica. Pokazalo se da je samo 1,5% kromosomske DNA odgovorno za kodiranje proteina.
Istraživanje tu nije stalo. Paralelni tim stručnjaka za genetski inženjering otkrio je da je broj gena u jednoj molekuli točno 32 tisuće. Kao što vidite, još uvijek je nemoguće dobiti konačan odgovor. Previše je kontradikcija. Svi se istraživači oslanjaju samo na vlastite rezultate.
Je li došlo do evolucije?
Unatoč činjenici da nema dokaza o evoluciji molekule (budući da je struktura molekule DNA krhka i male veličine), znanstvenici su dali jedan prijedlog. Na temelju laboratorijskih podataka, izrazili su verziju sljedećeg sadržaja: u početnoj fazi svog pojavljivanja, molekula je izgledala kao jednostavan samoreplicirajući peptid, koji je uključivao do 32 aminokiseline koje se nalaze u drevnim oceanima.
Nakon samo replikacije, zahvaljujući silama prirodne selekcije, molekule su stekle sposobnost zaštite od utjecaja vanjskih elemenata. Počeli su živjeti dulje i razmnožavati se u velikom broju. Molekule koje su se našle u lipidnom mjehuru imale su sve šanse za samoreprodukciju. Kao rezultat niza uzastopnih ciklusa, mjehurići lipida dobili su oblik staničnih membrana, a zatim - svih poznatih čestica. Valja napomenuti da je danas bilo koji dio molekule DNA složena i jasno funkcionirajuća struktura, čije značajke znanstvenici još nisu u potpunosti proučili.
Moderni svijet
Nedavno su izraelski znanstvenici razvili računalo koje može izvesti trilijune operacija u sekundi. Danas je to najbrži automobil na Zemlji. Čitava tajna je da inovativni uređaj pokreće DNK. Profesori kažu da će u kratkom roku takva računala čak moći generirati energiju.
Stručnjaci s Weizmannovog instituta u Rehovotu (Izrael) prije godinu dana najavili su stvaranje molekularnog računala koje se može programirati i sastoji se od molekula i enzima. Njima su zamijenili silikonske mikročipove. Tim se do sada još uvijek kreće naprijed. Sada samo jedna molekula DNA može dati računalu potrebne podatke i osigurati potrebno gorivo.
Biokemijski "nanoračunala" nisu fikcija, oni već postoje u prirodi i očituju se u svakom živom biću. No često ih ljudi ne kontroliraju. Osoba još ne može operirati genom bilo koje biljke kako bi izračunala, recimo, broj "pi".
Ideja o korištenju DNK za pohranu / obradu podataka prvi je put pala na pamet bistrim umovima znanstvenika 1994. godine. Tada je korištena molekula za rješavanje jednostavnog matematičkog problema. Od tada su brojne istraživačke skupine predložile različite projekte vezane uz DNA računala. Ali ovdje su se svi pokušaji temeljili samo na energetskoj molekuli. Takvo računalo ne možete vidjeti golim okom; izgleda kao prozirna otopina vode u epruveti. U njemu nema mehaničkih dijelova, već samo bilijuni biomolekularnih uređaja - i to samo u jednoj kapljici tekućine!
Ljudska DNK
Kakav je to ljudski DNK, ljudi su postali svjesni 1953. godine, kada su znanstvenici prvi put uspjeli svijetu pokazati dvolančani model DNK. Za to su Kirk i Watson dobili Nobelovu nagradu, budući da je ovo otkriće postalo temeljno u 20. stoljeću.
Naravno, s vremenom su dokazali da strukturirana ljudska molekula može izgledati ne samo kao u predloženoj verziji. Nakon detaljnije analize DNK, otkriveni su A-, B- i lijevi oblici Z-. Oblik A- često je iznimka, jer se formira samo ako nedostaje vlage. Ali to je moguće samo u laboratorijskim studijama, za prirodni okoliš to je abnormalno, u živoj stanici takav se proces ne može dogoditi.
Oblik B je klasičan i poznat je kao dvostruki desni lanac, ali oblik Z nije samo uvijen u suprotnom smjeru, ulijevo, već ima i cik-cak izgled. Znanstvenici su također identificirali G-kvadrupleksni oblik. U njegovoj strukturi nema 2, već 4 niti. Prema genetičarima, ovaj oblik se javlja u onim područjima gdje postoji višak gvanina.
Umjetna DNK
Umjetna DNK već postoji, što je identična kopija prave; savršeno ponavlja strukturu prirodne dvostruke spirale. No, za razliku od primordijalnog polinukleotida, u umjetnom postoje samo dva dodatna nukleotida.
Budući da je presnimavanje nastalo na temelju informacija dobivenih tijekom različitih studija stvarne DNK, ono se također može kopirati, samo replicirati i razvijati. Stručnjaci su oko 20 godina radili na stvaranju takve umjetne molekule. Rezultat je nevjerojatan izum koji može koristiti genetski kod na isti način kao i prirodna DNK.
Četiri dostupne dušikove baze genetika je dodala još dvije, koje su stvorile metodom kemijske modifikacije prirodnih baza. Za razliku od prirodne DNK, umjetna DNK je prilično kratka. Sadrži samo 81 parova baza. Međutim, također se reproducira i razvija.
Replikacija umjetno dobivene molekule odvija se zahvaljujući lančanoj reakciji polimeraze, no zasad se to ne događa neovisno, već intervencijom znanstvenika. Spomenutoj DNK neovisno dodaju potrebne enzime stavljajući je u posebno pripremljen tekući medij.
Konačni rezultat
Na proces i konačni rezultat razvoja DNK mogu utjecati različiti čimbenici, na primjer, mutacije. To zahtijeva proučavanje uzoraka tvari, tako da je rezultat analiza pouzdan i pouzdan. Primjer je test očinstva. No, dobra je vijest da su incidenti poput mutacije rijetki. Ipak, uzorci tvari se uvijek ponovno provjeravaju kako bi se na temelju analize dobile točnije informacije.
Biljna DNK
Zahvaljujući sekvenciranju visoke tehnologije (HTS), napravljena je revolucija na području genomike - moguće je i ekstrahiranje DNK iz biljaka. Naravno, dobivanje visokokvalitetne molekularne težine DNA iz biljnog materijala uzrokuje određene poteškoće zbog velikog broja kopija DNA mitohondrija i kloroplasta, kao i visoke razine polisaharida i fenolnih spojeva. Za izolaciju strukture koju razmatramo, u ovom slučaju, koriste se različite metode.
Vodikova veza u DNK
Vodikova veza u molekuli DNA odgovorna je za elektromagnetsko privlačenje stvoreno između pozitivno nabijenog atoma vodika, koji je vezan za elektronegativni atom. Ova dipolna interakcija ne zadovoljava kriterij kemijske veze. No, može se realizirati međumolekulski ili u različitim dijelovima molekule, odnosno intramolekularno.
Atom vodika vezan je za elektronegativni atom, koji je donator ove veze. Elektronegativni atom može biti dušik, fluor, kisik. Decentralizacijom privlači elektronski oblak iz vodikove jezgre i čini atom vodika nabijenim (djelomično) pozitivno. Budući da je veličina H mala u usporedbi s drugim molekulama i atomima, naboj je također mali.
Dekodiranje DNK
Prije dekodiranja molekule DNA, znanstvenici prvo uzimaju ogroman broj stanica. Za najtočniji i najuspješniji rad potrebno im je oko milijun. Rezultati dobiveni tijekom istraživanja stalno se uspoređuju i bilježe. Danas dekodiranje genoma više nije rijetkost, već pristupačan postupak.
Naravno, dešifriranje genoma jedne stanice neprikladna je vježba. Podaci dobiveni tijekom takvih studija ne zanimaju znanstvenike. No važno je shvatiti da sve trenutno postojeće metode dekodiranja, unatoč složenosti, nisu dovoljno učinkovite. Oni će dopustiti čitanje samo 40-70% DNK.
Međutim, profesori s Harvarda nedavno su najavili način dešifriranja 90% genoma. Tehnika se temelji na dodavanju molekula prajmera izoliranim stanicama, uz pomoć kojih počinje replikacija DNA. No čak se ni ova metoda ne može smatrati uspješnom; potrebno ju je dovršiti prije nego što se otvoreno koristi u znanosti.
Molekule nukleinske kiseline svih vrsta živih organizama dugi su nerazgranati polimeri mononukleotida. Ulogu mosta između nukleotida igra veza 3 ", 5" -fosfodiestera koja povezuje 5 "-fosfat jednog nukleotida i 3" -hidroksilni ostatak riboze (ili deoksiriboze) sljedećeg. S tim u vezi, polinukleotidni lanac se pokazao polarnim. Na jednom kraju ostaje slobodna 5 "-fosfatna skupina, na drugom kraju 3" -OH skupina.
DNK je poput proteina, ima primarnu, sekundarnu i tercijarnu strukturu.
Primarna struktura DNA ... Ova struktura definira podatke kodirane u njoj, koji predstavljaju slijed izmjene deoksiribonukleotida u polinukleotidnom lancu.
Molekula DNA sastoji se od dvije spirale imaju istu os i suprotne smjerove. Okosnica šećer-fosfat nalazi se uz obod dvostruke spirale, a dušične baze su unutra. Kostur sadrži kovalentne veze fosfodiestera, a obje spirale između baza su spojene vodikove veze i hidrofobne interakcije.
Ove veze prvi je otkrio i proučio E. Chargaff 1945. i dobio ime načelo komplementarnosti, a zovu se značajke stvaranja vodikovih veza između baza Pravila Chargaffa:
- purinska baza uvijek se veže za pirimidinsku bazu: adenin - s timinom (AT®T), gvanin - s citozinom (G®C);
- molarni omjer adenina prema timinu i gvanina prema citozinu je 1 (A = T, ili A / T = 1 i G = C, ili G / C = 1);
- zbroj ostataka A i G jednak je zbroju ostataka T i C, tj. A + G = T + C;
- u DNA izoliranoj iz različitih izvora, omjer (G + C) / (A + T), nazvan koeficijent specifičnosti, nije isti.
Chargaffova pravila temelje se na činjenici da adenin stvara dvije veze s timinom, a gvanin tri veze s citozinom:
Na temelju Chargaffovih pravila možete zamisliti dvolančanu strukturu DNA, koja je prikazana na slici.
A-oblik B-oblik
A-adenin, G-gvanin, C-citozin, T-timin
Shematski prikaz dvolančanog
Molekule DNA
Sekundarna struktura DNK ... U skladu s modelom koji su 1953. predložili J. Watson i F. Crick, sekundarna struktura DNA je dvolančana desna zavojnica međusobno komplementarni antiparalelni polinukleotidni lanci.
Za sekundarnu strukturu DNK odlučujuće su dvije strukturne značajke dušikovih baza nukleotida. Prvi je prisutnost skupina sposobnih za stvaranje vodikovih veza. Druga je značajka da su parovi komplementarnih baza A-T i G-C jednaki ne samo po veličini, već i po obliku.
Zbog sposobnosti parenja nukleotida nastaje kruta, dobro stabilizirana dvolančana struktura. Glavni elementi i parametrijske karakteristike takve strukture jasno su prikazani na slici.
Na temelju temeljite analize rendgenskih difrakcijskih uzoraka izolirane DNA utvrđeno je da dvostruka spirala DNA može postojati u obliku više oblika (A, B, C, Z itd.). Ovi se oblici DNA razlikuju po promjeru i nagibu spirale, broju parova baza u zavoju i kutu nagiba ravnine baza u odnosu na os molekule.
Tercijarna struktura DNK. U svim živim organizmima dvolančane molekule DNA čvrsto su zbijene kako bi nastale složene trodimenzionalne strukture. Nastaje dvolančana DNA prokariota koji imaju kružni kovalentno zatvoren oblik lijeve (-) super spirale... Tercijarna struktura DNA eukariotskih stanica također nastaje supermotanjem, ali ne slobodnom DNK, već njezinim kompleksima s proteinima kromosoma (proteini histona klasa H1, H2, H3, H4 i H5).
U prostornoj organizaciji kromosoma može se razlikovati nekoliko razina. Prva razina- nukleosomski. Kao rezultat nukleosomske organizacije kromatina, dvostruka spirala DNA promjera 2 nm dobiva promjer 10-11 nm i skraćuje se za oko 7 puta.
Druga razina prostorna organizacija kromosoma je stvaranje kromatinske fibrile iz niti nukleosoma promjera 20-30 nm (smanjenje linearnih dimenzija DNA za još 6-7 puta).
Tercijarna razina organizacija kromosoma posljedica je pakiranja kromatinskih vlakana u petlje. Proteini koji nisu histonski sudjeluju u stvaranju petlji. Područje DNA koje odgovara jednoj petlji sadrži od 20.000 do 80.000 parova baza. Kao rezultat takvog pakiranja, linearne dimenzije DNK smanjuju se za oko 200 puta. Organizacija domene DNA u obliku petlje, nazvana međufazni kromonem, može proći daljnje zbijanje, čiji stupanj varira ovisno o fazi staničnog ciklusa.
Samoreprodukcija genetskog materijala. Replikacija.
Načela bilježenja genetskih podataka. Genetski kod i njegova svojstva.
Genetski kod- svojstven svim živim organizmima, metoda kodiranja aminokiselinske sekvence proteina pomoću sekvence nukleotida. U prirodi se 20 različitih aminokiselina koristi za izgradnju proteina. Svaki protein je lanac ili nekoliko lanaca u strogo definiranom slijedu. Ovaj slijed određuje strukturu proteina, a time i njegova svojstva. Skup aminokiselina univerzalan je za gotovo sve žive organizme.
Svojstva gena. kodirati:
Triplet - kombinacija 3 nukleotida
Kontinuitet - nema znakova interpunkcije između trojki, tj. informacije se kontinuirano čitaju
Ne preklapaju se - jedan te isti nukleotid ne može istovremeno biti dio nekoliko trojki
Specifičnost - određeni kodon odgovara samo 1 aminokiselini
Degeneracija - nekoliko kodona može odgovarati istoj aminokiselini
Svestranost - genetski kod djeluje isto u organizama različite razine složenosti
Imunitet
U procesu replikacije genetskog materijala, vodikove veze između dušikovih baza se prekidaju, a od dvostruke spirale nastaju dvije niti DNA. Svaki od njih postaje predložak za sintezu drugog komplementarnog lanca DNA. Potonji se, vodikovom vezom, kombinira s uzorkom DNA. Dakle, svaka molekula kćeri DNA sastoji se od jednog starog i jednog novog polinukleotidnog lanca. Zbog toga stanice kćeri primaju iste genetske informacije kao i roditeljske stanice. Održavanje takve situacije osigurava mehanizam samokorekcije koji provodi DNA polimeraza. Sposobnost genetskog materijala, DNA, da se sam reproducira (replicira) temelj je reprodukcije živih organizama, prijenosa nasljednih svojstava s generacije na generaciju i razvoja višećelijskog organizma iz zigote.
Neispravljene promjene u kemijskoj strukturi gena, reproducirane u uzastopnim ciklusima replikacije i očitovane u potomstvu u obliku novih varijanti svojstava, nazivaju se mutacije gena.
Promjene u strukturi DNK mogu se podijeliti u 3 skupine: 1. Zamjena nekih baza drugim.
2. pomak okvira čitanja s promjenom broja nukleotidnih parova u sastavu gena.
3. preuređivanje nukleotidnih sekvenci unutar gena.
1. Zamjena nekih baza drugim. Može nastati slučajno ili pod utjecajem specifičnih kemijskih sredstava. Ako promijenjeni oblik baze ostane neopažen tijekom popravka, tada tijekom sljedećeg ciklusa replikacije može za sebe pričvrstiti drugi nukleotid.
Drugi razlog može biti pogrešno uključivanje nukleotida u sintetiziranu DNA lanac koji nosi modificirani oblik baze ili njenog analoga. Ako ova pogreška ostane neopažena tijekom popravka, tada se promijenjena baza uključuje u proces replikacije, što dovodi do zamjene jednog para drugim.
Kao rezultat toga, u DNK nastaje nova trojka. Ako ovaj triplet kodira istu aminokiselinu, promjene neće utjecati na strukturu peptida (degeneracija genetskog koda). Ako novonastali triplet kodira drugu aminokiselinu, mijenja se struktura peptidnog lanca i svojstva proteina.
2. pomak okvira za čitanje. Do ovih mutacija dolazi zbog gubitka (brisanja) ili umetanja jednog ili više parova komplementarnih nukleotida u DNK nukleotidnu sekvencu. To može biti posljedica izloženosti genetskog materijala određenim kemikalijama (spojevi akridina). Veliki broj mutacija nastaje zbog uključivanja pokretnih genetskih elemenata - transpozona - u DNK. Pogreške tijekom rekombinacije u slučaju nejednakog intragenog prelaska mogu također biti razlog.
S takvim mutacijama mijenja se značenje bioloških informacija zabilježenih u ovoj DNK.
3... mijenjajući redoslijed nukleotidnih sekvenci. Ova vrsta mutacije nastaje zbog rotacije DNA regije za 180 ° (inverzija). To je zbog činjenice da molekula DNA tvori petlju unutar koje replikacija ide u pogrešnom smjeru. Unutar obrnutog područja, čitanje informacija je poremećeno, a aminokiselinska sekvenca proteina poremećena.
Uzroci:- nejednak prelazak između homolognih kromosoma
Intrahromosomski prelazak
Prekidi kromosoma
Prekidi praćeni spajanjem elemenata kromosoma
Kopiranje gena i prijenos na drugi dio kromosoma
Učitavam...