Molekula DNA pozostáva z dvoch reťazcov tvoriacich dvojitú špirálu. Jeho štruktúru prvýkrát rozlúštili Francis Crick a James Watson v roku 1953.
Molekula DNA pozostávajúca z páru nukleotidových reťazcov skrútených okolo seba najprv vyvolala otázky, prečo má tento konkrétny tvar. Vedci tento jav nazývajú komplementarita, čo znamená, že v jeho vláknach možno nájsť len určité nukleotidy oproti sebe. Napríklad adenín je vždy oproti tymínu a guanín je vždy oproti cytozínu. Tieto nukleotidy molekuly DNA sa nazývajú komplementárne.
Schematicky je to znázornené takto:
T - A
C - G
Tieto páry tvoria chemickú nukleotidovú väzbu, ktorá určuje poradie aminokyselín. V prvom prípade je to trochu slabšie. Spojenie medzi C a G je silnejšie. Nekomplementárne nukleotidy netvoria medzi sebou páry.
O budove
Takže štruktúra molekuly DNA je špeciálna. Má tento tvar z nejakého dôvodu: faktom je, že počet nukleotidov je veľmi veľký a na umiestnenie dlhých reťazcov je potrebný veľký priestor. Práve z tohto dôvodu sa reťaze vyznačujú špirálovitým zákrutom. Tento jav sa nazýva špirála, umožňuje skrátiť vlákna asi päť až šesťkrát.
Telo niektoré molekuly tohto typu využíva veľmi aktívne, iné zriedka. Tie druhé okrem špirály prechádzajú aj takým „kompaktným balením“, akým je superspiralizácia. A potom sa dĺžka molekuly DNA zníži 25-30 krát.
Čo je to „obal“ molekuly?
Proces supercoilingu zahŕňa histónové proteíny. Majú štruktúru a vzhľad cievky nite alebo tyče. Na ne sú navinuté špirálovité nite, ktoré sa okamžite „kompaktne zabalia“ a zaberajú málo miesta. Keď je potrebné použiť jednu alebo druhú niť, odvinie sa z cievky, napríklad histónového proteínu, a špirála sa rozvinie do dvoch paralelných reťazcov. Keď je molekula DNA v tomto stave, dajú sa z nej vyčítať potrebné genetické údaje. Je tu však jedna podmienka. Získanie informácií je možné len vtedy, ak má štruktúra molekuly DNA neskrútenú formu. Chromozómy, ktoré sú prístupné na čítanie, sa nazývajú euchromatíny, a ak sú supercoiled, potom sú to už heterochromatíny.
Nukleové kyseliny
Nukleové kyseliny, podobne ako proteíny, sú biopolyméry. Hlavnou funkciou je uchovávanie, realizácia a prenos dedičných (genetických informácií). Prichádzajú v dvoch typoch: DNA a RNA (deoxyribonukleová a ribonukleová). Monoméry v nich sú nukleotidy, z ktorých každý obsahuje zvyšok kyseliny fosforečnej, päťuhlíkový cukor (deoxyribóza/ribóza) a dusíkatú bázu. Kód DNA obsahuje 4 typy nukleotidov - adenín (A) / guanín (G) / cytozín (C) / tymín (T). Líšia sa dusíkatým základom, ktorý obsahujú.
V molekule DNA môže byť počet nukleotidov obrovský – od niekoľkých tisíc až po desiatky a stovky miliónov. Takéto obrovské molekuly možno skúmať elektrónovým mikroskopom. V tomto prípade budete môcť vidieť dvojitý reťazec polynukleotidových reťazcov, ktoré sú navzájom spojené vodíkovými väzbami dusíkatých báz nukleotidov.
Výskum
V priebehu výskumu vedci zistili, že typy molekúl DNA sa v rôznych živých organizmoch líšia. Tiež sa zistilo, že guanín jedného reťazca sa môže viazať iba na cytozín a tymín na adenín. Usporiadanie nukleotidov v jednom reťazci presne zodpovedá tomu paralelnému. Vďaka tejto komplementarite polynukleotidov je molekula DNA schopná zdvojenia a samoreprodukcie. Najprv sa však komplementárne reťazce pod vplyvom špeciálnych enzýmov, ktoré ničia párové nukleotidy, rozchádzajú a potom v každom z nich začína syntéza chýbajúceho reťazca. K tomu dochádza v dôsledku voľných nukleotidov prítomných vo veľkých množstvách v každej bunke. V dôsledku toho sa namiesto „materskej molekuly“ vytvoria dve „dcérske“ identické v zložení a štruktúre a kód DNA sa stane pôvodným. Tento proces je prekurzorom bunkového delenia. Zabezpečuje prenos všetkých dedičných údajov z materských buniek do dcérskych buniek, ako aj do všetkých nasledujúcich generácií.
Ako sa číta génový kód?
Dnes sa nepočíta len hmotnosť molekuly DNA – je možné zistiť aj zložitejšie údaje, ktoré boli predtým pre vedcov nedostupné. Môžete si napríklad prečítať informácie o tom, ako organizmus využíva svoju vlastnú bunku. Samozrejme, najprv je táto informácia v zakódovanej forme a má formu určitej matrice, a preto musí byť transportovaná na špeciálny nosič, ktorým je RNA. Ribonukleová kyselina je schopná preniknúť do bunky cez jadrovú membránu a prečítať zakódovanú informáciu vo vnútri. RNA je teda nosičom skrytých dát z jadra do bunky a od DNA sa líši tým, že namiesto deoxyribózy obsahuje ribózu a namiesto tymínu uracil. Okrem toho je RNA jednovláknová.
Syntéza RNA
Hĺbková analýza DNA ukázala, že potom, čo RNA opustí jadro, vstúpi do cytoplazmy, kde sa môže integrovať ako matrica do ribozómov (špeciálnych enzýmových systémov). Na základe prijatých informácií dokážu syntetizovať vhodnú sekvenciu proteínových aminokyselín. Ribozóm sa učí z tripletového kódu, ktorý typ organickej zlúčeniny je potrebné pripojiť k tvoriacemu sa proteínovému reťazcu. Každá aminokyselina má svoj špecifický triplet, ktorý ju kóduje.
Po dokončení tvorby reťazca získava špecifickú priestorovú formu a mení sa na proteín schopný plniť svoje hormonálne, stavebné, enzymatické a iné funkcie. Pre každý organizmus je to génový produkt. Práve z nej sa určujú všetky druhy vlastností, vlastností a prejavov génov.
Gény
Procesy sekvenovania boli primárne vyvinuté na získanie informácií o tom, koľko génov má molekula DNA vo svojej štruktúre. A hoci výskum umožnil vedcom urobiť v tejto veci veľký pokrok, zatiaľ nie je možné poznať ich presný počet.
Len pred niekoľkými rokmi sa predpokladalo, že molekuly DNA obsahujú približne 100 tisíc génov. O niečo neskôr sa toto číslo znížilo na 80 tisíc a v roku 1998 genetici uviedli, že v jednej DNA je prítomných len 50 tisíc génov, čo sú len 3 % z celkovej dĺžky DNA. No najnovšie závery genetikov boli zarážajúce. Teraz tvrdia, že genóm obsahuje 25-40 tisíc týchto jednotiek. Ukazuje sa, že len 1,5 % chromozomálnej DNA je zodpovedných za kódovanie proteínov.
Výskum sa tým nezastavil. Paralelný tím špecialistov na genetické inžinierstvo zistil, že počet génov v jednej molekule je presne 32 tisíc. Ako vidíte, stále nie je možné získať definitívnu odpoveď. Existuje príliš veľa rozporov. Všetci výskumníci sa spoliehajú iba na svoje výsledky.
Bola tam evolúcia?
Napriek tomu, že neexistujú žiadne dôkazy o evolúcii molekuly (keďže štruktúra molekuly DNA je krehká a má malú veľkosť), vedci stále vyslovili jeden predpoklad. Na základe laboratórnych údajov vyjadrili nasledujúcu verziu: v počiatočnom štádiu svojho vzhľadu mala molekula formu jednoduchého samoreplikujúceho peptidu, ktorý obsahoval až 32 aminokyselín nachádzajúcich sa v starovekých oceánoch.
Po samoreplikácii vďaka silám prirodzeného výberu získali molekuly schopnosť chrániť sa pred vonkajšími prvkami. Začali žiť dlhšie a rozmnožovať sa vo väčších množstvách. Molekuly, ktoré sa ocitli v lipidovej bubline, mali všetky šance na reprodukciu. V dôsledku série po sebe nasledujúcich cyklov získali lipidové bubliny formu bunkových membrán a potom - dobre známe častice. Treba poznamenať, že dnes je akýkoľvek úsek molekuly DNA zložitou a jasne fungujúcou štruktúrou, ktorej všetky vlastnosti vedci ešte úplne neštudovali.
Moderný svet
Nedávno vedci z Izraela vyvinuli počítač, ktorý dokáže vykonať bilióny operácií za sekundu. Dnes je to najrýchlejšie auto na Zemi. Celé tajomstvo je v tom, že inovatívne zariadenie je poháňané DNA. Profesori hovoria, že v blízkej budúcnosti budú takéto počítače dokonca schopné generovať energiu.
Pred rokom ohlásili špecialisti z Weizmannovho inštitútu v Rehovote (Izrael) vytvorenie programovateľného molekulárneho výpočtového stroja pozostávajúceho z molekúl a enzýmov. Nahradili nimi kremíkové mikročipy. K dnešnému dňu dosiahol tím ďalší pokrok. Teraz len jedna molekula DNA môže poskytnúť počítaču potrebné údaje a potrebné palivo.
Biochemické „nanopočítače“ nie sú fikciou, v prírode už existujú a prejavujú sa v každom živom tvorovi. Často ich však neriadia ľudia. Osoba ešte nemôže operovať s genómom žiadnej rastliny, aby vypočítala, povedzme, číslo „Pi“.
Myšlienka použitia DNA na ukladanie/spracovanie údajov prvýkrát prišla na myseľ vedcov v roku 1994. Práve vtedy bola molekula použitá na vyriešenie jednoduchého matematického problému. Odvtedy niekoľko výskumných skupín navrhlo rôzne projekty súvisiace s počítačmi DNA. Ale tu boli všetky pokusy založené len na molekule energie. Voľným okom takýto počítač nevidíte, vyzerá ako priehľadný roztok vody v skúmavke. Nie sú v ňom žiadne mechanické časti, ale iba bilióny biomolekulových zariadení – a to je len v jednej kvapke tekutiny!
Ľudská DNA
Ľudia sa dozvedeli o type ľudskej DNA v roku 1953, keď vedci prvýkrát dokázali svetu demonštrovať dvojvláknový model DNA. Kirk a Watson za to dostali Nobelovu cenu, keďže tento objav sa stal zásadným v 20. storočí.
Postupom času samozrejme dokázali, že štruktúrovaná ľudská molekula môže vyzerať nielen ako v navrhovanej verzii. Po vykonaní podrobnejšej analýzy DNA objavili A-, B- a ľavotočivú formu Z-. Forma A- je často výnimkou, pretože vzniká len pri nedostatku vlhkosti. Ale to je možné len v laboratórnych štúdiách, pre prírodné prostredie je to anomálne, takýto proces nemôže nastať v živej bunke.
Tvar B je klasický a je známy ako dvojitá pravotočivá retiazka, ale tvar Z nie je len stočený v opačnom smere doľava, ale má aj viac cik-cak vzhľad. Vedci tiež identifikovali formu G-quadruplex. Jeho štruktúra nemá 2, ale 4 vlákna. Podľa genetikov sa táto forma vyskytuje v oblastiach, kde je nadmerné množstvo guanínu.
Umelá DNA
Dnes už existuje umelá DNA, ktorá je identickou kópiou tej skutočnej; dokonale kopíruje štruktúru prirodzenej dvojitej špirály. Ale na rozdiel od pôvodného polynukleotidu má ten umelý iba dva ďalšie nukleotidy.
Keďže dabing vznikol na základe informácií získaných z rôznych štúdií skutočnej DNA, je možné ho aj kopírovať, samoreprodukovať a vyvíjať. Na vytvorení takejto umelej molekuly pracovali odborníci približne 20 rokov. Výsledkom je úžasný vynález, ktorý dokáže využívať genetický kód rovnakým spôsobom ako prirodzená DNA.
K štyrom existujúcim dusíkatým bázam pridali genetici dve ďalšie, ktoré vznikli chemickou úpravou prírodných báz. Na rozdiel od prirodzenej DNA sa umelá DNA ukázala byť dosť krátka. Obsahuje iba 81 párov báz. Tiež sa však rozmnožuje a vyvíja.
Replikácia umelo získanej molekuly prebieha vďaka polymerázovej reťazovej reakcii, no zatiaľ sa tak nedeje samostatne, ale prostredníctvom zásahu vedcov. Nezávisle pridávajú potrebné enzýmy k uvedenej DNA a umiestňujú ju do špeciálne pripraveného tekutého média.
Konečný výsledok
Proces a konečný výsledok vývoja DNA môžu byť ovplyvnené rôznymi faktormi, ako sú napríklad mutácie. Preto je potrebné študovať vzorky hmoty, aby bol výsledok analýzy spoľahlivý a spoľahlivý. Príkladom je test otcovstva. Ale nemôžeme sa tešiť, že incidenty, ako je mutácia, sú zriedkavé. Napriek tomu sa vzorky hmoty vždy prekontrolujú, aby sa na základe analýzy získali presnejšie informácie.
Rastlinná DNA
Vďaka technológiám vysokého sekvenovania (HTS) došlo k revolúcii v oblasti genomiky – možná je aj extrakcia DNA z rastlín. Samozrejme, získanie vysokokvalitnej DNA s molekulovou hmotnosťou z rastlinného materiálu predstavuje určité ťažkosti kvôli veľkému počtu kópií mitochondriálnej a chloroplastovej DNA, ako aj vysokej hladine polysacharidov a fenolových zlúčenín. Na izoláciu štruktúry, ktorú v tomto prípade uvažujeme, sa používajú rôzne metódy.
Vodíková väzba v DNA
Vodíková väzba v molekule DNA je zodpovedná za elektromagnetickú príťažlivosť vytvorenú medzi kladne nabitým atómom vodíka, ktorý je pripojený k elektronegatívnemu atómu. Táto dipólová interakcia nespĺňa kritérium chemickej väzby. Môže sa však vyskytovať intermolekulárne alebo v rôznych častiach molekuly, t.j. intramolekulárne.
Atóm vodíka sa viaže na elektronegatívny atóm, ktorý je donorom väzby. Elektronegatívnym atómom môže byť dusík, fluór alebo kyslík. Decentralizáciou priťahuje elektrónový oblak z jadra vodíka k sebe a vytvára (čiastočne) kladne nabitý atóm vodíka. Pretože veľkosť H je malá v porovnaní s inými molekulami a atómami, náboj je tiež malý.
dekódovanie DNA
Pred dešifrovaním molekuly DNA vedci najprv vezmú obrovské množstvo buniek. Na čo najpresnejšiu a najvydarenejšiu prácu ich treba asi milión. Výsledky získané počas štúdie sa neustále porovnávajú a zaznamenávajú. Dnes už dekódovanie genómu nie je vzácnosťou, ale dostupným postupom.
Samozrejme, dešifrovanie genómu jednej bunky je nepraktické cvičenie. Údaje získané počas takýchto štúdií nie sú pre vedcov zaujímavé. Je však dôležité pochopiť, že všetky v súčasnosti existujúce metódy dekódovania, napriek ich zložitosti, nie sú dostatočne účinné. Umožnia prečítať len 40-70% DNA.
Profesori z Harvardu však nedávno oznámili metódu, pomocou ktorej je možné rozlúštiť 90 % genómu. Technika je založená na pridávaní molekúl primeru do izolovaných buniek, pomocou ktorých sa začína replikácia DNA. Ale ani túto metódu nemožno považovať za úspešnú, ešte ju treba zdokonaľovať, aby sa mohla otvorene použiť vo vede.
Nukleové kyseliny sú vysokomolekulárne látky pozostávajúce z mononukleotidov, ktoré sú navzájom spojené do polymérneho reťazca pomocou 3", 5" fosfodiesterových väzieb a sú určitým spôsobom zabalené v bunkách.
Nukleové kyseliny sú biopolyméry dvoch typov: kyselina ribonukleová (RNA) a kyselina deoxyribonukleová (DNA). Každý biopolymér pozostáva z nukleotidov, ktoré sa líšia sacharidovým zvyškom (ribóza, deoxyribóza) a jednou z dusíkatých báz (uracil, tymín). Podľa týchto rozdielov dostali nukleové kyseliny svoj názov.
Štruktúra deoxyribonukleovej kyseliny
Nukleové kyseliny majú primárnu, sekundárnu a terciárnu štruktúru.
Primárna štruktúra DNA
Primárna štruktúra DNA je lineárny polynukleotidový reťazec, v ktorom sú mononukleotidy spojené 3", 5" fosfodiesterovými väzbami. Východiskovým materiálom pre zostavenie reťazca nukleovej kyseliny v bunke je 5"-trifosfátový nukleozid, ktorý je v dôsledku odstránenia zvyškov β a y kyseliny fosforečnej schopný pripojiť 3" atóm uhlíka iného nukleozidu. . Teda 3" atóm uhlíka jednej deoxyribózy je kovalentne spojený s 5" atómom uhlíka inej deoxyribózy cez jediný zvyšok kyseliny fosforečnej a tvorí lineárny polynukleotidový reťazec nukleovej kyseliny. Preto názov: 3", 5" fosfodiesterové väzby. Dusíkaté bázy sa nezúčastňujú spájania nukleotidov jedného reťazca (obr. 1.).
Takéto spojenie medzi zvyškom molekuly kyseliny fosforečnej jedného nukleotidu a uhľohydrátom iného nukleotidu vedie k vytvoreniu pentózo-fosfátového skeletu polynukleotidovej molekuly, na ktorý sú na jednej strane naviazané dusíkaté bázy jedna za druhou. Ich postupnosť usporiadania v reťazcoch molekúl nukleových kyselín je striktne špecifická pre bunky rôznych organizmov, t.j. má špecifický charakter (Chargaffovo pravidlo).
Lineárny reťazec DNA, ktorého dĺžka závisí od počtu nukleotidov zahrnutých v reťazci, má dva konce: jeden sa nazýva 3" koniec a obsahuje voľný hydroxyl a druhý sa nazýva 5" koniec a obsahuje fosfor. zvyšok kyseliny. Obvod je polárny a môže mať smer 5"->3" a 3"->5". Výnimkou je kruhová DNA.
Genetický „text“ DNA sa skladá z kódových „slov“ – trojíc nukleotidov nazývaných kodóny. Úseky DNA obsahujúce informácie o primárnej štruktúre všetkých typov RNA sa nazývajú štruktúrne gény.
Polynukleotidové reťazce DNA dosahujú gigantické veľkosti, takže sú v bunke zabalené určitým spôsobom.
Chargaff (1949) pri štúdiu zloženia DNA stanovil dôležité vzorce týkajúce sa obsahu jednotlivých báz DNA. Pomohli odhaliť sekundárnu štruktúru DNA. Tieto vzory sa nazývajú Chargaffove pravidlá. Chargaff pravidlá
Tieto pravidlá naznačujú, že pri konštrukcii DNA sa musí dodržať pomerne prísna zhoda (párovanie) nie purínových a pyrimidínových báz vo všeobecnosti, ale konkrétne tymínu s adenínom a cytozínu s guanínom. Na základe týchto pravidiel navrhli Watson a Crick v roku 1953 model sekundárnej štruktúry DNA, nazývanej dvojitá špirála (obr.). |
Sekundárna štruktúra DNA
Sekundárnou štruktúrou DNA je dvojitá špirála, ktorej model navrhli v roku 1953 D. Watson a F. Crick.
Predpoklady na vytvorenie modelu DNA
Na základe počiatočných analýz sa predpokladalo, že DNA akéhokoľvek pôvodu obsahuje všetky štyri nukleotidy v rovnakých molárnych množstvách. V štyridsiatych rokoch 20. storočia však E. Chargaff a jeho kolegovia v dôsledku analýzy DNA izolovanej z rôznych organizmov jasne ukázali, že obsahujú dusíkaté bázy v rôznych kvantitatívnych pomeroch. Chargaff zistil, že hoci sú tieto pomery rovnaké pre DNA zo všetkých buniek toho istého druhu organizmu, DNA z rôznych druhov sa môže výrazne líšiť v obsahu určitých nukleotidov. To naznačuje, že rozdiely v pomere dusíkatých báz môžu byť spojené s nejakým druhom biologického kódu. Aj keď sa pomer jednotlivých purínových a pyrimidínových báz v rôznych vzorkách DNA ukázal byť rôzny, pri porovnaní výsledkov testov sa ukázal určitý vzorec: vo všetkých vzorkách sa celkový počet purínov rovnal celkovému počtu pyrimidínov (A + G = T + C), množstvo adenínu sa rovnalo množstvu tymínu (A = T) a množstvo guanínu je množstvo cytozínu (G = C). DNA izolovaná z buniek cicavcov bola vo všeobecnosti bohatšia na adenín a tymín a relatívne chudobnejšia na guanín a cytozín, zatiaľ čo DNA z baktérií bola bohatšia na guanín a cytozín a relatívne chudobnejšia na adenín a tymín. Tieto údaje tvorili dôležitú súčasť faktografického materiálu, na základe ktorého bol neskôr vybudovaný Watson-Crickov model štruktúry DNA.
Ďalší dôležitý nepriamy údaj o možnej štruktúre DNA poskytli údaje L. Paulinga o štruktúre proteínových molekúl. Pauling ukázal, že je možných niekoľko rôznych stabilných konfigurácií reťazca aminokyselín v molekule proteínu. Jedna bežná konfigurácia peptidového reťazca, a-helix, je pravidelná špirálová štruktúra. S touto štruktúrou je možná tvorba vodíkových väzieb medzi aminokyselinami umiestnenými na susedných závitoch reťazca. Pauling opísal a-helikálnu konfiguráciu polypeptidového reťazca v roku 1950 a navrhol, že molekuly DNA majú pravdepodobne špirálovitú štruktúru držanú na mieste vodíkovými väzbami.
Najcennejšie informácie o štruktúre molekuly DNA však poskytli výsledky röntgenovej difrakčnej analýzy. Röntgenové lúče prechádzajúce cez kryštál DNA podliehajú difrakcii, to znamená, že sú odklonené v určitých smeroch. Stupeň a povaha vychýlenia lúčov závisí od štruktúry samotných molekúl. Röntgenový difrakčný obrazec (obr. 3) poskytuje skúsenému oku množstvo nepriamych indikácií týkajúcich sa štruktúry molekúl skúmanej látky. Analýza röntgenových difrakčných vzorov DNA viedla k záveru, že dusíkaté bázy (ktoré majú plochý tvar) sú usporiadané ako stoh platní. Röntgenové difraktogramy odhalili tri hlavné periódy v štruktúre kryštalickej DNA: 0,34, 2 a 3,4 nm.
Watson-Crickov model DNA
Na základe Chargaffových analytických údajov, Wilkinsových röntgenových vzorov a výskumu chemikov, ktorí poskytli informácie o presných vzdialenostiach medzi atómami v molekule, uhloch medzi väzbami daného atómu a veľkosti atómov, Watson a Crick začal stavať fyzikálne modely jednotlivých zložiek molekuly DNA v určitom meradle a „upravovať“ ich navzájom tak, aby výsledný systém zodpovedal rôznym experimentálnym údajom. [šou] .
Už skôr bolo známe, že susedné nukleotidy v reťazci DNA sú spojené fosfodiesterovými mostíkmi, ktoré spájajú 5" uhlíkový deoxyribózový atóm jedného nukleotidu s 3" uhlíkovým deoxyribózovým atómom ďalšieho nukleotidu. Watson a Crick nepochybovali o tom, že perióda 0,34 nm zodpovedá vzdialenosti medzi po sebe nasledujúcimi nukleotidmi v reťazci DNA. Ďalej by sa dalo predpokladať, že perióda 2 nm zodpovedá hrúbke reťazca. A aby sa vysvetlilo, akej skutočnej štruktúre zodpovedá perióda 3,4 nm, Watson a Crick, ako aj Pauling predtým, navrhli, že reťaz je skrútená vo forme špirály (alebo presnejšie tvorí špirálovú čiaru, pretože špirála v presnom zmysle týchto slov sa získa, keď cievky tvoria v priestore skôr kužeľovú ako valcovú plochu). Potom perióda 3,4 nm bude zodpovedať vzdialenosti medzi po sebe nasledujúcimi závitmi tejto špirály. Takáto špirála môže byť veľmi hustá alebo trochu natiahnutá, to znamená, že jej zákruty môžu byť ploché alebo strmé. Keďže perióda 3,4 nm je presne 10-násobok vzdialenosti medzi po sebe nasledujúcimi nukleotidmi (0,34 nm), je jasné, že každý úplný závit špirály obsahuje 10 nukleotidov. Z týchto údajov boli Watson a Crick schopní vypočítať hustotu polynukleotidového reťazca stočeného do špirály s priemerom 2 nm, so vzdialenosťou medzi závitmi 3,4 nm. Ukázalo sa, že takýto reťazec by mal polovičnú hustotu oproti skutočnej hustote DNA, ktorá už bola známa. Musel som predpokladať, že molekula DNA pozostáva z dvoch reťazcov – že ide o dvojitú špirálu nukleotidov.
Ďalšou úlohou bolo samozrejme objasniť priestorové vzťahy medzi dvoma reťazcami tvoriacimi dvojitú špirálu. Po vyskúšaní množstva možností usporiadania reťazcov na svojom fyzikálnom modeli Watson a Crick zistili, že všetky dostupné údaje najlepšie zodpovedajú možnosti, v ktorej dve polynukleotidové helixy idú opačnými smermi; v tomto prípade reťazce pozostávajúce z cukrových a fosfátových zvyškov tvoria povrch dvojitej špirály a vo vnútri sa nachádzajú puríny a pyrimidíny. Bázy umiestnené oproti sebe, patriace do dvoch reťazcov, sú spojené v pároch vodíkovými väzbami; Práve tieto vodíkové väzby držia reťazce pohromade, čím fixujú celkovú konfiguráciu molekuly.
Dvojzávitnicu DNA si možno predstaviť ako lanový rebrík, ktorý je špirálovito skrútený, takže jeho priečky zostávajú vodorovné. Potom dve pozdĺžne laná budú zodpovedať reťazcom cukrových a fosfátových zvyškov a priečniky budú zodpovedať párom dusíkatých báz spojených vodíkovými väzbami.
Ako výsledok ďalšieho štúdia možných modelov Watson a Crick dospeli k záveru, že každý „priečnik“ by mal pozostávať z jedného purínu a jedného pyrimidínu; v perióde 2 nm (zodpovedajúcej priemeru dvojitej špirály) by nebolo dosť miesta pre dva puríny a dva pyrimidíny by nemohli byť dostatočne blízko seba, aby vytvorili správne vodíkové väzby. Hĺbková štúdia podrobného modelu ukázala, že adenín a cytozín, aj keď tvoria kombináciu vhodnej veľkosti, stále nemôžu byť umiestnené tak, aby sa medzi nimi vytvorili vodíkové väzby. Podobné správy si vynútili vylúčenie kombinácie guanín – tymín, pričom kombinácie adenín – tymín a guanín – cytozín sa ukázali ako celkom prijateľné. Povaha vodíkových väzieb je taká, že adenín tvorí pár s tymínom a guanín s cytozínom. Táto myšlienka špecifického párovania báz umožnila vysvetliť „Chargaffovo pravidlo“, podľa ktorého v akejkoľvek molekule DNA sa množstvo adenínu vždy rovná obsahu tymínu a množstvo guanínu sa vždy rovná množstvu. cytozínu. Medzi adenínom a tymínom sa tvoria dve vodíkové väzby a medzi guanínom a cytozínom tri. Vďaka tejto špecifickosti tvorba vodíkových väzieb proti každému adenínu v jednom reťazci spôsobuje tvorbu tymínu na druhom reťazci; rovnakým spôsobom môže byť oproti každému guanínu iba cytozín. Reťazce sú teda navzájom komplementárne, to znamená, že sekvencia nukleotidov v jednom reťazci jednoznačne určuje ich sekvenciu v druhom reťazci. Dva reťazce prebiehajú v opačných smeroch a ich koncové fosfátové skupiny sú na opačných koncoch dvojitej špirály.
Ako výsledok svojho výskumu navrhli Watson a Crick v roku 1953 model štruktúry molekuly DNA (obr. 3), ktorý je relevantný aj pre súčasnosť. Podľa modelu pozostáva molekula DNA z dvoch komplementárnych polynukleotidových reťazcov. Každý reťazec DNA je polynukleotid pozostávajúci z niekoľkých desiatok tisíc nukleotidov. V ňom susedné nukleotidy tvoria pravidelnú pentózo-fosfátovú kostru vďaka spojeniu zvyšku kyseliny fosforečnej a deoxyribózy silnou kovalentnou väzbou. Dusíkaté bázy jedného polynukleotidového reťazca sú usporiadané v presne definovanom poradí oproti dusíkatým bázam druhého polynukleotidového reťazca. Striedanie dusíkatých báz v polynukleotidovom reťazci je nepravidelné.
Usporiadanie dusíkatých báz v reťazci DNA je komplementárne (z gréckeho „komplement“ – sčítanie), t.j. Tymín (T) je vždy proti adenínu (A) a iba cytozín (C) je proti guanínu (G). Vysvetľuje to skutočnosť, že A a T, ako aj G a C si navzájom presne zodpovedajú, t.j. sa navzájom dopĺňajú. Táto korešpondencia je určená chemickou štruktúrou báz, ktorá umožňuje tvorbu vodíkových väzieb v purínovom a pyrimidínovom páre. Medzi A a T sú dve spojenia a medzi G a C tri. Tieto väzby poskytujú čiastočnú stabilizáciu molekuly DNA v priestore. Stabilita dvojitej špirály je priamo úmerná počtu väzieb G≡C, ktoré sú stabilnejšie v porovnaní s väzbami A=T.
Známa sekvencia usporiadania nukleotidov v jednom reťazci DNA umožňuje podľa princípu komplementarity stanoviť nukleotidy iného reťazca.
Okrem toho sa zistilo, že dusíkaté bázy s aromatickou štruktúrou sú vo vodnom roztoku umiestnené jedna nad druhou a tvoria akoby hromadu mincí. Tento proces vytvárania stohov organických molekúl sa nazýva stohovanie. Polynukleotidové reťazce molekuly DNA uvažovaného Watson-Crickovho modelu majú podobný fyzikálno-chemický stav, ich dusíkaté bázy sú usporiadané vo forme kopy mincí, medzi rovinami ktorých vznikajú van der Waalsove interakcie (skladacie interakcie).
Vodíkové väzby medzi komplementárnymi bázami (horizontálne) a vrstvené interakcie medzi rovinami báz v polynukleotidovom reťazci v dôsledku van der Waalsových síl (vertikálne) poskytujú molekule DNA dodatočnú stabilizáciu v priestore.
Cukorfosfátové kostry oboch reťazcov smerujú von a bázy smerom dovnútra, k sebe. Smer reťazcov v DNA je antiparalelný (jeden z nich má smer 5"->3", druhý - 3"->5", t.j. 3" koniec jedného reťazca je umiestnený oproti 5" koncu ostatný.). Reťaze tvoria pravotočivé špirály so spoločnou osou. Jeden závit špirály je 10 nukleotidov, veľkosť závitu je 3,4 nm, výška každého nukleotidu je 0,34 nm, priemer špirály je 2,0 nm. V dôsledku rotácie jedného vlákna okolo druhého sa vytvorí hlavná drážka (asi 20 Á v priemere) a menšia drážka (asi 12 Á v priemere) dvojitej špirály DNA. Táto forma Watson-Crickovej dvojitej špirály bola neskôr nazvaná B-forma. V bunkách sa DNA zvyčajne vyskytuje vo forme B, ktorá je najstabilnejšia.
Funkcie DNA
Navrhovaný model vysvetľoval mnohé biologické vlastnosti deoxyribonukleovej kyseliny, vrátane uchovávania genetickej informácie a diverzity génov poskytovaných širokou škálou sekvenčných kombinácií 4 nukleotidov a skutočnosť existencie genetického kódu, schopnosti samoreprodukcie. a prenášať genetickú informáciu poskytnutú procesom replikácie a implementáciou genetickej informácie vo forme proteínov, ako aj akýchkoľvek iných zlúčenín vytvorených pomocou enzýmových proteínov.
Základné funkcie DNA.
- DNA je nositeľkou genetickej informácie, ktorá je zabezpečená existenciou genetického kódu.
- Reprodukcia a prenos genetickej informácie medzi generáciami buniek a organizmov. Túto funkciu poskytuje proces replikácie.
- Implementácia genetickej informácie vo forme proteínov, ako aj akýchkoľvek iných zlúčenín vytvorených pomocou enzýmových proteínov. Túto funkciu zabezpečujú procesy transkripcie a translácie.
Formy organizácie dvojvláknovej DNA
DNA môže vytvárať niekoľko typov dvojitých závitníc (obr. 4). V súčasnosti je známych už šesť foriem (od A po E a Z-formu).
Štrukturálne formy DNA, ako zistila Rosalind Franklin, závisia od nasýtenia molekuly nukleovej kyseliny vodou. Pri štúdiách DNA vlákien pomocou röntgenovej difrakčnej analýzy sa ukázalo, že röntgenový obrazec radikálne závisí od relatívnej vlhkosti, pri akom stupni nasýtenia tohto vlákna vodou experiment prebieha. Ak bolo vlákno dostatočne nasýtené vodou, získal sa jeden röntgenový snímok. Po vysušení sa objavil úplne iný röntgenový obrazec, veľmi odlišný od röntgenového obrazca vlákna s vysokou vlhkosťou.
Molekula DNA s vysokou vlhkosťou sa nazýva B-forma. Za fyziologických podmienok (nízka koncentrácia solí, vysoký stupeň hydratácie) je dominantným štruktúrnym typom DNA B-forma (hlavná forma dvojvláknovej DNA – Watson-Crickov model). Stúpanie špirály takejto molekuly je 3,4 nm. Na jedno kolo je 10 komplementárnych párov vo forme skrútených kôp „mincí“ - dusíkatých báz. Hromady sú držané pohromade vodíkovými väzbami medzi dvoma protiľahlými „mincami“ stĺpikov a sú „vinuté“ dvoma páskami fosfodiesterovej kostry stočenej do pravotočivej špirály. Roviny dusíkatých báz sú kolmé na os skrutkovice. Susedné komplementárne páry sú voči sebe otočené o 36°. Priemer špirály je 20 Á, pričom purínový nukleotid zaberá 12 Á a pyrimidínový nukleotid 8 Á.
Molekula DNA s nižšou vlhkosťou sa nazýva A-forma. A-forma vzniká v podmienkach menšej hydratácie a pri vyššom obsahu iónov Na + alebo K +. Táto širšia pravotočivá špirálová konformácia má 11 párov báz na otáčku. Roviny dusíkatých báz majú väčší sklon k osi skrutkovice, sú odchýlené od normály k osi skrutkovice o 20°. To znamená prítomnosť vnútornej dutiny s priemerom 5Á. Vzdialenosť medzi susednými nukleotidmi je 0,23 nm, dĺžka závitu je 2,5 nm a priemer špirály je 2,3 nm.
Forma A DNA bola pôvodne považovaná za menej dôležitú. Neskôr sa však ukázalo, že A-forma DNA, podobne ako B-forma, má obrovský biologický význam. Helix RNA-DNA v komplexe templát-primér má A-formu, rovnako ako helix RNA-RNA a vlásenkové štruktúry RNA (2'-hydroxylová skupina ribózy bráni molekulám RNA vytvárať B-formu). A-forma DNA sa nachádza v spórach. Zistilo sa, že A-forma DNA je 10-krát odolnejšia voči UV žiareniu ako B-forma.
A-forma a B-forma sa nazývajú kanonické formy DNA.
Formuláre C-E aj pravoruké, ich vznik možno pozorovať iba v špeciálnych experimentoch a zjavne neexistujú in vivo. C forma DNA má štruktúru podobnú B DNA. Počet párov báz na otáčku je 9,33, dĺžka závitu špirály je 3,1 nm. Páry báz sú naklonené pod uhlom 8 stupňov vzhľadom na kolmú polohu k osi. Drážky majú podobnú veľkosť ako drážky B-DNA. V tomto prípade je hlavná drážka o niečo plytšia a vedľajšia drážka je hlbšia. Prirodzené a syntetické DNA polynukleotidy sa môžu transformovať do C-formy.
| Tabuľka 1. Charakteristika niektorých typov štruktúr DNA | |||
| Špirálový typ | A | B | Z |
| Rozstup špirály | 0,32 nm | 3,38 nm | 4,46 nm |
| Špirálový zákrut | Správny | Správny | Vľavo |
| Počet párov báz na kolo | 11 | 10 | 12 |
| Vzdialenosť medzi základnými rovinami | 0,256 nm | 0,338 nm | 0,371 nm |
| Konformácia glykozidickej väzby | anti | anti | anti-C hriech-G |
| Konformácia furanózového kruhu | C3"-endo | C2"-endo | C3"-endo-G C2"-endo-C |
| Šírka drážky, malá/veľká | 1,11/0,22 nm | 0,57/1,17 nm | 0,2/0,88 nm |
| Hĺbka drážky, malá/veľká | 0,26/1,30 nm | 0,82/0,85 nm | 1,38/0,37 nm |
| Priemer špirály | 2,3 nm | 2,0 nm | 1,8 nm |
Štrukturálne prvky DNA
(nekanonické štruktúry DNA)
Štrukturálne prvky DNA zahŕňajú neobvyklé štruktúry obmedzené niektorými špeciálnymi sekvenciami:
|
DNA v tvare Z bol objavený v roku 1979 pri štúdiu hexanukleotidu d(CG)3 -. Objavil ho profesor MIT Alexander Rich a jeho kolegovia. Z-forma sa stala jedným z najdôležitejších štruktúrnych prvkov DNA vďaka tomu, že jej tvorba bola pozorovaná v oblastiach DNA, kde sa puríny striedajú s pyrimidínmi (napríklad 5'-GCGCGC-3'), alebo v opakovaniach 5 '-CGCGCG-3' obsahujúci metylovaný cytozín. Podstatnou podmienkou pre vznik a stabilizáciu Z-DNA bola prítomnosť purínových nukleotidov v nej v konformácii syn, ktoré sa striedali s pyrimidínovými bázami v anti konformácii.
Prirodzené molekuly DNA existujú hlavne v pravotočivej B-forme, pokiaľ neobsahujú sekvencie ako (CG)n. Ak sú však takéto sekvencie súčasťou DNA, potom sa tieto úseky, keď sa zmení iónová sila roztoku alebo katiónov, ktoré neutralizujú negatívny náboj na fosfodiesterovej štruktúre, môžu tieto úseky transformovať do Z-formy, zatiaľ čo iné úseky DNA v reťaz zostáva v klasickej B-forme. Možnosť takéhoto prechodu naznačuje, že dve vlákna v dvojzávitnici DNA sú v dynamickom stave a môžu sa navzájom odvíjať, pričom sa pohybujú z pravotočivej formy do ľavotočivej a naopak. Biologické dôsledky takejto lability, ktorá umožňuje konformačné transformácie štruktúry DNA, ešte nie sú úplne pochopené. Predpokladá sa, že úseky Z-DNA hrajú určitú úlohu pri regulácii expresie určitých génov a zúčastňujú sa genetickej rekombinácie.
Z-forma DNA je ľavotočivá dvojzávitnica, v ktorej je fosfodiesterový hlavný reťazec umiestnený cik-cak pozdĺž osi molekuly. Odtiaľ pochádza názov molekuly (cik-cak)-DNK. Z-DNA je najmenej skrútená (12 párov báz na otáčku) a najtenšia DNA známa v prírode. Vzdialenosť medzi susednými nukleotidmi je 0,38 nm, dĺžka obratu je 4,56 nm a priemer Z-DNA je 1,8 nm. Okrem toho sa vzhľad tejto molekuly DNA vyznačuje prítomnosťou jedinej drážky.
Z forma DNA bola nájdená v prokaryotických a eukaryotických bunkách. Teraz boli získané protilátky, ktoré dokážu rozlíšiť Z-formu od B-formy DNA. Tieto protilátky sa viažu na určité oblasti obrovských chromozómov buniek slinných žliaz Drosophila (Dr. melanogaster). Väzbová reakcia sa dá ľahko monitorovať vďaka nezvyčajnej štruktúre týchto chromozómov, v ktorých hustejšie oblasti (disky) kontrastujú s menej hustými oblasťami (medzidisky). Oblasti Z-DNA sa nachádzajú v medzidiskoch. Z toho vyplýva, že Z-forma skutočne existuje v prírodných podmienkach, hoci veľkosti jednotlivých úsekov Z-formy sú zatiaľ neznáme.
(invertory) sú najznámejšie a najčastejšie sa vyskytujúce sekvencie báz v DNA. Palindróm je slovo alebo fráza, ktorá sa číta rovnako zľava doprava a naopak. Príklady takýchto slov alebo slovných spojení sú: CHÝBA, KOZÁK, POVODŇA A RUŽA PADLA NA AZOROVU LABU. Pri použití na úseky DNA tento výraz (palindróm) znamená rovnaké striedanie nukleotidov pozdĺž reťazca sprava doľava a zľava doprava (ako písmená v slove „chata“ atď.).
Palindróm je charakterizovaný prítomnosťou invertovaných opakovaní sekvencií báz, ktoré majú symetriu druhého rádu vzhľadom na dve vlákna DNA. Takéto sekvencie sú zo zrejmých dôvodov samokomplementárne a majú tendenciu vytvárať vlásenkové alebo krížové štruktúry (obr.). Vlásenky pomáhajú regulačným proteínom rozpoznať, kde je skopírovaný genetický text chromozómovej DNA.
Keď je na rovnakom vlákne DNA prítomná invertovaná repetícia, sekvencia sa nazýva zrkadlová repetícia. Zrkadlové opakovania nemajú vlastnosti samokomplementarity, a preto nie sú schopné vytvárať vlásenkové alebo krížové štruktúry. Sekvencie tohto typu sa nachádzajú takmer vo všetkých veľkých molekulách DNA a môžu sa pohybovať od niekoľkých párov báz až po niekoľko tisíc párov báz.
Prítomnosť palindrómov vo forme krížových štruktúr v eukaryotických bunkách nebola dokázaná, aj keď určitý počet krížových štruktúr bol zistený in vivo v bunkách E. coli. Prítomnosť samokomplementárnych sekvencií v RNA alebo jednovláknovej DNA je hlavným dôvodom skladania reťazca nukleovej kyseliny v roztokoch do určitej priestorovej štruktúry, ktorá sa vyznačuje tvorbou mnohých „vlások“.
H-forma DNA je špirála tvorená tromi vláknami DNA – trojitá špirála DNA. Ide o komplex Watson-Crickovej dvojitej špirály s tretím jednovláknovým reťazcom DNA, ktorý zapadá do jeho hlavnej drážky a vytvára takzvaný Hoogsteenov pár.
K vytvoreniu takéhoto triplexu dochádza v dôsledku poskladania dvojitej špirály DNA tak, že polovica jej časti zostane vo forme dvojitej špirály a druhá polovica sa oddelí. V tomto prípade jedna z rozpojených špirál tvorí novú štruktúru s prvou polovicou dvojitej špirály - trojitá špirála a druhá sa ukáže ako neštruktúrovaná vo forme jednovláknovej časti. Charakteristickým rysom tohto štrukturálneho prechodu je jeho ostrá závislosť od pH média, ktorého protóny stabilizujú novú štruktúru. Vďaka tejto vlastnosti bola nová štruktúra nazvaná H-forma DNA, ktorej tvorba bola objavená v superšpičkovitých plazmidoch obsahujúcich homopurín-homopyrimidínové oblasti, ktoré sú zrkadlovým opakovaním.
V ďalších štúdiách sa zistilo, že je možné uskutočniť štrukturálny prechod niektorých homopurín-homopyrimidínových dvojvláknových polynukleotidov s vytvorením trojvláknovej štruktúry obsahujúcej:
- jeden homopurínový a dva homopyrimidínové reťazce ( Triplex Py-Pu-Py) [Hoogsteenova interakcia].
Základnými blokmi triplexu Py-Pu-Py sú kanonické izomorfné triády CGC+ a TAT. Stabilizácia triplexu vyžaduje protonáciu CGC+ triády, takže tieto triplexy závisia od pH roztoku.
- jeden homopyrimidínový a dva homopurínové reťazce ( Triplex Py-Pu-Pu) [inverzná Hoogsteenova interakcia].
Základnými blokmi triplexu Py-Pu-Pu sú kanonické izomorfné triády CGG a TAA. Základnou vlastnosťou triplexov Py-Pu-Pu je závislosť ich stability od prítomnosti dvojnásobne nabitých iónov a na stabilizáciu triplexov rôznych sekvencií sú potrebné rôzne ióny. Pretože tvorba Py-Pu-Pu triplexov nevyžaduje protonáciu ich základných nukleotidov, takéto triplexy môžu existovať pri neutrálnom pH.
Poznámka: priame a reverzné Hoogsteenove interakcie sú vysvetlené symetriou 1-metyltymínu: rotácia o 180° má za následok, že atóm O2 nahradí atóm O4, pričom systém vodíkových väzieb je zachovaný.
Sú známe dva typy trojitých helixov:
- paralelné trojité helixy, v ktorých sa polarita tretieho vlákna zhoduje s polaritou homopurínového reťazca Watson-Crickovho duplexu
- antiparalelné trojité helixy, v ktorých sú polarity tretieho a homopurínového reťazca opačné.
G-kvadruplex- 4-vláknová DNA. Táto štruktúra vzniká, ak sú tam štyri guaníny, ktoré tvoria takzvaný G-quadruplex – okrúhly tanec štyroch guanínov.
Prvé náznaky možnosti vytvorenia takýchto štruktúr boli prijaté dlho pred prelomovou prácou Watsona a Cricka - už v roku 1910. Potom nemecký chemik Ivar Bang zistil, že jedna zo zložiek DNA – kyselina guanozínová – tvorí vo vysokých koncentráciách gély, zatiaľ čo ostatné zložky DNA túto vlastnosť nemajú.
V roku 1962 sa pomocou metódy röntgenovej difrakcie podarilo stanoviť bunkovú štruktúru tohto gélu. Ukázalo sa, že pozostáva zo štyroch zvyškov guanínu, ktoré sa navzájom spájajú do kruhu a tvoria charakteristický štvorec. V strede je väzba podporovaná kovovým iónom (Na, K, Mg). Rovnaké štruktúry sa môžu vytvoriť v DNA, ak obsahuje veľa guanínu. Tieto ploché štvorce (G-kvartety) sú naskladané tak, aby vytvorili pomerne stabilné, husté štruktúry (G-kvadruplexy).
Štyri samostatné vlákna DNA môžu byť tkané do štvorvláknových komplexov, ale to je skôr výnimka. Častejšie sa jedno vlákno nukleovej kyseliny jednoducho zviaže do uzla, čím sa vytvorí charakteristické zhrubnutie (napríklad na koncoch chromozómov), alebo dvojvláknová DNA v niektorej oblasti bohatej na guanín vytvorí lokálny kvadruplex.
Najviac študovaná bola existencia kvadruplexov na koncoch chromozómov – na teloméroch a v promótoroch nádorov. Úplný obraz o lokalizácii takejto DNA v ľudských chromozómoch však stále nie je známy.
Všetky tieto neobvyklé štruktúry DNA v lineárnej forme sú v porovnaní s DNA v B-forme nestabilné. DNA však často existuje v kruhovej forme topologického napätia, keď má to, čo sa nazýva supercoiling. Za týchto podmienok sa ľahko vytvárajú nekanonické štruktúry DNA: Z-formy, „kríže“ a „vlásenky“, H-formy, guanínové kvadruplexy a i-motív.
- Supercoiled forma - zaznamenaná pri uvoľnení z bunkového jadra bez poškodenia pentózofosfátovej kostry. Má tvar super skrútených uzavretých krúžkov. V superzvinutom stave je dvojitá špirála DNA „stočená na seba“ aspoň raz, to znamená, že obsahuje aspoň jeden superturn (má tvar osmičky).
- Uvoľnený stav DNA – pozorovaný s jediným zlomom (prerušenie jedného vlákna). V tomto prípade supercoil zmiznú a DNA získa formu uzavretého prstenca.
- Lineárna forma DNA sa pozoruje, keď sa zlomia dve vlákna dvojitej špirály.
Terciárna štruktúra DNA
Terciárna štruktúra DNA vzniká v dôsledku dodatočného krútenia v priestore dvojzávitnicovej molekuly - jej supercoilingu. Supercoiling molekuly DNA v eukaryotických bunkách na rozdiel od prokaryotov prebieha vo forme komplexov s proteínmi.
Takmer všetka DNA eukaryotov sa nachádza v chromozómoch jadier, len malé množstvo je obsiahnuté v mitochondriách a v rastlinách v plastidoch. Hlavnou substanciou chromozómov eukaryotických buniek (vrátane ľudských chromozómov) je chromatín, pozostávajúci z dvojvláknovej DNA, histónových a nehistónových proteínov.
Histónové chromatínové proteíny
Históny sú jednoduché proteíny, ktoré tvoria až 50 % chromatínu. Vo všetkých študovaných živočíšnych a rastlinných bunkách sa našlo päť hlavných tried histónov: H1, H2A, H2B, H3, H4, ktoré sa líšia veľkosťou, zložením aminokyselín a nábojom (vždy kladné).
Cicavčí histón H1 pozostáva z jedného polypeptidového reťazca obsahujúceho približne 215 aminokyselín; veľkosti ostatných histónov sa pohybujú od 100 do 135 aminokyselín. Všetky sú špirálovité a stočené do guľôčky s priemerom asi 2,5 nm a obsahujú nezvyčajne veľké množstvo kladne nabitých aminokyselín lyzín a arginín. Históny môžu byť acetylované, metylované, fosforylované, poly(ADP)-ribozylované a históny H2A a H2B sú kovalentne spojené s ubikvitínom. Úloha takýchto modifikácií pri vytváraní štruktúry a vykonávaní funkcií histónmi ešte nie je úplne objasnená. Predpokladá sa, že je to ich schopnosť interagovať s DNA a poskytnúť jeden z mechanizmov regulácie pôsobenia génov.
Históny interagujú s DNA primárne prostredníctvom iónových väzieb (soľných mostíkov) vytvorených medzi negatívne nabitými fosfátovými skupinami DNA a kladne nabitými lyzínovými a arginínovými zvyškami histónov.
Nehistónové chromatínové proteíny
Nehistónové proteíny sú na rozdiel od histónov veľmi rôznorodé. Izolovalo sa až 590 rôznych frakcií nehistónových proteínov viažucich DNA. Nazývajú sa aj kyslé proteíny, keďže v ich štruktúre dominujú kyslé aminokyseliny (sú to polyanióny). Rozmanitosť nehistónových proteínov je spojená so špecifickou reguláciou aktivity chromatínu. Napríklad enzýmy potrebné na replikáciu a expresiu DNA sa môžu prechodne viazať na chromatín. Iné proteíny, povedzme, tie, ktoré sa podieľajú na rôznych regulačných procesoch, sa viažu na DNA iba v špecifických tkanivách alebo v určitých štádiách diferenciácie. Každý proteín je komplementárny k špecifickej sekvencii nukleotidov DNA (miesto DNA). Táto skupina zahŕňa:
- rodina miestne špecifických proteínov so zinkovým prstom. Každý „zinkový prst“ rozpoznáva špecifické miesto pozostávajúce z 5 nukleotidových párov.
- rodina miestne špecifických proteínov - homodimérov. Fragment takéhoto proteínu v kontakte s DNA má štruktúru helix-turn-helix.
- gélové proteíny s vysokou pohyblivosťou (HMG proteíny) sú skupinou štrukturálnych a regulačných proteínov, ktoré sú neustále spojené s chromatínom. Majú molekulovú hmotnosť menšiu ako 30 kDa a vyznačujú sa vysokým obsahom nabitých aminokyselín. Vďaka svojej nízkej molekulovej hmotnosti majú proteíny HMG vysokú mobilitu počas elektroforézy na polyakrylamidovom géli.
- replikačné, transkripčné a opravné enzýmy.
Za účasti štrukturálnych, regulačných proteínov a enzýmov zapojených do syntézy DNA a RNA sa nukleozómové vlákno premieňa na vysoko kondenzovaný komplex proteínov a DNA. Výsledná štruktúra je 10 000-krát kratšia ako pôvodná molekula DNA.
Chromatin
Chromatín je komplex bielkovín s jadrovou DNA a anorganickými látkami. Väčšina chromatínu je neaktívna. Obsahuje tesne uzavretú kondenzovanú DNA. Toto je heterochromatín. Existuje konštitutívny, geneticky neaktívny chromatín (satelitná DNA) pozostávajúci z neexprimovaných oblastí a fakultatívny - neaktívny v niekoľkých generáciách, ale za určitých okolností schopný expresie.
Aktívny chromatín (euchromatín) je nekondenzovaný, t.j. zabalené menej tesne. V rôznych bunkách sa jeho obsah pohybuje od 2 do 11%. V mozgových bunkách je najhojnejšia - 10-11%, v pečeňových bunkách - 3-4 a obličkových bunkách - 2-3%. Zaznamenáva sa aktívna transkripcia euchromatínu. Okrem toho jej štrukturálna organizácia umožňuje, aby sa tá istá genetická informácia o DNA, ktorá je vlastná danému typu organizmu, používa inak v špecializovaných bunkách.
V elektrónovom mikroskope obraz chromatínu pripomína guľôčky: sférické zhrubnutia s veľkosťou asi 10 nm, oddelené vláknitými mostíkmi. Tieto sférické zhrubnutia sa nazývajú nukleozómy. Nukleozóm je štruktúrna jednotka chromatínu. Každý nukleozóm obsahuje 146-bp navinutý superspirálny segment DNA, ktorý tvorí 1,75 ľavých závitov na nukleozomálne jadro. Nukleozomálne jadro je histónový oktamér pozostávajúci z histónov H2A, H2B, H3 a H4, dvoch molekúl každého typu (obr. 9), ktorý vyzerá ako disk s priemerom 11 nm a hrúbkou 5,7 nm. Piaty histón, H1, nie je súčasťou nukleozomálneho jadra a nie je zapojený do procesu navíjania DNA na histónový oktamér. Kontaktuje DNA v miestach, kde dvojitá špirála vstupuje a vystupuje z nukleozomálneho jadra. Ide o medzijadrové (linkerové) úseky DNA, ktorých dĺžka sa mení v závislosti od typu bunky od 40 do 50 nukleotidových párov. V dôsledku toho sa mení aj dĺžka fragmentu DNA obsiahnutého v nukleozómoch (od 186 do 196 nukleotidových párov).
Nukleozómy obsahujú približne 90 % DNA, zvyšok tvoria linkery. Predpokladá sa, že nukleozómy sú fragmenty „tichého“ chromatínu a linker je aktívny. Nukleozómy sa však môžu rozvinúť a stať sa lineárnymi. Rozbalené nukleozómy sú už aktívnym chromatínom. To jasne demonštruje závislosť funkcie od štruktúry. Dá sa predpokladať, že čím viac chromatínu obsahujú globulárne nukleozómy, tým je menej aktívny. Je zrejmé, že v rôznych bunkách je nerovnaký podiel pokojového chromatínu spojený s počtom takýchto nukleozómov.
Na fotografiách z elektrónového mikroskopu, v závislosti od podmienok izolácie a stupňa natiahnutia, môže chromatín vyzerať nielen ako dlhá niť so zhrubnutiami – „perličky“ nukleozómov, ale aj ako kratšia a hustejšia fibrila (vlákno) s priemerom 30 nm, ktorého vznik sa pozoruje počas interakcie histón H1 naviazaný na spojovaciu oblasť DNA a histón H3, čo vedie k dodatočnému skrúcaniu špirály šiestich nukleozómov na otáčku za vzniku solenoidu s priemerom 30 nm. V tomto prípade môže histónový proteín zasahovať do transkripcie množstva génov a tým regulovať ich aktivitu.
V dôsledku vyššie opísaných interakcií DNA s histónmi sa segment dvojzávitnice DNA so 186 pármi báz s priemerným priemerom 2 nm a dĺžkou 57 nm premení na špirálu s priemerom 10 nm a dĺžka 5 nm. Keď sa táto špirála následne stlačí na vlákno s priemerom 30 nm, stupeň kondenzácie sa zvýši ešte šesťnásobne.
Nakoniec balenie duplexu DNA s piatimi histónmi vedie k 50-násobnej kondenzácii DNA. Ani takýto vysoký stupeň kondenzácie však nedokáže vysvetliť takmer 50 000 - 100 000-násobné zhutnenie DNA v metafázovom chromozóme. Bohužiaľ, detaily ďalšieho balenia chromatínu až po metafázový chromozóm ešte nie sú známe, takže môžeme uvažovať len o všeobecných črtách tohto procesu.
Úrovne zhutnenia DNA v chromozómoch
Každá molekula DNA je zabalená do samostatného chromozómu. Ľudské diploidné bunky obsahujú 46 chromozómov, ktoré sa nachádzajú v bunkovom jadre. Celková dĺžka DNA všetkých chromozómov v bunke je 1,74 m, ale priemer jadra, v ktorom sú chromozómy zabalené, je miliónkrát menší. Takéto kompaktné balenie DNA v chromozómoch a chromozómoch v bunkovom jadre je zabezpečené rôznymi histónovými a nehistónovými proteínmi, ktoré interagujú v určitej sekvencii s DNA (pozri vyššie). Zhutnenie DNA v chromozómoch umožňuje zmenšiť jej lineárne rozmery približne 10 000-krát – zhruba z 5 cm na 5 mikrónov. Existuje niekoľko úrovní zhutnenia (obr. 10).
- Dvojzávitnica DNA je záporne nabitá molekula s priemerom 2 nm a dĺžkou niekoľko cm.
- úroveň nukleozómov- chromatín vyzerá v elektrónovom mikroskope ako reťaz „guľôčok“ - nukleozómy - „na vlákne“. Nukleozóm je univerzálna štruktúrna jednotka, ktorá sa nachádza v euchromatíne aj heterochromatíne, v interfázovom jadre a metafázových chromozómoch.
Nukleozomálna úroveň zhutnenia je zabezpečená špeciálnymi proteínmi - histónmi. Osem pozitívne nabitých histónových domén tvorí jadro nukleozómu, okolo ktorého je navinutá negatívne nabitá molekula DNA. To dáva skrátenie 7-krát, zatiaľ čo priemer sa zvyšuje z 2 na 11 nm.
- úroveň solenoidu
Solenoidová úroveň organizácie chromozómov je charakterizovaná krútením nukleozómového vlákna a tvorbou hrubších fibríl s priemerom 20-35 nm - solenoidov alebo superbidov. Rozstup solenoidu je 11 nm; na otáčku je asi 6-10 nukleozómov. Solenoidové balenie sa považuje za pravdepodobnejšie ako superbidné balenie, podľa ktorého je chromatínová fibrila s priemerom 20-35 nm reťazcom granúl alebo superbidov, z ktorých každý pozostáva z ôsmich nukleozómov. Na úrovni solenoidu sa lineárna veľkosť DNA zníži 6-10 krát, priemer sa zväčší na 30 nm.
- úroveň slučky
Úroveň slučky je zabezpečená nehistónovými miestne špecifickými DNA-viažucimi proteínmi, ktoré rozpoznávajú a viažu sa na špecifické sekvencie DNA, pričom tvoria slučky s veľkosťou približne 30-300 kb. Slučka zabezpečuje génovú expresiu, t.j. slučka je nielen štruktúrna, ale aj funkčná formácia. Skrátenie na tejto úrovni sa vyskytuje 20-30 krát. Priemer sa zvyšuje na 300 nm. V cytologických prípravkoch možno vidieť slučkové štruktúry, ako sú „lampové kefky“ v oocytoch obojživelníkov. Zdá sa, že tieto slučky sú supercoiled a predstavujú domény DNA, pravdepodobne zodpovedajúce jednotkám transkripcie a replikácie chromatínu. Špecifické proteíny fixujú základy slučiek a prípadne niektoré ich vnútorné časti. Organizácia domény podobná slučke podporuje skladanie chromatínu v metafázových chromozómoch do špirálových štruktúr vyšších rádov.
- úrovni domény
Doménová úroveň organizácie chromozómov nebola dostatočne študovaná. Na tejto úrovni je zaznamenaná tvorba slučkových domén - štruktúry vlákien (fibríl) s hrúbkou 25-30 nm, ktoré obsahujú 60% proteínu, 35% DNA a 5% RNA, sú prakticky neviditeľné vo všetkých fázach bunkového cyklu. s výnimkou mitózy a sú trochu náhodne distribuované v bunkovom jadre. V cytologických prípravkoch možno vidieť slučkové štruktúry, ako sú „lampové kefky“ v oocytoch obojživelníkov.
Slučkové domény sú na svojej báze pripojené k intranukleárnej proteínovej matrici v takzvaných vstavaných pripájacích miestach, často označovaných ako MAR/SAR sekvencie (MAR, z anglického matrix spojeného regiónu; SAR, z anglického scaffold attachment areas) - fragmenty DNA s dĺžkou niekoľko stoviek párov báz, ktoré sa vyznačujú vysokým obsahom (>65 %) párov nukleotidov A/T. Zdá sa, že každá doména má jediný začiatok replikácie a funguje ako autonómna superhelikálna jednotka. Každá slučková doména obsahuje mnoho transkripčných jednotiek, ktorých fungovanie je pravdepodobne koordinované – celá doména je buď v aktívnom alebo neaktívnom stave.
Na úrovni domény v dôsledku postupného balenia chromatínu dochádza k približne 200-násobnému zníženiu lineárnych rozmerov DNA (700 nm).
- chromozomálnej úrovni
Na chromozomálnej úrovni dochádza ku kondenzácii profázneho chromozómu do metafázového chromozómu so zhutnením domén slučiek okolo axiálneho rámca nehistónových proteínov. Toto supercoiling je sprevádzané fosforyláciou všetkých molekúl H1 v bunke. Výsledkom je, že metafázový chromozóm môže byť znázornený ako husto zbalené solenoidové slučky, stočené do tesnej špirály. Typický ľudský chromozóm môže obsahovať až 2 600 slučiek. Hrúbka takejto štruktúry dosahuje 1400 nm (dve chromatidy) a molekula DNA je skrátená 104-krát, t.j. od 5 cm natiahnutej DNA do 5 um.
Funkcie chromozómov
V interakcii s extrachromozomálnymi mechanizmami poskytujú chromozómy
- uchovávanie dedičných informácií
- použitie týchto informácií na vytvorenie a udržiavanie bunkovej organizácie
- regulácia čítania dedičných informácií
- samoduplikácia genetického materiálu
- prenos genetického materiálu z materskej bunky do dcérskych buniek.
Existujú dôkazy, že keď sa aktivuje oblasť chromatínu, t.j. pri transkripcii sa z neho najskôr reverzibilne odstráni histón H1 a potom histónový oktet. To spôsobí dekondenzáciu chromatínu, sekvenčný prechod 30nm chromatínovej fibrily na 10nm fibrilu a jej ďalšie rozvinutie na úseky voľnej DNA, t.j. strata nukleozómovej štruktúry.
MOSKVA 25. apríla - RIA Novosti, Tatyana Pichugina. Presne pred 65 rokmi publikovali britskí vedci James Watson a Francis Crick článok o dešifrovaní štruktúry DNA, čím položili základy novej vedy – molekulárnej biológie. Tento objav veľa zmenil v živote ľudstva. RIA Novosti hovorí o vlastnostiach molekuly DNA a o tom, prečo je taká dôležitá.
V druhej polovici 19. storočia bola biológia veľmi mladou vedou. Vedci len začínali skúmať bunku a predstavy o dedičnosti, hoci ich už sformuloval Gregor Mendel, neboli široko akceptované.
Na jar 1868 prišiel na univerzitu v Tübingene (Nemecko) mladý švajčiarsky lekár Friedrich Miescher, aby sa venoval vedeckej práci. Mal v úmysle zistiť, z akých látok sa bunka skladá. Na pokusy som zvolil leukocyty, ktoré sa dajú ľahko získať z hnisu.
Po oddelení jadra od protoplazmy, bielkovín a tukov objavil Miescher zlúčeninu s vysokým obsahom fosforu. Túto molekulu nazval nukleín („nucleus“ v latinčine – jadro).
Táto zlúčenina vykazovala kyslé vlastnosti, a preto vznikol termín „nukleová kyselina“. Jeho predpona "deoxyribo" znamená, že molekula obsahuje H-skupiny a cukry. Potom sa ukázalo, že je to vlastne soľ, ale názov nezmenili.
Na začiatku 20. storočia už vedci vedeli, že nukleín je polymér (teda veľmi dlhá flexibilná molekula opakujúcich sa jednotiek), jednotky sú zložené zo štyroch dusíkatých báz (adenín, tymín, guanín a cytozín) a nukleín je obsiahnutá v chromozómoch – kompaktných štruktúrach, ktoré sa vyskytujú v deliacich sa bunkách. Ich schopnosť prenášať dedičné vlastnosti preukázal americký genetik Thomas Morgan pri pokusoch na ovocných muškách.
Model, ktorý vysvetlil gény
Ale to, čo deoxyribonukleová kyselina, alebo skrátene DNA, robí v bunkovom jadre, sa dlho nechápalo. Predpokladalo sa, že hrá určitú štrukturálnu úlohu v chromozómoch. Jednotky dedičnosti – gény – sa pripisovali proteínovej povahe. Prelom sa podaril americkému výskumníkovi Oswaldovi Averymu, ktorý experimentálne dokázal, že genetický materiál sa prenáša z baktérií na baktérie prostredníctvom DNA.
Bolo jasné, že DNA treba študovať. Ale ako? V tom čase mali vedci k dispozícii iba röntgenové lúče. Aby sme ním mohli osvetliť biologické molekuly, museli ich vykryštalizovať, a to je náročné. Štruktúra proteínových molekúl bola dešifrovaná z röntgenových difraktogramov v Cavendish Laboratory (Cambridge, UK). Mladí výskumníci, ktorí tam pracovali, James Watson a Francis Crick, nemali vlastné experimentálne údaje o DNA, a tak použili röntgenové fotografie kolegov z King's College Mauricea Wilkinsa a Rosalind Franklinovej.
Watson a Crick navrhli model štruktúry DNA, ktorý presne zodpovedal röntgenovým vzorom: dve paralelné vlákna skrútené do pravotočivej špirály. Každý reťazec sa skladá z náhodnej sady dusíkatých báz navlečených na kostru ich cukrov a fosfátov a je držaný pohromade vodíkovými väzbami medzi bázami. Navyše adenín sa kombinuje iba s tymínom a guanín s cytozínom. Toto pravidlo sa nazýva princíp komplementarity.
Watsonov a Crickov model vysvetlil štyri hlavné funkcie DNA: replikáciu genetického materiálu, jeho špecifickosť, ukladanie informácií v molekule a jeho schopnosť mutovať.
Vedci svoj objav zverejnili v časopise Nature 25. apríla 1953. O desať rokov neskôr im bola spolu s Mauriceom Wilkinsom udelená Nobelova cena za biológiu (Rosalind Franklin zomrela v roku 1958 na rakovinu vo veku 37 rokov).
"Teraz, o viac ako polstoročie neskôr, môžeme konštatovať, že objav štruktúry DNA zohral rovnakú úlohu vo vývoji biológie ako objav atómového jadra vo fyzike. Objasnenie štruktúry atómu viedlo k zrod novej, kvantovej fyziky a objav štruktúry DNA viedli k zrodu novej, molekulárnej biológie,“ píše Maxim Frank-Kamenetsky, vynikajúci genetik, výskumník DNA a autor knihy „The Najdôležitejšia molekula."
Genetický kód
Teraz už zostávalo len zistiť, ako táto molekula funguje. Bolo známe, že DNA obsahuje pokyny na syntézu bunkových proteínov, ktoré vykonávajú všetku prácu v bunke. Proteíny sú polyméry tvorené opakujúcimi sa súbormi (sekvenciami) aminokyselín. Okrem toho existuje iba dvadsať aminokyselín. Živočíšne druhy sa od seba líšia súborom proteínov vo svojich bunkách, teda rôznymi sekvenciami aminokyselín. Genetika tvrdila, že tieto sekvencie boli určené génmi, o ktorých sa potom verilo, že slúžia ako stavebné kamene života. Nikto však presne nevedel, čo sú to gény.
Jasnosť priniesol autor teórie veľkého tresku, fyzik Georgiy Gamow, zamestnanec Univerzity Georgea Washingtona (USA). Na základe Watsona a Crickovho modelu dvojvláknovej špirály DNA navrhol, že gén je úsek DNA, teda určitá sekvencia väzieb – nukleotidov. Keďže každý nukleotid je jednou zo štyroch dusíkatých báz, musíme jednoducho zistiť, ako štyri prvky kódujú dvadsať. Toto bola myšlienka genetického kódu.
Začiatkom 60-tych rokov sa zistilo, že proteíny sa syntetizujú z aminokyselín v ribozómoch, čo je druh „továrne“ vo vnútri bunky. Na začatie syntézy proteínov sa enzým priblíži k DNA, rozpozná určitú oblasť na začiatku génu, syntetizuje kópiu génu vo forme malej RNA (nazýva sa templát), potom sa proteín pestuje v ribozóme z aminokyseliny.
Zistili tiež, že genetický kód je trojpísmenový. To znamená, že jedna aminokyselina zodpovedá trom nukleotidom. Jednotka kódu sa nazýva kodón. V ribozóme sa informácie z mRNA čítajú postupne kodón po kodóne. A každá z nich zodpovedá niekoľkým aminokyselinám. Ako vyzerá šifra?
Na túto otázku odpovedali Marshall Nirenberg a Heinrich Mattei z USA. V roku 1961 prvýkrát oznámili svoje výsledky na biochemickom kongrese v Moskve. Do roku 1967 bol genetický kód úplne rozlúštený. Ukázalo sa, že je univerzálny pre všetky bunky všetkých organizmov, čo malo pre vedu ďalekosiahle dôsledky.
Objav štruktúry DNA a genetického kódu úplne presmeroval biologický výskum. Skutočnosť, že každý jednotlivec má jedinečnú sekvenciu DNA, spôsobila revolúciu vo forenznej vede. Rozlúštenie ľudského genómu dalo antropológom úplne novú metódu na štúdium evolúcie nášho druhu. Nedávno vynájdený editor DNA CRISPR-Cas výrazne pokročil v genetickom inžinierstve. Zdá sa, že táto molekula obsahuje riešenie najpálčivejších problémov ľudstva: rakovina, genetické choroby, starnutie.
Štruktúra a funkcie DNA
| Názov parametra | Význam |
| Téma článku: | Štruktúra a funkcie DNA |
| Rubrika (tematická kategória) | Vzdelávanie |
DNA- polymér, ktorého monoméry sú deoxyribonukleotidy. V roku 1953 bol navrhnutý model priestorovej štruktúry molekuly DNA vo forme dvojitej špirály. J. Watsona a F. Cricka (na stavbu tohto modelu použili diela M. Wilkinsa, R. Franklina, E. Chargaffa).
molekula DNA tvorené dvoma polynukleotidovými reťazcami, špirálovito stočenými okolo seba a spolu okolo pomyselnej osi, ᴛ.ᴇ. je dvojitá špirála (s výnimkou niektorých vírusov obsahujúcich DNA majú jednovláknovú DNA). Priemer dvojitej špirály DNA je 2 nm, vzdialenosť medzi susednými nukleotidmi je 0,34 nm a na jednu otáčku špirály pripadá 10 párov nukleotidov. Dĺžka molekuly môže dosiahnuť niekoľko centimetrov. Molekulová hmotnosť - desiatky a stovky miliónov. Celková dĺžka DNA v jadre ľudskej bunky je asi 2 m.V eukaryotických bunkách tvorí DNA komplexy s proteínmi a má špecifickú priestorovú konformáciu.
DNA monomér - nukleotid (deoxyribonukleotid)- pozostáva zo zvyškov troch látok: 1) dusíkatej zásady, 2) päťuhlíkového monosacharidu (pentózy) a 3) kyseliny fosforečnej. Dusíkaté zásady nukleových kyselín patria do tried pyrimidínov a purínov. DNA pyrimidínové bázy(majú jeden kruh v molekule) - tymín, cytozín. Purínové základy(majú dva kruhy) - adenín a guanín.
Nukleotidový monosacharid DNA je deoxyribóza.
Názov nukleotidu je odvodený od názvu zodpovedajúcej bázy. Nukleotidy a dusíkaté bázy sú označené veľkými písmenami.
Polynukleotidový reťazec vzniká ako výsledok nukleotidových kondenzačných reakcií. V tomto prípade medzi 3"-uhlíkom deoxyribózového zvyšku jedného nukleotidu a zvyškom kyseliny fosforečnej iného, fosfoesterová väzba(patrí do kategórie silných kovalentných väzieb). Jeden koniec polynukleotidového reťazca končí 5" uhlíkom (nazývaný 5" koniec), druhý končí 3" uhlíkom (3" koniec).
Oproti jednému reťazcu nukleotidov je druhý reťazec. Usporiadanie nukleotidov v týchto dvoch reťazcoch nie je náhodné, ale striktne definované: tymín je vždy umiestnený oproti adenínu jedného reťazca v druhom reťazci a cytozín je vždy umiestnený oproti guanínu, medzi adenínom a tymínom vznikajú dve vodíkové väzby a medzi guanín a cytozín – tri vodíkové väzby. Vzor, podľa ktorého sú nukleotidy rôznych reťazcov DNA striktne usporiadané (adenín - tymín, guanín - cytozín) a selektívne sa navzájom spájajú, sa zvyčajne nazýva princíp komplementarity. Treba poznamenať, že J. Watson a F. Crick pochopili princíp komplementarity po oboznámení sa s prácami E. Chargaffa. E. Chargaff po preštudovaní obrovského množstva vzoriek tkanív a orgánov rôznych organizmov zistil, že v akomkoľvek fragmente DNA obsah guanínových zvyškov vždy presne zodpovedá obsahu cytozínu a adenínu tymínu ( "Chargaffovo pravidlo"), ale túto skutočnosť nevie vysvetliť.
Z princípu komplementarity vyplýva, že nukleotidová sekvencia jedného reťazca určuje nukleotidovú sekvenciu druhého reťazca.
Reťazce DNA sú antiparalelné (viacsmerné), ᴛ.ᴇ. nukleotidy rôznych reťazcov sú umiestnené v opačných smeroch, a preto oproti 3" koncu jedného reťazca je 5" koniec druhého. Molekula DNA sa niekedy prirovnáva k točitému schodisku. „Zábradlie“ tohto schodiska je cukor-fosfátová kostra (striedajúce sa zvyšky deoxyribózy a kyseliny fosforečnej); „Kroky“ sú doplnkové dusíkaté bázy.
Funkcia DNA- uchovávanie a prenos dedičných informácií.
Štruktúra a funkcie DNA - pojem a typy. Klasifikácia a vlastnosti kategórie "Štruktúra a funkcie DNA" 2017, 2018.
DNA je univerzálnym zdrojom a uchovávateľom dedičnej informácie, ktorá sa zaznamenáva pomocou špeciálnej sekvencie nukleotidov, určuje vlastnosti všetkých živých organizmov.
Predpokladá sa, že priemerná molekulová hmotnosť nukleotidu je 345 a počet nukleotidových zvyškov môže dosiahnuť niekoľko stoviek, tisíc a dokonca miliónov. DNA sa väčšinou nachádza v jadrách buniek. Mierne sa vyskytuje v chloroplastoch a mitochondriách. DNA bunkového jadra však nie je jedna molekula. Skladá sa z mnohých molekúl, ktoré sú rozmiestnené na rôznych chromozómoch, ich počet sa líši v závislosti od organizmu. Toto sú štrukturálne znaky DNA.
História objavenia DNA
Štruktúru a funkcie DNA objavili James Watson a Francis Crick a v roku 1962 im bola dokonca udelená Nobelova cena.
Ale švajčiarsky vedec Friedrich Johann Miescher, ktorý pracoval v Nemecku, bol prvý, kto objavil nukleové kyseliny. V roku 1869 študoval živočíšne bunky – leukocyty. Na ich získanie používal obväzy s hnisom, ktoré dostal z nemocníc. Mischer vymýval leukocyty z hnisu a izoloval z nich proteín. Počas týchto štúdií sa vedcom podarilo zistiť, že v leukocytoch je okrem proteínov aj niečo iné, nejaká vtedy neznáma látka. Bol to vláknitý alebo vločkovitý sediment, ktorý sa uvoľnil, ak sa vytvorilo kyslé prostredie. Po pridaní alkálie sa zrazenina okamžite rozpustila.
Pomocou mikroskopu vedec zistil, že keď sa leukocyty premyjú kyselinou chlorovodíkovou, z buniek zostávajú jadrá. Potom dospel k záveru, že v jadre sa nachádza neznáma látka, ktorú nazval nukleín (slovo jadro v preklade znamená jadro).
Po vykonaní chemickej analýzy Miescher zistil, že nová látka obsahuje uhlík, vodík, kyslík a fosfor. V tom čase sa o organofosforových zlúčeninách vedelo len málo, takže Friedrich veril, že objavil novú triedu zlúčenín nachádzajúcich sa v bunkovom jadre.
Tak bola v 19. storočí objavená existencia nukleových kyselín. Nikto však v tom čase nemohol ani len pomyslieť na významnú úlohu, ktorú zohrali.
Podstata dedičnosti
Štruktúra DNA pokračovala v štúdiu a v roku 1944 skupina bakteriológov vedená Oswaldom Averym získala dôkaz, že táto molekula si zaslúži vážnu pozornosť. Vedec strávil mnoho rokov štúdiom pneumokokov, organizmov spôsobujúcich zápal pľúc alebo pľúcne ochorenia. Avery uskutočnil experimenty zmiešaním pneumokokov, ktoré spôsobujú ochorenie, s tými, ktoré sú bezpečné pre živé organizmy. Najprv sa usmrtili bunky spôsobujúce choroby a potom sa k nim pridali tie, ktoré chorobu nespôsobili.
Výsledky výskumu všetkých ohromili. Existovali živé bunky, ktoré sa po interakcii s mŕtvymi naučili spôsobovať choroby. Vedec zistil povahu látky, ktorá sa podieľa na procese prenosu informácií do živých buniek z mŕtvych. Ukázalo sa, že molekulou DNA je táto látka.
Štruktúra
Preto je potrebné pochopiť, akú štruktúru má molekula DNA. Významnou udalosťou bolo objavenie jeho štruktúry, ktorá viedla k vytvoreniu molekulárnej biológie – nového odvetvia biochémie. DNA sa nachádza vo veľkom množstve v jadrách buniek, ale veľkosť a počet molekúl závisí od typu organizmu. Zistilo sa, že jadrá buniek cicavcov obsahujú mnohé z týchto buniek, sú rozmiestnené pozdĺž chromozómov, je ich 46.
Počas štúdia štruktúry DNA Feulgen v roku 1924 prvýkrát stanovil jej lokalizáciu. Dôkazy získané z experimentov ukázali, že DNA sa nachádza v mitochondriách (1-2%). Inde sa tieto molekuly môžu nachádzať počas vírusovej infekcie, v bazálnych telách a tiež vo vajíčkach niektorých zvierat. Je známe, že čím je organizmus zložitejší, tým väčšia je hmotnosť DNA. Počet molekúl prítomných v bunke závisí od funkcie a zvyčajne je 1-10%. Najmenej sa ich nachádza v myocytoch (0,2 %), najviac v zárodočných bunkách (60 %).
Štruktúra DNA ukázala, že v chromozómoch vyšších organizmov sú spojené s jednoduchými proteínmi – albumínmi, histónmi a inými, ktoré spolu tvoria DNP (deoxyribonukleoproteín). Veľká molekula je zvyčajne nestabilná, a aby zostala počas evolúcie neporušená a nezmenená, vytvoril sa takzvaný opravný systém, ktorý pozostáva z enzýmov - ligáz a nukleáz, ktoré sú zodpovedné za „opravu“ molekula.
Chemická štruktúra DNA
DNA je polymér, polynukleotid, pozostávajúci z obrovského množstva (až desiatok tisíc miliónov) mononukleotidov. Štruktúra DNA je nasledovná: mononukleotidy obsahujú dusíkaté bázy - cytozín (C) a tymín (T) - z pyrimidínových derivátov, adenín (A) a guanín (G) - z purínových derivátov. Okrem dusíkatých zásad obsahuje ľudská a zvieracia molekula 5-metylcytozín, minoritnú pyrimidínovú zásadu. Dusíkaté zásady sa viažu na kyselinu fosforečnú a deoxyribózu. Štruktúra DNA je uvedená nižšie.
Chargaff pravidlá
Štruktúru a biologickú úlohu DNA študoval v roku 1949 E. Chargaff. Počas svojho výskumu identifikoval vzorce, ktoré boli pozorované pri kvantitatívnom rozdelení dusíkatých báz:
- ∑T + C = ∑A + G (to znamená, že počet pyrimidínových báz sa rovná počtu purínových báz).
- Počet adenínových zvyškov sa vždy rovná počtu tymínových zvyškov a počet guanínu sa rovná cytozínu.
- Koeficient špecifickosti má vzorec: G+C/A+T. Napríklad pre človeka je to 1,5, pre býka je to 1,3.
- Súčet „A + C“ sa rovná súčtu „G + T“, to znamená, že adenínu a cytozínu je toľko ako guanínu a tymínu.
Model štruktúry DNA
Vytvorili ho Watson a Crick. Fosfátové a deoxyribózové zvyšky sú umiestnené pozdĺž hlavného reťazca dvoch polynukleotidových reťazcov stočených do špirály. Zistilo sa, že plošné štruktúry pyrimidínových a purínových báz sú umiestnené kolmo na os reťazca a tvoria akoby schodíky rebríka vo forme špirály. Tiež sa zistilo, že A je vždy pripojený k T pomocou dvoch vodíkových väzieb a G je pripojený k C tromi rovnakými väzbami. Tento jav dostal názov „princíp selektivity a komplementarity“.
Úrovne štrukturálnej organizácie
Polynukleotidový reťazec ohnutý ako špirála je primárna štruktúra, ktorá má určitý kvalitatívny a kvantitatívny súbor mononukleotidov spojených 3',5'-fosfodiesterovou väzbou. Každý z reťazcov má teda 3' koniec (deoxyribóza) a 5' koniec (fosfát). Oblasti, ktoré obsahujú genetickú informáciu, sa nazývajú štrukturálne gény.
Molekula dvojitej špirály je sekundárna štruktúra. Okrem toho sú jeho polynukleotidové reťazce antiparalelné a sú spojené vodíkovými väzbami medzi komplementárnymi bázami reťazcov. Zistilo sa, že každý závit tejto špirály obsahuje 10 nukleotidových zvyškov, jej dĺžka je 3,4 nm. Túto štruktúru podporujú aj van der Waalsove interakčné sily, ktoré sú pozorované medzi základňami toho istého reťazca, vrátane odpudivých a príťažlivých komponentov. Tieto sily sa vysvetľujú interakciou elektrónov v susedných atómoch. Elektrostatická interakcia tiež stabilizuje sekundárnu štruktúru. Vyskytuje sa medzi kladne nabitými molekulami histónu a záporne nabitým reťazcom DNA.
Terciárna štruktúra je vinutie reťazcov DNA okolo histónov alebo supercoiling. Bolo opísaných päť typov histónov: H1, H2A, H2B, H3, H4.
Skladanie nukleozómov do chromatínu je kvartérna štruktúra, takže molekula DNA dlhá niekoľko centimetrov sa môže zložiť až na 5 nm.
Funkcie DNA
Hlavné funkcie DNA sú:
- Uchovávanie dedičných informácií. Sekvencia aminokyselín nachádzajúcich sa v molekule proteínu je určená poradím, v ktorom sú nukleotidové zvyšky umiestnené v molekule DNA. Šifruje aj všetky informácie o vlastnostiach a charakteristikách organizmu.
- DNA je schopná prenášať dedičné informácie na ďalšiu generáciu. Je to možné vďaka schopnosti replikácie – samoduplikácie. DNA je schopná sa rozdeliť na dva komplementárne reťazce a na každom z nich (v súlade s princípom komplementarity) sa obnoví pôvodná nukleotidová sekvencia.
- Pomocou DNA dochádza k biosyntéze bielkovín, enzýmov a hormónov.
Záver
Štruktúra DNA jej umožňuje byť správcom genetickej informácie a tiež ju odovzdávať ďalším generáciám. Aké vlastnosti má táto molekula?
- Stabilita. Je to možné vďaka glykozidickým, vodíkovým a fosfodiesterovým väzbám, ako aj mechanizmom opravy indukovaného a spontánneho poškodenia.
- Možnosť replikácie. Tento mechanizmus umožňuje zachovanie diploidného počtu chromozómov v somatických bunkách.
- Existencia genetického kódu. Prostredníctvom procesov translácie a transkripcie sa sekvencia báz nachádzajúcich sa v DNA premení na sekvenciu aminokyselín nachádzajúcich sa v polypeptidovom reťazci.
- Schopnosť genetickej rekombinácie. V tomto prípade sa vytvárajú nové kombinácie génov, ktoré sú navzájom spojené.
Štruktúra a funkcie DNA jej teda umožňujú hrať neoceniteľnú úlohu v živých bytostiach. Je známe, že dĺžka 46 molekúl DNA nachádzajúcich sa v každej ľudskej bunke je takmer 2 ma počet nukleotidových párov je 3,2 miliardy.
