След откриването на принципа на молекулярната организация на такова вещество като ДНК през 1953 г., започва да се развива молекулярна биология... Освен това, в процеса на изследване, учените откриха как ДНК се рекомбинира, нейния състав и как работи нашият човешки геном.

Най-сложните процеси протичат на молекулярно ниво всеки ден. Как е структурирана една ДНК молекула, от какво се състои? И каква роля играят молекулите на ДНК в клетката? Нека поговорим подробно за всички процеси, протичащи вътре в двойната верига.

Какво е наследствена информация?

И така, откъде започна всичко? Още през 1868 г. те са открити в ядрата на бактериите. И през 1928 г. Н. Колцов излага теорията, че именно в ДНК цялата генетична информация за жив организъм е криптирана. Тогава Дж. Уотсън и Ф. Крик откриват модел на вече известната ДНК спирала през 1953 г., за което заслужено получават признание и награда – Нобелова награда.

Какво изобщо е ДНК? Това вещество се състои от 2 обединени нишки, по-точно спирали. Част от такава верига с определена информация се нарича ген.

ДНК съхранява цялата информация за това кои протеини ще се образуват и в какъв ред. Макромолекулата на ДНК е материален носител на невероятно обемна информация, която се записва от строга последователност от отделни градивни елементи - нуклеотиди. Има общо 4 нуклеотида, те се допълват химически и геометрично. Този принцип на комплементарност, или допълване, в науката ще бъде описан по-късно. Това правило играе ключова роля в кодирането и декодирането на генетична информация.

Тъй като ДНК веригата е невероятно дълга, в тази последователност няма повторения. Всяко живо същество има своя уникална ДНК верига.

Функции на ДНК

Функциите включват съхранение на наследствена информация и предаването й на потомство. Без тази функция геномът на вида не би могъл да бъде запазен и развит в продължение на хилядолетия. Организмите, които са претърпели големи генни мутации, е по-вероятно да не оцелеят или да загубят способността си да произвеждат потомство. Така се получава естествената защита от израждането на вида.

Друга съществена функция е внедряването на съхранена информация. Клетката не може да направи нито един жизненоважен протеин без инструкциите, които се съхраняват в двойна верига.

Състав на нуклеинова киселина

Сега вече е достоверно известно от какво се състоят самите нуклеотиди - градивните елементи на ДНК. Те се състоят от 3 вещества:

• Ортофосфорна киселина.
• Азотна основа. Пиримидинови основи - които имат само един пръстен. Те включват тимин и цитозин. Пуринови основи, които съдържат 2 пръстена. Това са гуанин и аденин.
• Захароза. Като част от ДНК - дезоксирибоза, В РНК - рибоза.

Броят на нуклеотидите винаги е равен на броя на азотните бази. В специални лаборатории се разцепва нуклеотид и от него се изолира азотна основа. Така се изучават индивидуалните свойства на тези нуклеотиди и възможните мутации в тях.

Нива на организация на наследствената информация

Има 3 нива на организация: генно, хромозомно и геномно. Цялата информация, необходима за синтеза на нов протеин, се съдържа в малък участък от веригата – гена. Тоест, генът се счита за най-ниското и най-просто ниво на кодиране на информация.

Гените от своя страна се събират в хромозоми. Благодарение на такава организация на носителя на наследствен материал, групи от знаци се редуват според определени закони и се предават от едно поколение на друго. Трябва да се отбележи, че в тялото има невероятно много гени, но информацията не се губи дори когато се рекомбинира многократно.

Има няколко вида гени:

• според функционалното си предназначение биват 2 вида: структурни и регулаторни последователности;
• според влиянието върху процесите, протичащи в клетката, те се разграничават: супервитални, летални, условно смъртоносни гени, както и мутаторни и антимутационни гени.

Гените са разположени по протежение на хромозомата в линеен ред. В хромозомите информацията не е фокусирана произволно, има определен ред. Има дори карта, показваща позициите или локусите на гените. Например, известно е, че хромозома номер 18 кодира данни за цвета на очите на детето.

Какво е геном? Това е името на целия набор от нуклеотидни последователности в клетката на тялото. Геномът характеризира цял изгледа не индивид.

Какво представлява човешкият генетичен код?

Факт е, че целият огромен потенциал на човешкото развитие вече е заложен в периода на зачеване. Цялата наследствена информация, която е необходима за развитието на зиготата и растежа на детето след раждането, е кодирана в гените. Частите от ДНК са най-основните носители на наследствена информация.

Човек има 46 хромозоми или 22 соматични двойки плюс една определяща пола хромозома от всеки родител. Този диплоиден набор от хромозоми кодира целия физически облик на човек, неговите умствени и физически способности и предразположеност към болести. Соматичните хромозоми са външно неразличими, но носят различна информация, тъй като едната е от бащата, а другата от майката.

Мъжкият код се различава от женския по последната двойка хромозоми - XY. Женският диплоиден комплект е последната двойка, XX. Мъжете получават една Х хромозома от биологичната си майка и след това се предава на дъщерите им. Половата Y хромозома се предава на синовете.

Човешките хромозоми се различават значително по размер. Например, най-малката двойка хромозоми е # 17. И най-голямата двойка е 1 и 3.

Диаметър двойна спиралапри хората - само 2 nm. ДНК е усукана толкова плътно, че се вписва в малкото ядро ​​на клетката, въпреки че ще бъде дълга до 2 метра, ако се развие. Дължината на спиралата е стотици милиони нуклеотиди.

Как се предава генетичният код?

И така, каква роля играят ДНК молекулите в клетката по време на деленето? Гените - носители на наследствена информация - се намират във всяка клетка на тялото. За да предадат своя код на дъщерния организъм, много същества разделят своята ДНК на 2 еднакви спирали. Това се нарича репликация. В процеса на репликация ДНК се развива и специални "машини" допълват всяка верига. След като генетичната спирала се раздвои, ядрото и всички органели започват да се делят, а след това и цялата клетка.

Но човек има различен процес на генен трансфер – полов. Знаците на бащата и майката се смесват, новият генетичен код съдържа информация от двамата родители.

Съхраняването и предаването на наследствена информация е възможно поради сложната организация на ДНК спиралата. В края на краищата, както казахме, структурата на протеините е кодирана в гени. Веднъж създаден по време на зачеването, този код ще се копира през целия си живот. Кариотипът (личен набор от хромозоми) не се променя по време на обновяването на клетката на органа. Преносът на информация се осъществява с помощта на полови гамети – мъжки и женски.

Само вирусите, съдържащи една нишка РНК, не са в състояние да предадат своята информация на своите потомци. Следователно, за да се размножават, те се нуждаят от човешки или животински клетки.

Реализация на наследствена информация

В клетъчното ядро ​​непрекъснато протичат важни процеси. Цялата информация, записана в хромозомите, се използва за изграждане на протеини от аминокиселини. Но веригата на ДНК никога не напуска ядрото, така че тук е необходима помощта на друг. важна връзка= РНК. Именно РНК е способна да проникне в ядрената мембрана и да взаимодейства с ДНК веригата.

Чрез взаимодействието на ДНК и 3 вида РНК се реализира цялата кодирана информация. На какво ниво е реализацията на наследствената информация? Всички взаимодействия се осъществяват на нуклеотидно ниво. Месинджър РНК копира участък от ДНК веригата и пренася това копие в рибозомата. Тук започва синтеза на нова молекула от нуклеотиди.

За да може иРНК да копира необходимата част от веригата, спиралата се разгъва и след това, след завършване на процеса на прекодиране, се възстановява отново. Освен това този процес може да се осъществи едновременно от 2 страни на 1 хромозома.

Принципът на допълване

Те се състоят от 4 нуклеотида - аденин (А), гуанин (G), цитозин (С), тимин (Т). Те са свързани чрез водородни връзки според правилото за допълване. Работите на Е. Чаргаф помогнаха за установяването на това правило, тъй като ученият забеляза някои модели в поведението на тези вещества. Е. Чаргаф открива, че моларното съотношение на аденина към тимина е равно на единица. И по същия начин съотношението на гуанин към цитозин винаги е равно на единица.

Въз основа на неговата работа генетиката формира правило за взаимодействието на нуклеотидите. Правилото за комплементарност гласи, че аденинът се комбинира само с тимин, а гуанинът с цитозин. По време на декодирането на спиралата и синтеза на нов протеин в рибозомата, това правило на ротация помага за бързо намиране на необходимата аминокиселина, която е прикрепена към транспортната РНК.

РНК и нейните видове

Какво е наследствена информация? нуклеотиди в двойна верига на ДНК. Какво е РНК? Каква е нейната работа? РНК, или рибонуклеинова киселина, помага за извличането на информация от ДНК, декодирането й и, въз основа на принципа на комплементарността, създава протеини, необходими за клетките.

Общо се изолират 3 вида РНК. Всеки от тях стриктно изпълнява своята функция.

1. Информационна (иРНК), или иначе се нарича матрица. Той отива направо в центъра на клетката, в ядрото. Открива в една от хромозомите необходимия генетичен материал за изграждане на протеин и копира една от страните на двойната верига. Копирането става отново според принципа на допълване.
2. ТранспортТова е малка молекула, която има нуклеотидни декодери от едната страна и аминокиселини, съответстващи на основния код от другата страна. Задачата на тРНК е да я достави до „работилницата“, тоест до рибозомата, където синтезира необходимата аминокиселина.
3. рРНК - рибозомна.Той контролира количеството протеин, който се произвежда. Състои се от 2 части - аминокиселинно и пептидно място.

Единствената разлика в декодирането е, че РНК няма тимин. Вместо тимин има урацил. Но след това, в процеса на протеинов синтез, с tRNA, той все още правилно задава всички аминокиселини. Ако има някакви грешки при декодирането на информация, тогава настъпва мутация.

Ремонт на увредена ДНК молекула

Процесът на ремонт на повредена двойна нишка се нарича ремонт. По време на процеса на възстановяване повредените гени се отстраняват.

След това необходимата последователност от елементи се възпроизвежда точно и се изрязва обратно на същото място на веригата, откъдето е извлечена. Всичко това се случва благодарение на специални химикали- ензими.

Защо възникват мутации?

Защо някои гени започват да мутират и спират да изпълняват функцията си – съхраняване на жизненоважна наследствена информация? Това се дължи на грешка при декодиране. Например, ако аденинът случайно бъде заменен с тимин.

Има и хромозомни и геномни мутации. Хромозомните мутации възникват, когато участъци от наследствена информация са загубени, дублирани или дори прехвърлени и интегрирани в друга хромозома.

Геномните мутации са най -сериозните. Тяхната причина е промяна в броя на хромозомите. Тоест, когато вместо двойка - диплоиден набор, в кариотипа присъства триплоиден набор.

Най-известният пример за триплоидна мутация е синдромът на Даун, при който персоналният набор от хромозоми е 47. При такива деца се образуват 3 хромозоми на мястото на 21-ва двойка.

Известна е и мутация като полиплоидия. Но полиплоидията се среща само в растенията.

Нуклеиновите киселини са високомолекулни вещества, състоящи се от мононуклеотиди, които са свързани помежду си в полимерна верига, използвайки 3 ", 5" - фосфодиестерни връзки и са опаковани в клетки по определен начин.

Нуклеиновите киселини са биополимери от два вида: рибонуклеинова киселина (РНК) и дезоксирибонуклеинова киселина (ДНК). Всеки биополимер се състои от нуклеотиди, които се различават по въглехидратния остатък (рибоза, дезоксирибоза) и една от азотните основи (урацил, тимин). Според тези различия нуклеиновите киселини са получили името си.

Структура на дезоксирибонуклеинова киселина

Нуклеиновите киселини имат първична, вторична и третична структура.

Първична структура на ДНК

Първичната структура на ДНК се нарича линейна полинуклеотидна верига, в която мононуклеотидите са свързани чрез 3 ", 5" -фосфодиестерни връзки. Изходният материал за сглобяването на веригата на нуклеинова киселина в клетката е нуклеозид 5"-трифосфат, който в резултат на отстраняването на остатъците от β и γ фосфорна киселина е способен да прикрепи 3" въглероден атом на друг нуклеозид . По този начин, 3 "въглероден атом на една дезоксирибоза ковалентно се свързва с 5" въглероден атом на другата дезоксирибоза чрез един остатък на фосфорна киселина и образува линейна полинуклеотидна верига на нуклеинова киселина. Оттук и името: 3 ", 5" -фосфодиестерни връзки. Азотните бази не участват в комбинацията от нуклеотиди от една верига (фиг. 1.).

Такава връзка, между остатъка от молекулата на фосфорната киселина на един нуклеотид и въглехидрата на друг, води до образуването на пентозо-фосфатен скелет на полинуклеотидната молекула, върху който азотните основи са прикрепени една по една отстрани. Тяхната последователност на подреждане във веригите от молекули на нуклеиновите киселини е строго специфична за клетките на различни организми, т.е. е от специфичен характер (правилото на Чаргаф).

Линейна ДНК верига, чиято дължина зависи от броя на нуклеотидите, включени във веригата, има два края: единият се нарича 3 "края и съдържа свободен хидроксил, а другият, 5" край, съдържа фосфорна киселина остатък. Веригата е поляризирана и може да има посока 5 "-> 3" и 3 "-> 5". Изключение е кръговата ДНК.

Генетичният "текст" на ДНК е съставен от кодови "думи" - триплети нуклеотиди, наречени кодони. Регионите на ДНК, които съдържат информация за първичната структура на всички видове РНК, се наричат ​​структурни гени.

Полинуклеодитните ДНК вериги достигат гигантски размери, така че са опаковани по определен начин в клетката.

Изучавайки състава на ДНК, Чаргаф (1949) установява важни закони по отношение на съдържанието на отделните ДНК бази. Те помогнаха да се разкрие вторичната структура на ДНК. Тези модели се наричат ​​правила на Чаргаф. Правила на Чаргаф сумата от пуринови нуклеотиди е равна на сумата от пиримидинови нуклеотиди, т.е.A + G / C + T = 1 съдържанието на аденин е равно на съдържанието на тимин (A = T, или A / T = 1); съдържанието на гуанин е равно на съдържанието на цитозин (G = C, или G / C = 1); броят на 6-амино групите е равен на броя на 6-кето групите от бази, съдържащи се в ДНК: G + T = A + C; само сумата от A + T и G + C е променлива. Ако A + T> G-C, тогава това е AT-тип на ДНК; ако G + C> A + T, тогава това е GC-тип на ДНК. Тези правила показват, че при изграждане на ДНК не трябва да се наблюдава доста строго съответствие (сдвояване) между пуриновите и пиримидиновите бази като цяло, а по-специално тимин с аденин и цитозин с гуанин. Въз основа на тези правила, включително през 1953 г., Уотсън и Крик предложиха модел на вторичната структура на ДНК, наречена двойна спирала (фиг.).

Вторична структура на ДНК

Вторичната структура на ДНК е двойна спирала, чийто модел е предложен от Д. Уотсън и Ф. Крик през 1953г.

Предпоставки за създаване на ДНК модел

Първоначалните анализи създават впечатлението, че ДНК от всякакъв произход съдържа всичките четири нуклеотида в равни моларни количества. Въпреки това, през 40-те години на миналия век Е. Чаргаф и неговите сътрудници, в резултат на анализа на ДНК, изолирана от различни организми, ясно показаха, че в тях се съдържат азотни основи в различни количествени съотношения. Чаргаф установи, че въпреки че тези съотношения са еднакви за ДНК от всички клетки от един и същ тип организъм, ДНК от различни видове може да се различава значително в съдържанието на определени нуклеотиди. Това предполага, че разликите в съотношението на азотните основи може да са свързани с някакъв вид биологичен код. Въпреки че съотношението на отделните пуринови и пиримидинови бази в различните ДНК проби се оказва различно, при сравняване на резултатите от анализа се разкрива определен модел: във всички проби общото количество пурини е равно на общото количество пиримидини (A + G = T + C), количеството аденин е равно на количеството тимин (A = T), а количеството гуанин - на количеството цитозин (G = C). ДНК, изолирана от клетки на бозайници, като цяло е по-богата на аденин и тимин и относително по-бедна на гуанин и цитозин, докато при бактериите ДНК е по-богата на гуанин и цитозин и относително по-бедна на аденин и тимин. Тези данни формират важна част от фактическия материал, въз основа на който по-късно е изграден модел на структурата на ДНК на Уотсън-Крик.

Друга важна косвена индикация за възможната структура на ДНК са данните на Л. Полинг за структурата на протеиновите молекули. Полинг показа, че са възможни няколко различни стабилни конфигурации на аминокиселинната верига в протеинова молекула. Една от често срещаните конфигурации на пептидната верига, α-спирала, е правилна спирална структура. При такава структура е възможно образуването на водородни връзки между аминокиселини, разположени на съседни завои на веригата. Полинг описва α-спиралната конфигурация на полипептидната верига през 1950 г. и предполага, че молекулите на ДНК също вероятно имат спирална структура, фиксирана чрез водородни връзки.

Най-ценната информация за структурата на молекулата на ДНК обаче беше предоставена от резултатите от рентгеновия структурен анализ. Рентгеновите лъчи, преминаващи през кристала на ДНК, претърпяват дифракция, тоест се отклоняват в определени посоки. Степента и естеството на отклонението на лъчите зависят от структурата на самите молекули. Рентгеновата дифракционна картина (фиг. 3) дава на опитното око редица косвени индикации относно структурата на молекулите на изследваното вещество. Анализът на рентгенови дифракционни модели на ДНК доведе до заключението, че азотните основи (имащи плоска форма) са подредени като купчина чинии. Рентгеновите дифракционни модели разкриват три основни периода в структурата на кристалната ДНК: 0,34, 2 и 3,4 nm.

ДНК модел на Watson-Crick

Въз основа на аналитичните данни на Чаргаф, рентгеновите дифракционни модели, получени от Уилкинс и изследванията на химици, които предоставиха информация за точните разстояния между атомите в молекулата, за ъглите между връзките на даден атом и размера на атоми, Уотсън и Крик започнаха да изграждат физически модели на отделните съставни части на молекулата на ДНК в определен мащаб и да ги „напасват“ един към друг по такъв начин, че получената система да съответства на различни експериментални данни [покажи] .

Още по-рано беше известно, че съседните нуклеотиди във веригата на ДНК са свързани чрез фосфодиестерни мостове, свързващи 5'-въглеродния атом на дезоксирибозата на един нуклеотид с 3'-въглеродния атом на дезоксирибозата на следващия нуклеотид. Уотсън и Крик нямаха съмнение, че периодът от 0,34 nm съответства на разстоянието между последователни нуклеотиди във веригата на ДНК. Освен това може да се предположи, че периодът от 2 nm съответства на дебелината на веригата. И за да обяснят коя реална структура отговаря на периода от 3,4 nm, Уотсън и Крик, точно както Полинг по -рано, предложиха веригата да бъде усукана под формата на спирала (или по -точно образува спирална линия, тъй като спирала в строгия смисъл на тази дума се получава, когато завоите образуват конична, а не цилиндрична повърхност в пространството). Тогава периодът от 3,4 nm ще съответства на разстоянието между последователните завои на тази спирала. Такава спирала може да бъде много плътна или донякъде опъната, тоест завоите й могат да бъдат нежни или стръмни. Тъй като периодът от 3,4 nm е точно 10 пъти разстоянието между последователни нуклеотиди (0,34 nm), е ясно, че всеки пълен завой на спиралата съдържа 10 нуклеотида. От тези данни Уотсън и Крик успяха да изчислят плътността на полинуклеотидна верига, усукана в 2 nm спирала с разстояние между завоите, равно на 3,4 nm. Оказа се, че плътността на такава верига ще бъде половината от действителната плътност на ДНК, която вече беше известна. Трябваше да допусна, че молекулата на ДНК се състои от две вериги – че е двойна спирала от нуклеотиди.

Следващата задача, разбира се, беше да се изясни пространствената връзка между двете вериги, образуващи двойна спирала. След тестване на редица верижни оформления върху техния физически модел, Уотсън и Крик откриха, че всички налични данни най-добре отговарят на вариант, при който две полинуклеотидни спирали се движат в противоположни посоки; в този случай вериги, състоящи се от захарни и фосфатни остатъци, образуват повърхността на двойна спирала, а вътре са разположени пурини и пиримидини. Базите, разположени една срещу друга, принадлежащи към две вериги, са свързани по двойки чрез водородни връзки; именно тези водородни връзки държат веригите заедно, като по този начин фиксират цялостната конфигурация на молекулата.

Двойната спирала на ДНК може да бъде представена като въжена стълба във формата на спирала, така че стъпалата й да останат в хоризонтално положение. Тогава две надлъжни въжета ще съответстват на вериги от захарни и фосфатни остатъци, а напречните прътове ще съответстват на двойки азотни основи, свързани с водородни връзки.

В резултат на по-нататъшно проучване на възможните модели, Уотсън и Крик стигат до заключението, че всяка „бар“ трябва да се състои от един пурин и един пиримидин; с период от 2 nm (което съответства на диаметъра на двойната спирала) няма да има достатъчно място за двата пурина и двата пиримидина няма да бъдат достатъчно близо един до друг, за да образуват правилни водородни връзки. Задълбочено проучване на подробен модел показа, че аденинът и цитозинът, съставляващи подходяща по размер комбинация, все още не могат да бъдат разположени по такъв начин, че да образуват водородни връзки между тях. Подобни доклади налагат изключването на комбинацията гуанин-тимин, докато комбинациите аденин-тимин и гуанин-цитозин са доста приемливи. Природата на водородните връзки е такава, че аденинът образува двойка с тимин, а гуанинът с цитозин. Тази концепция за специфично сдвояване на бази позволява да се обясни "правилото на Чаргаф", според което във всяка молекула на ДНК количеството аденин винаги е равно на съдържанието на тимин, а количеството гуанин е равно на количеството цитозин. Между аденин и тимин се образуват две водородни връзки, а между гуанин и цитозин се образуват три водородни връзки. Поради тази специфичност при образуването на водородни връзки срещу всеки аденин в едната верига, тиминът се намира в другата; по същия начин срещу всеки гуанин може да се намери само цитозин. По този начин веригите са комплементарни една на друга, тоест последователността на нуклеотидите в едната верига определя уникално тяхната последователност в другата. Двете вериги се движат в противоположни посоки и техните крайни фосфатни групи са в противоположните краища на двойната спирала.

В резултат на своите изследвания през 1953 г. Уотсън и Крик предлагат модел на структурата на молекулата на ДНК (фиг. 3), който остава актуален и до днес. Според модела ДНК молекула се състои от две комплементарни полинуклеотидни вериги. Всяка ДНК верига е полинуклеотид, състоящ се от няколко десетки хиляди нуклеотиди. В него съседни нуклеотиди образуват обикновен пентозо-фосфатен гръбнак поради комбинацията от остатък от фосфорна киселина и дезоксирибоза ковалентна връзка... В този случай азотните бази на едната полинуклеотидна верига са подредени в строго определен ред спрямо азотните бази на другата. Редуването на азотните бази в полинуклеотидната верига е неправилно.

Разположението на азотните бази във веригата на ДНК е комплементарно (от гръцки "комплемент" - добавяне), т.е. срещу аденин (А) винаги има тимин (Т), а срещу гуанин (G) - само цитозин (С). Това се дължи на факта, че A и T, както и G и C строго съответстват един на друг, т.е. взаимно се допълват. Това съответствие се дава от химическата структура на основите, която позволява образуването на водородни връзки в двойката пурин и пиримидин. Има две връзки между A и T, три между G и C. Тези връзки осигуряват частична стабилизация на ДНК молекулата в пространството. В този случай стабилността на двойната спирала е правопропорционална на броя на G≡C връзките, които са по -стабилни в сравнение с A = T връзките.

Известната последователност на подреждането на нуклеотидите в една верига на ДНК позволява, съгласно принципа на комплементарността, да се установят нуклеотидите на другата верига.

Освен това беше установено, че азотните основи с ароматна структура във воден разтвор са разположени една над друга, образувайки сякаш купчина монети. Този процес на формиране на купчини от органични молекулинаречено залагане. Полинуклеотидните вериги на молекулата на ДНК на разглеждания модел Уотсън-Крик имат подобно физикохимично състояние, техните азотни основи са разположени под формата на купчина монети, между равнините на които възникват взаимодействия на ван дер Ваалс (взаимодействия при подреждане).

Водородните връзки между комплементарните бази (хоризонтално) и взаимодействието при подреждане между равнините на базите в полинуклеотидната верига поради силите на Ван дер Ваалс (вертикално) осигуряват на молекулата на ДНК допълнителна стабилизация в пространството.

Захарно-фосфатните гръбнаци на двете вериги са обърнати навън, а основите навътре, една към друга. Посоката на веригите в ДНК е антипаралелна (едната от тях има посока 5 "-> 3", другата - 3 "-> 5", т.е. 3 "края на едната верига е срещу 5" края на другата .). Веригите образуват десни спирали с обща ос. Един завой на спиралата е 10 нуклеотида, размерът на намотката е 3,4 nm, височината на всеки нуклеотид е 0,34 nm, а диаметърът на спиралата е 2,0 nm. В резултат на въртене на една верига около другата се образуват голям жлеб (около 20 Å в диаметър) и малък жлеб (около 12 Å) на двойната спирала на ДНК. Тази форма на двойната спирала на Уотсън-Крик по-късно е наречена B-форма. В клетките ДНК обикновено съществува във В-форма, която е най-стабилната форма.

Функции на ДНК

Предложеният модел обяснява много биологични свойства на дезоксирибонуклеиновата киселина, включително съхранението на генетична информация и разнообразието от гени, осигурено от голямо разнообразие от последователни комбинации от 4 нуклеотида и факта на съществуването генетичен код, способността за самовъзпроизвеждане и пренасяне на генетична информация, предоставена от процеса на репликация, и внедряване на генетична информация под формата на протеини, както и всякакви други съединения, образувани с помощта на ензимни протеини.

Основни функции на ДНК.

1. ДНК е носител на генетична информация, която се осигурява от факта на съществуването на генетичния код.
2. Възпроизвеждане и предаване на генетична информация в поколенията клетки и организми. Тази функционалност се осигурява от процеса на репликация.
3. Реализиране на генетична информация под формата на протеини, както и всякакви други съединения, образувани с помощта на протеинови ензими. Тази функция се осигурява от процесите на транскрипция и транслация.

Форми на организация на двуверижна ДНК

ДНК може да образува няколко вида двойни спирали (фиг. 4). В момента вече са известни шест форми (от A до E и Z-форма).

Структурните форми на ДНК, както установи Розалинд Франклин, зависят от насищането на молекулата на нуклеиновата киселина с вода. При изследвания на ДНК влакна с помощта на рентгенов дифракционен анализ беше показано, че рентгеновата дифракционна картина коренно зависи от това при каква относителна влажност, при каква степен на водонасищане на това влакно се провежда експериментът. Ако влакното е достатъчно наситено с вода, тогава се получава една рентгенова снимка. При изсушаване се появява напълно различна рентгенова картина, която е много различна от рентгеновата картина на влакното с висока влажност.

ДНК молекулата с висока влажност се нарича B-форма... При физиологични условия (ниска концентрация на сол, висока степен на хидратация) доминиращият структурен тип на ДНК е В-формата (основната форма на двойноверижна ДНК е моделът на Watson-Crick). Стъпката на спиралата на такава молекула е 3,4 nm. На ход има 10 допълващи се двойки под формата на усукани купчини „монети“ - азотни основи. Купчините се държат от водородни връзки между две противоположни "монети" на стека и са "увити" в две панделки от фосфодиестерен скелет, усукани в дясна спирала. Равнините на азотните основи са перпендикулярни на оста на спиралата. Съседните допълващи се двойки се завъртат една спрямо друга на 36 °. Диаметърът на спиралата е 20 Å, като пуриновият нуклеотид заема 12 Å, а пиримидиновият нуклеотид - 8 Å.

Молекулата на ДНК с по-ниска влажност се нарича А-форма... А-формата се образува при условия на по-малко висока хидратация и с по-високо съдържание на Na + или K + йони. Тази по-широка конформация с дясна ръка има 11 базови двойки на ход. Плоскостите на азотни основи имат по -силен наклон към оста на спиралата; те се отклоняват от нормалата към оста на спиралата с 20 °. Следователно следва наличието на вътрешна кухина с диаметър 5 Å. Разстоянието между съседните нуклеотиди е 0,23 nm, дължината на намотката е 2,5 nm, а диаметърът на спиралата е 2,3 nm.

Първоначално А-формата на ДНК се смяташе за по-малко важна. По-късно обаче стана ясно, че А-формата на ДНК, както и В-формата, имат огромно биологично значение. РНК-ДНК спирала в комплекса шаблон-праймер има А-форма, както и РНК-РНК спирала и РНК фиби структури (2'-хидроксилната група на рибозата не позволява на РНК молекулите да образуват В-форма) . А-формата на ДНК е открита в противоречие. Установено е, че А-формата на ДНК е 10 пъти по-устойчива на UV лъчи от В-формата.

А-формата и В-формата се наричат ​​канонични форми на ДНК.

Формулярите C-Eса също десни, тяхното образуване може да се наблюдава само в специални експерименти и, очевидно, те не съществуват in vivo. С-формата ДНК има структура, подобна на В-ДНК. Броят на базовите двойки на завой е 9,33, дължината на спиралата е 3,1 nm. Основните двойки са наклонени под ъгъл от 8 градуса спрямо перпендикулярното положение към оста. Вдлъбнатините са сходни по размер с каналите на В-ДНК. В този случай главният жлеб е малко по-плитък, а второстепенният е по-дълбок. Естествените и синтетичните ДНК полинуклеотиди могат да преминат в С-формата.

Таблица 1. Характеристики на някои видове ДНК структури
Спирален тип	А	Б	З
Спирална стъпка	0,32 nm	3,38 nm	4,46 nm
Спирално усукване	правилно	правилно	Наляво
Базови двойки на ход	11	10	12
Разстояние между базовите равнини	0,256 nm	0,338 nm	0,371 nm
Конформация на гликозидна връзка	анти	анти	анти-C syn-g
Конформация на фуранозния пръстен	C3 "-ендо	C2 "-ендо	C3 "-endo-G C2 "-ендо-c
Ширина на жлеба малък / голям	1,11 / 0,22 nm	0,57 / 1,17 nm	0,2 / 0,88 nm
Дълбочина на канала, малка / голяма	0,26 / 1,30 nm	0,82 / 0,85 nm	1,38 / 0,37 nm
Диаметър на спиралата	2,3 nm	2,0 nm	1,8 nm

Структурни елементи на ДНК
(неканонични ДНК структури)

Структурните елементи на ДНК включват необичайни структури, ограничени от някои специални последователности:

Z-форма ДНК - образува се на места от В-формата на ДНК, където пурините се редуват с пиримидини или в повторения, съдържащи метилиран цитозин. Палиндромите са обърнати последователности, обърнати повторения на базови последователности, които имат симетрия от втори ред по отношение на две ДНК вериги и образуват „шпильки“ и „кръстове“. Н-формата на ДНК и тройните спирали на ДНК се образуват, когато има област, съдържаща само пурини в една верига от нормалния дуплекс Уотсън-Крик, и съответно във втората верига, комплементарни пиримидини. G-квадруплекс (G-4) е четириверижна ДНК спирала, където 4 гуанинови бази от различни вериги образуват G-квартети (G-тетради), свързани с водородна връзка, за да образуват G-квадруплекси.

Z-образна ДНКе открит през 1979 г. при изучаване на хексануклеотид d (CG) 3 -. Той е открит от професора от Масачузетския технологичен институт Александър Рич и неговите колеги. Z-образната форма се превърна в една от най-важните конструктивни елементиДНК поради факта, че нейното образуване е наблюдавано в области на ДНК, където пурини се редуват с пиримидини (например 5'-HCGCH-3 '), или в повторения на 5'-CHCH-3', съдържащи метилиран цитозин. Съществено условие за образуването и стабилизирането на Z-ДНК е наличието на пуринови нуклеотиди в син-конформацията, редуващи се с пиримидинови бази в анти-конформацията.

Естествените ДНК молекули съществуват главно в правилната B-форма, ако не съдържат последователности от типа (CH) n. Въпреки това, ако такива последователности са част от ДНК, тогава тези региони, когато йонната сила на разтвора или катиони, които неутрализират отрицателен зарядвърху фосфодиестерния гръбнак, те могат да преминат в Z-форма, докато други ДНК региони във веригата остават в класическата В-форма. Възможността за такъв преход показва, че двете вериги в двойната спирала на ДНК са в динамично състояние и могат да се развиват една спрямо друга, преминавайки от дясната форма към лявата и обратно. Биологичните последици от такава лабилност, която позволява конформационни трансформации на структурата на ДНК, все още не са напълно изяснени. Смята се, че Z-ДНК регионите играят роля в регулирането на експресията на някои гени и участват в генетичната рекомбинация.

Z-формата на ДНК е лява двойна спирала, в която фосфодиестерният гръбнак е разположен зигзагообразно по оста на молекулата. Оттук идва и името на молекулата (зигзаг) -ДНК. Z-DNA е най-малко усуканата (12 базови двойки на завой) и най-тънката известна в природата. Разстоянието между съседните нуклеотиди е 0,38 nm, дължината на спиралата е 4,56 nm, а диаметърът на Z-ДНК е 1,8 nm. Освен това, външен видТази ДНК молекула се отличава с наличието на един жлеб.

Z-формата на ДНК е открита в прокариотни и еукариотни клетки. В момента са получени антитела, които могат да различат Z-формата от В-формата на ДНК. Тези антитела се свързват със специфични области на гигантските хромозоми на клетките на слюнчените жлези на Drosophila (Dr. melanogaster). Реакцията на свързване е лесна за проследяване поради необичайната структура на тези хромозоми, в която по-плътните области (дискове) контрастират с по-малко плътните области (интердискове). Секции от Z-ДНК са разположени в междулентите. От това следва, че Z-формата действително съществува в естествени условия, въпреки че размерите на отделните участъци от Z-формата все още са неизвестни.

(shifters) са най-известните и често срещани базови последователности в ДНК. Палиндромът е дума или фраза, която се чете отляво надясно и обратно по същия начин. Примери за такива думи или фрази са: SHALASH, KAZAK, POTOP и ROSE FALLED НА AZOR'S Law. Когато се прилага към региони на ДНК, този термин (палиндром) означава същото редуване на нуклеотиди по веригата отдясно наляво и отляво надясно (като буквите в думата „хижа“ и т.н.).

Палиндромът се характеризира с наличието на обърнати повторения на базови последователности със симетрия от втори ред по отношение на две ДНК вериги. Такива последователности, по напълно разбираема причина, са самодопълващи се и са склонни да образуват фиби или кръстовидни структури (фиг.). Фибите помагат на регулаторните протеини да разпознаят мястото, където е отписан генетичният текст на хромозомната ДНК.

В случаите, когато има обърнато повторение на същата ДНК верига, тази последователност се нарича огледално повторение. Огледалните повторения не притежават свойствата на самодопълване и следователно не са способни да образуват фиби или кръстовидни структури. Последователности от този тип се намират на практика във всички големи молекули на ДНК и могат да варират от само няколко двойки основи до няколко хиляди бази двойки.

Наличието на палиндроми под формата на кръстовидни структури в еукариотните клетки не е доказано, въпреки че редица кръстовидни структури са открити in vivo в клетките на E. coli. Наличието на самокомплементарни последователности в РНК или едноверижна ДНК е основната причина за сгъването на нуклеинова верига в разтвори в определена пространствена структура, характеризираща се с образуването на множество „фиби“.

H-форма ДНКе спирала, образувана от три нишки на ДНК - тройната спирала на ДНК. Представлява комплекс от двойната спирала Уотсън-Крик с третата едноверижна ДНК верига, която се вписва в големия й жлеб, с образуването на т. нар. двойка Хугстийн.

Образуването на такъв триплекс се получава в резултат на сгъването на двойната спирала на ДНК по такъв начин, че половината от нейния участък остава под формата на двойна спирала, а другата половина е разединена. В този случай една от разединените спирали образува нова структура с първата половина на двойната спирала - тройна спирала, а втората се оказва неструктурирана, под формата на едноверижен участък. Характеристика на този структурен преход е рязката зависимост от рН на средата, чиито протони стабилизират новата структура. Поради тази функция нова структураполучи името на Н-формата на ДНК, чието образуване е открито в свръхнавита плазмиди, съдържащи хомопурин-хомопиримидинови области, които са огледално повторение.

В по-нататъшни проучвания, възможността за структурен преход на някои хомопурин-хомопиримидинови двуверижни полинуклеотиди с образуването на триверижна структура, съдържаща:

• един хомопурин и две хомопиримидинови нишки ( Py-Pu-Py триплекс) [Взаимодействие на Hoogsteen].

  Съставните блокове на триплекса Py-Pu-Py са каноничните триади, изоморфни на CGC + и TAT. Стабилизирането на триплекса изисква протониране на триадата CGC +; следователно тези триплекси зависят от pH на разтвора.

• една хомопиримидинова и две хомопуринови нишки ( Py-Pu-Pu триплекс) [обратно взаимодействие на Hoogsteen].

  Съставните блокове на триплекса Py-Pu-Pu са канонично изоморфни на триадите CGG и TAA. Съществено свойство на триплекси Py-Pu-Pu е зависимостта на тяхната стабилност от наличието на двойно заредени йони и различни йони са необходими за стабилизиране на триплекси от различни последователности. Тъй като образуването на Py-Pu-Pu триплекси не изисква протониране на съставните им нуклеотиди, такива триплекси могат да съществуват при неутрално рН.

  Забележка: директното и обратното взаимодействие на Hoogsteen се обяснява със симетрията на 1-метилтимин: завъртане на 180 ° води до факта, че атомът O4 се заменя с атом O2, докато системата от водородни връзки се запазва.

Има два вида тройни спирали:

1. успоредни тройни спирали, при които полярността на третата нишка съвпада с полярността на хомопуриновата верига на дуплекса Уотсън-Крик
2. антипаралелни тройни спирали, в които полярностите на третата и хомопуриновата верига са противоположни.

Химически хомоложни вериги както в Py-Pu-Pu, така и в Py-Pu-Py триплексите са в антипаралелна ориентация. Това беше допълнително потвърдено от данните от ЯМР спектроскопия.

G-квадруплекс- 4-верижна ДНК. Такава структура се формира, ако има четири гуанина, които образуват така наречения G-квадруплекс-кръгъл танц от четири гуанина.

Първите намеци за възможността за образуване на такива структури са получени много преди пробивната работа на Уотсън и Крик - още през 1910 г. Тогава немският химик Ивар Банг открива, че един от компонентите на ДНК - гуанонова киселина - образува гелове при високи концентрации, докато други компоненти на ДНК нямат това свойство.

През 1962 г., използвайки метода на дифракция на рентгенови лъчи, беше възможно да се установи клетъчната структура на този гел. Оказа се, че е съставен от четири гуанинови остатъка, които се свързват помежду си в кръг и образуват характерен квадрат. В центъра връзката се поддържа от метален йон (Na, K, Mg). Същите структури могат да се образуват в ДНК, ако съдържа много гуанин. Тези плоски квадрати (G-квартети) са подредени, за да образуват доста стабилни, плътни структури (G-квадруплекси).

Четири отделни нишки на ДНК могат да бъдат преплетени в четириверижни комплекси, но това е по-скоро изключение. По-често единична верига от нуклеинова киселина просто се завързва във възел, образувайки характерни удебеления (например в краищата на хромозомите), или двойноверижната ДНК образува локален квадруплекс в някои богати на гуанин регион.

Най-проучено е съществуването на квадруплекси в краищата на хромозомите - на теломерите и в онкопромоторите. Досега обаче не е известно пълно разбиране за локализацията на такава ДНК в човешки хромозоми.

Всички тези необичайни структури на ДНК в линейна форма са нестабилни в сравнение с В-формата на ДНК. Въпреки това, ДНК често съществува в кръгова форма на топологичен стрес, когато има това, което се нарича суперсвиване. При тези условия лесно се формират неканонични ДНК структури: Z-форми, кръстове и фиби, Н-форми, гуанинови квадруплекси и i-мотив.

• Свръхнавита форма – отбелязва се, когато се освобождава от клетъчното ядро, без да уврежда пентозо-фосфатния гръбнак. Има формата на супер усукани затворени пръстени. В свръхнавито състояние двойната спирала на ДНК се „усуква върху себе си“ поне веднъж, тоест съдържа поне една супернамотка (приема формата на осмица).
• Спокойното състояние на ДНК се наблюдава с еднократно прекъсване (скъсване на една верига). В този случай супернамотките изчезват и ДНК приема формата на затворен пръстен.
• Линейна форма на ДНК - наблюдава се, когато две нишки от двойна спирала са счупени.

И трите от тези форми на ДНК лесно се разделят чрез гел електрофореза.

Третична структура на ДНК

Третична структура на ДНКсе образува в резултат на допълнително усукване в пространството на двуверижна молекула - нейното супернавиване. Суперсвиването на молекулата на ДНК в еукариотни клетки, за разлика от прокариотите, се извършва под формата на комплекси с протеини.

Почти цялата еукариотна ДНК се намира в хромозомите на ядрата, само малка част от нея се съдържа в митохондриите, в растенията и в пластидите. Основното вещество на хромозомите на еукариотните клетки (включително човешките хромозоми) е хроматинът, състоящ се от двойноверижна ДНК, хистон и нехистонови протеини.

Хистонови протеини на хроматина

Хистоните са прости протеини, които съставляват 50% от хроматина. Във всички изследвани клетки на животни и растения са открити пет основни класа хистони: H1, H2A, H2B, H3, H4, различаващи се по размер, аминокиселинен състав и стойност на заряда (винаги положителен).

Хистон H1 от бозайници се състои от единична полипептидна верига от около 215 аминокиселини; размерите на другите хистони варират от 100 до 135 аминокиселини. Всички те са спираловидни и усукани в глобула с диаметър около 2,5 nm, съдържат необичайно голямо количество положително заредени аминокиселини лизин и аргинин. Хистоните могат да бъдат ацетилирани, метилирани, фосфорилирани, поли (ADP) -рибозилирани, а хистоните Н2А и Н2В са ковалентно свързани с убиквитин. Каква е ролята на подобни модификации при формирането на структурата и изпълнението на функциите от хистоните все още не е напълно изяснена. Предполага се, че това е тяхната способност да взаимодействат с ДНК и да осигуряват един от механизмите за регулиране на действието на гените.

Хистоните взаимодействат с ДНК главно чрез йонни връзки(солени мостове), образувани между отрицателно заредени фосфатни групи на ДНК и положително заредени лизинови и аргининови остатъци от хистони.

Нехистонови хроматинови протеини

За разлика от хистоните, нехистоновите протеини са много разнообразни. Изолирани са до 590 различни фракции от ДНК-свързващи нехистонови протеини. Те също се наричат ​​киселинни протеини, тъй като в структурата им преобладават киселинните аминокиселини (те са полианиони). Специфичната регулация на активността на хроматина е свързана с различни нехистонови протеини. Например, ензимите, необходими за репликация и експресия на ДНК, могат временно да се свържат с хроматина. Други протеини, например, участващи в различни регулаторни процеси, се свързват с ДНК само в специфични тъкани или на определени етапи на диференциация. Всеки протеин е комплементарен на специфична ДНК нуклеотидна последователност (ДНК място). Тази група включва:

• семейство от специфични за сайта протеини с цинков пръст. Всеки цинков пръст разпознава специфично място, състоящо се от 5 нуклеотидни двойки.
• семейство сайт-специфични протеини - хомодимери. Фрагмент от такъв протеин в контакт с ДНК има структура спирала-завой-спирала.
• гел протеини с висока подвижност (HMG протеини) са група от структурни и регулаторни протеини, които са постоянно свързани с хроматина. Те имат молекулно тегло по-малко от 30 kDa и се характеризират с високо съдържание на заредени аминокиселини. Поради ниското си молекулно тегло, HMG протеините са силно подвижни по време на електрофореза в полиакриламиден гел.
• ензими за репликация, транскрипция и възстановяване.

С участието на структурни, регулаторни протеини и ензими, участващи в синтеза на ДНК и РНК, нуклеозомната верига се превръща в силно кондензиран комплекс от протеини и ДНК. Получената структура е 10 000 пъти по-къса от оригиналната ДНК молекула.

Хроматин

Хроматинът е комплекс от протеини с ядрена ДНК и неорганични вещества. По -голямата част от хроматина е неактивен. Съдържа плътно опакована, кондензирана ДНК. Това е хетерохроматин. Разграничаване на конститутивен, генетично неактивен хроматин (сателитна ДНК), състоящ се от неекспресирани области, и факултативен - неактивен в редица поколения, но при определени обстоятелства способен да се експресира.

Активният хроматин (еухроматин) е некондензиран, т.е. опаковани по-малко плътно. В различните клетки съдържанието му варира от 2 до 11%. В клетките на мозъка е най-вече - 10-11%, в клетките на черния дроб - 3-4 и бъбреците - 2-3%. Отбелязва се активна транскрипция на еухроматин. В същото време, неговата структурна организация позволява една и съща ДНК генетична информация, присъща на този тип организми, да се използва по различни начини в специализирани клетки.

В електронен микроскоп изображението на хроматина прилича на топче: сферични удебеления с размер около 10 nm, разделени от нишковидни мостове. Тези кълбовидни удебеления се наричат ​​нуклеозоми. Нуклеозомата е структурна единица на хроматина. Всяка нуклеозома съдържа суперспирален сегмент от ДНК с дължина 146 базови двойки, намотан с образуване на 1,75 леви завоя върху ядрото на нуклеозомата. Нуклеозомното ядро ​​е хистонов октамер, състоящ се от хистони H2A, H2B, H3 и H4, по две молекули от всеки тип (фиг. 9), който изглежда като диск с диаметър 11 nm и дебелина 5,7 nm. Петият хистон, H1, не е част от нуклеозомното ядро ​​и не участва в процеса на навиване на ДНК върху хистоновия октамер. Той контактува с ДНК, където двойната спирала влиза и излиза от нуклеозомното ядро. Това са междукортикални (линкерни) ДНК области, чиято дължина варира в зависимост от типа на клетката от 40 до 50 нуклеотидни двойки. В резултат на това дължината на ДНК фрагмента, включен в нуклеозомата, също варира (от 186 до 196 нуклеотидни двойки).

Нуклеозомата съдържа около 90% от ДНК, останалата част е линкерът. Смята се, че нуклеозомите са фрагменти от "тих" хроматин, а линкерът е активен. Въпреки това, нуклеозомите могат да се разгънат и да станат линейни. Разгънатите нуклеозоми вече са активен хроматин. Така ясно се проявява зависимостта на функцията от структурата. Може да се предположи, че колкото повече хроматин има в състава на глобуларните нуклеозоми, толкова по-малко активен е той. Очевидно в различните клетки неравномерното съотношение на хроматина в покой е свързано с броя на такива нуклеозоми.

На електронно -микроскопични снимки, в зависимост от условията на изолация и степента на разтягане, хроматинът може да изглежда не само като дълга нишка с удебеления - „мъниста“ от нуклеозоми, но и като по -къса и по -плътна фибрила (влакно) с диаметър 30 nm, чието образуване се наблюдава по време на взаимодействие хистон H1, свързан с линкерната област на ДНК и хистон H3, което води до допълнително усукване на спирала от шест нуклеозоми на завой с образуването на соленоид с диаметър 30 ​​nm. В този случай хистонов протеин може да попречи на транскрипцията на редица гени и по този начин да регулира тяхната активност.

В резултат на описаните по-горе взаимодействия на ДНК с хистони, сегмент от двойната спирала на ДНК от 186 базови двойки със среден диаметър 2 nm и дължина 57 nm се трансформира в спирала с диаметър 10 nm и дължина 5 nm. С последващото компресиране на тази спирала до влакно с диаметър 30 ​​nm, степента на кондензация се увеличава шест пъти повече.

В крайна сметка, опаковането на дуплекс от ДНК с пет хистона води до 50-кратна кондензация на ДНК. Въпреки това, дори така висока степенкондензацията не може да обясни почти 50 000 - 100 000-кратното уплътняване на ДНК в метафазната хромозома. За съжаление, подробностите за по-нататъшното опаковане на хроматина до метафазната хромозома все още не са известни, така че само общи характеристикитози процес.

Нива на уплътняване на ДНК в хромозомите

Всяка ДНК молекула е опакована в отделна хромозома. Човешките диплоидни клетки съдържат 46 хромозоми, които се намират в клетъчното ядро. Общата дължина на ДНК на всички хромозоми на клетката е 1,74 m, но диаметърът на ядрото, в което са опаковани хромозомите, е милиони пъти по-малък. Такова компактно опаковане на ДНК в хромозоми и хромозоми в клетъчното ядро ​​се осигурява от различни хистонови и нехистонови протеини, които взаимодействат в специфична последователност с ДНК (вижте по-горе). Уплътняването на ДНК в хромозомите прави възможно намаляването на линейните й размери с около 10 000 пъти - условно от 5 cm до 5 микрона. Има няколко нива на уплътняване (фиг. 10).

• Двойната спирала на ДНК е отрицателно заредена молекула с диаметър 2 nm и дължина няколко cm.
• нуклеозомно ниво- хроматинът изглежда в електронен микроскоп като верига от "мъниста" - нуклеозоми - "на нишка". Нуклеозомата е универсална структурна единица, която се намира както в еухроматин, така и в хетерохроматин, в интерфазното ядро ​​и метафазните хромозоми.

  Нуклеозомното ниво на уплътняване се осигурява от специални протеини - хистони. Осем положително заредени хистонови домена образуват сърцевината (ядрото) на нуклеозомата, около която е навита отрицателно заредената ДНК молекула. Това води до 7-кратно скъсяване, докато диаметърът се увеличава от 2 на 11 nm.

• ниво на соленоида

  Соленоидното ниво на хромозомната организация се характеризира с усукване на нуклеозомната нишка и образуването на по -дебели фибрили с диаметър 20-35 nm от нея - соленоиди или супербиди. Стъпката на соленоида е 11 nm; има около 6-10 нуклеозоми на ход. Соленоидното опаковане се счита за по-вероятно от супербид, според което хроматинова фибрила с диаметър 20-35 nm е верига от гранули или супербиди, всяка от които се състои от осем нуклеозоми. На нивото на соленоида линейният размер на ДНК се намалява с 6-10 пъти, диаметърът се увеличава до 30 nm.

• ниво на цикъла

  Нивото на бримката се осигурява от не-хистонов сайт-специфични ДНК-свързващи протеини, които разпознават и се свързват със специфични ДНК последователности, образувайки бримки от приблизително 30-300 kb. Примката осигурява генна експресия, т.е. примката е не само структурна, но и функционална формация. Скъсяването на това ниво се случва 20-30 пъти. Диаметърът се увеличава до 300 nm. Върху цитологични препарати могат да се видят бримкови структури от типа "лампа-четка" в ооцитите на земноводни. Тези бримки, очевидно, са свръхнавита и представляват ДНК домейни, които вероятно съответстват на единиците на хроматинова транскрипция и репликация. Специфични протеини фиксират основите на бримките и евентуално някои от техните вътрешни области. Организацията на домен с форма на бримка насърчава сгъването на хроматина в метафазните хромозоми в спирални структури от по-високи порядки.

• ниво на домейн

  Нивото на домейна на хромозомна организация не е проучено адекватно. На това ниво се забелязва образуването на бримкови домени - структури от нишки (фибрили) с дебелина 25-30 nm, които съдържат 60% протеин, 35% ДНК и 5% РНК, са практически невидими във всички фази на клетката цикъл с изключение на митозата и са донякъде произволно разпределени в клетъчното ядро. Върху цитологични препарати могат да се видят бримкови структури от типа "лампа-четка" в ооцитите на земноводни.

  Домейните на бримката с тяхната основа са прикрепени към вътреядрената протеинова матрица в т. Нар. Вградени места за прикрепване, често наричани MAR / SAR последователности (MAR, от английския регион, свързан с матрицата; SAR, от английските региони за прикрепване на скелета) - ДНК фрагменти с дължина няколко стотин базови двойки, които се характеризират с високо съдържание (> 65%) A / T базови двойки. Изглежда, че всеки домейн има един произход на репликация и функционира като самостоятелна супернавита единица. Всеки зациклен домейн съдържа много транскрипционни единици, чието функциониране вероятно е координирано - целият домейн е или в активно, или в неактивно състояние.

  На ниво домейн, в резултат на последователното опаковане на хроматина, линейните размери на ДНК намаляват с около 200 пъти (700 nm).

• хромозомно ниво

  На хромозомно ниво, кондензацията на профазната хромозома в метафазната хромозома се случва с уплътняване на бримкови домени около аксиалната рамка на нехистонови протеини. Това свръхнавиване е придружено от фосфорилиране на всички H1 молекули в клетката. В резултат на това метафазната хромозома може да бъде изобразена като плътно опаковани соленоидни бримки, навити в стегната спирала. Типичната човешка хромозома може да съдържа до 2600 бримки. Дебелината на такава структура достига 1400 nm (две хроматиди), докато молекулата на ДНК се скъсява 104 пъти, т.е. с 5 cm разтеглена ДНК до 5 μm.

Хромозомни функции

При взаимодействие с екстрахромозомни механизми хромозомите осигуряват

1. съхранение на наследствена информация
2. използвайки тази информация за създаване и поддържане на клетъчна организация
3. регулиране на четенето на наследствена информация
4. самоудвояване на генетичния материал
5. прехвърляне на генетичен материал от майчината клетка към дъщерята.

Има доказателства, че при активиране на хроматинова област, т.е. по време на транскрипцията първо се отстранява обратимо от него хистон Н1, а след това хистоновият октет. Това причинява декондензация на хроматина, последователен преход на 30-нанометрова хроматинова фибрила в 10-нанометрова нишка и по-нататъшното й разгъване в области на свободна ДНК, т.е. загуба на нуклеозомна структура.

15.04.2015 13.10.2015

Характеристики на структурата и функционалността на "двойната спирала"

Трудно е да си представим човек без генетични навици, характеристики, наследствени промени в тялото на новородено. Оказва се, че цялата информация е кодирана в прословутите гени, които са носители на генетичната верига от нуклеотиди.

Историята на откриването на ДНК

Структурата на молекулата на ДНК стана известна на света за първи път през 1869 г. И.Ф. Мишер изведе добре известното обозначение за ДНК, която се състои от клетки или по-скоро молекули, отговорни за предаването на генетичния код за развитието на живите организми. Първоначално това вещество се наричаше нуклеин, дълго време никой не можеше да определи броя на веригите на структурата, техните начини на функциониране.

Днес учените най-накрая са извели състава на ДНК, който включва 4 вида нуклеотиди, които от своя страна съдържат:

· Остатъци от фосфор Н3РО4;

Пептози C5H10O4;

· Азотна основа.

Всички тези елементи са в клетката и са част от ДНК и се комбинират в двойна спирала, която е изведена от Ф. Крик, Д. Уотсън през 1953г. Техните изследвания направиха пробив в света на науката и медицината, работата стана основа за мнозина научно изследване, отвори портите за познаване на генетичното наследство на всеки човек.

Структура на връзката

Молекулата на ДНК се намира в ядрото с много различни функции. Въпреки факта, че основната роля на веществото е съхранението на генна информация, съединенията са отговорни за следните видове работа:

· Кодира аминокиселина;

· Контролирайте работата на телесните клетки;

· Произвеждат протеин за външната проява на гените.

Всяка част от ставата образува спираловидни нишки, така наречените хроматиди. Структурните единици на спиралата са нуклеотидите, които са в средата на веригата и позволяват на ДНК да се удвои. Работи по следния начин:

1. Благодарение на специалните ензими в клетката на тялото, спиралата се изплита.

2. Водородните връзки се разминават, освобождавайки ензима – полимерази.

3. Родителската ДНК молекула се комбинира с едноверижен фрагмент от 30 нуклеотида.

4. Образуват се две молекули, в които едната нишка е майчина, другата е синтетична.

Защо нуклеотидните вериги все още са увити около нишката? Факт е, че броят на ензимите е много голям и по този начин те са свободно разположени върху една ос. Това явление се нарича спирализация, нишките се съкращават няколко пъти, понякога до 30 единици.

Молекулярно-генетични методи за използване на ДНК в медицината

Молекулата на ДНК е направила възможно човечеството да използва структурата на нуклеотидните съединения в различни посоки. Предимно за диагностициране на наследствени заболявания. За моногенни заболявания в резултат на наследяване на куплиране. При идентифициране на анамнеза за инфекциозни, онкологични ексцеси. А също и в съдебната медицина за лична идентификация.

Има много възможности за използване на ДНК, днес има списък с моногенни заболявания, които са напуснали списъка с фатални, благодарение на концепцията за развитието на структурите на съединенията и диагностиката на молекулярното биополе. В бъдеще можем да говорим за "генетичния документ на новороденото", който ще съдържа целия списък на често срещаните заболявания от индивидуален характер.

Всички молекулярно-генетични процеси все още не са проучени, това е доста сложен и трудоемък механизъм. Може би много генетични заболявания ще могат да предотвратят в близко бъдеще, като променят структурата на зараждащия се човешки живот!

Какво друго се планира в бъдеще на базата на това вещество?

Компютърните програми, базирани на нуклеотидни вериги, имат ярки перспективи за създаване на свръхинтелигентни изчислителни роботи. Основател на тази идея е Л. Адлеман.

Идеята на изобретението е следната: за всяка верига се синтезира последователност от молекулярни бази, които се смесват една с друга и образуват различни варианти на РНК. Такъв компютър ще може да изпълнява данни с точност 99,8%. Според оптимистични учени подобна тенденция скоро ще престане да бъде екзотика, а след 10 години ще стане видима реалност.

ДНК компютрите ще бъдат оживени в живи клетки, изпълнявайки цифрови програми, които ще взаимодействат с биохимичните процеси на тялото. Първите схеми на такива молекули вече са измислени, което означава, че скоро ще започне серийното им производство.

Удивителни и необикновени факти за ДНК

Интересен исторически факт показва, че преди много години "хомо сапиенс" се кръстосват с неандерталците. Информацията беше потвърдена в медицински центърИталия, където е определено митохондриалното ДНК на намереното лице, за което се предполага, че е на 40 000 години. Тя го е наследила от поколение хора мутанти, изчезнали от планетата Земя преди много години.

Друг факт разказва за състава на ДНК. Има случаи, когато бременностите са заченати като близнаци, но един от ембрионите "Придърпва" другия. Това означава, че в тялото на новороденото ще има 2 ДНК. Това явление е известно на много от картините от историята на гръцката митология, когато организмите са притежавали няколко части от тялото на различни животни. Днес много хора живеят и не знаят, че са носители на две структурни съединения. Дори генетичните изследвания не винаги могат да потвърдят тези открития.

Внимание: в света има невероятни същества, чиято ДНК е вечна, а хората са безсмъртни. Така е? Теорията за стареенето е много сложна. Говорейки с прости думи, с всяко деление клетката губи силата си. Въпреки това, ако имате постоянна структурна нишка, можете да живеете вечно. Някои омари, костенурки, при специални условия, могат да живеят много дълго време. Но никой не е отменил болестта, тя става причина за много смъртни случаи на дълголетни животни.

ДНК дава надежда за подобряване на живота на всеки жив организъм, помага за диагностицирането на сериозни заболявания, за по-развити, съвършени личности.

Целият живот на планетата се състои от много клетки, които поддържат подредеността на своята организация благодарение на генетичната информация, съдържаща се в ядрото. Той се съхранява, реализира и предава от сложни високомолекулни съединения - нуклеинови киселини, състоящи се от мономерни единици - нуклеотиди. Ролята на нуклеиновите киселини не може да бъде надценена. Стабилността на тяхната структура определя нормалната жизнена дейност на организма и всякакви отклонения в структурата неизбежно водят до промяна в клетъчната организация, активността на физиологичните процеси и жизнеспособността на клетките като цяло.

Понятието за нуклеотид и неговите свойства

Всяка или РНК се сглобява от по-малки мономерни съединения - нуклеотиди. С други думи, нуклеотидът е строителен материал за нуклеинови киселини, коензими и много други биологични съединения, които са от съществено значение за клетката в хода на нейния живот.

Основните свойства на тези незаменими вещества включват:

Съхраняване на информация за и наследени черти;
... контрол върху растежа и размножаването;
... участие в метаболизма и много други физиологични процеси в клетката.

Говорейки за нуклеотиди, няма как да не се спрем на това важен въпроскато тяхната структура и състав.

Всеки нуклеотид се състои от:

Захарни остатъци;
... азотна основа;
... фосфатна група или остатък от фосфорна киселина.

Можем да кажем, че нуклеотидът е сложно органично съединение. В зависимост от видовия състав на азотните основи и вида пентоза в нуклеотидната структура, нуклеиновите киселини се разделят на:

Дезоксирибонуклеинова киселина или ДНК;
... рибонуклеинова киселина или РНК.

Състав на нуклеинова киселина

В нуклеиновите киселини захарта е представена от пентоза. Това е петвъглеродна захар, в ДНК се нарича дезоксирибоза, в РНК се нарича рибоза. Всяка пентозна молекула има пет въглеродни атома, четири от тях, заедно с кислороден атом, образуват петчленен пръстен, а петият принадлежи към групата HO-CH2.

Позицията на всеки въглероден атом в пентозната молекула се обозначава с арабска цифра с просто число (1C´, 2C´, 3C´, 4C´, 5C´). Тъй като всички процеси на четене от молекула на нуклеинова киселина са строго насочени, номерирането на въглеродните атоми и тяхното подреждане в пръстена служат като вид индикатор за правилната посока.

При хидроксилната група остатъкът от фосфорна киселина е прикрепен към третия и петия въглероден атом (3C´ и 5C´). Той също така определя химическата принадлежност на ДНК и РНК към групата на киселините.

Азотна основа е прикрепена към първия въглероден атом (1C´) в молекулата на захарта.

Видов състав на азотните основи

ДНК нуклеотидите в азотната основа са представени от четири типа:

аденин (А);
... гуанин (G);
... цитозин (С);
... тимин (Т).

Първите два принадлежат към класа пурини, последните два са пиримидини. По отношение на молекулното тегло, пурините винаги са по-тежки от пиримидините.

Представени са РНК нуклеотиди на азотна основа:

аденин (А);
... гуанин (G);
... цитозин (С);
... урацил (U).

Урацилът, подобно на тимин, е пиримидинова основа.

V научна литературачесто можете да намерите друго обозначение за азотни основи - с латински букви (A, T, C, G, U).

Нека се спрем на химическа структурапурини и пиримидини.

Пиримидините, а именно цитозин, тимин и урацил, са съставени от два азотни атома и четири въглеродни атома, образуващи шестчленен пръстен. Всеки атом е номериран от 1 до 6.

Пурините (аденин и гуанин) са съставени от пиримидин и имидазол или два хетероцикъла. Пуриновата основна молекула е представена от четири азотни атома и пет въглеродни атома. Всеки атом е номериран от 1 до 9.

В резултат на комбинацията от азотна основа и пентозен остатък се образува нуклеозид. Нуклеотидът е съединение от нуклеозид и фосфатна група.

Образуване на фосфодиестерни връзки

Важно е да се разбере въпросът как нуклеотидите се комбинират в полипептидна верига и образуват молекула нуклеинова киселина. Това се дължи на така наречените фосфодиестерни връзки.

Взаимодействието на два нуклеотида дава динуклеотид. Образуването на ново съединение става чрез кондензация, когато възниква фосфодиестерна връзка между фосфатния остатък на един мономер и хидроксилната група на пентозата на друг.

Полинуклеотидният синтез е многократното повтаряне на тази реакция (няколко милиона пъти). Полинуклеотидната верига се изгражда чрез образуването на фосфодиестерни връзки между третия и петия въглерод на захарите (3C´ и 5C´).

Сглобяването на полинуклеотид е сложен процес, включващ ензима ДНК полимераза, който осигурява растежа на верига само от единия край (3´) със свободна хидрокси група.

Структура на молекулата на ДНК

Молекулата на ДНК, подобно на протеин, може да има първична, вторична и третична структура.

Последователността на нуклеотидите във веригата на ДНК определя нейното първично образуване поради водородни връзки, които се основават на принципа на комплементарността. С други думи, по време на синтеза на двойник действа определен модел: аденин на едната верига съответства на тимин от другата, гуанин на цитозин и обратно. Двойки аденин и тимин или гуанин и цитозин се образуват поради две водородни връзки в първия и три във втория случай. Тази връзка на нуклеотидите осигурява силна връзка между веригите и еднакво разстояние между тях.

Познавайки нуклеотидната последователност на една ДНК верига, втората може да бъде завършена по принципа на комплементарност или добавяне.

Третичната структура на ДНК се формира поради сложни триизмерни връзки, което прави нейната молекула по-компактна и способна да се побере в малък клетъчен обем. Така например дължината на ДНК колибацилусе повече от 1 mm, докато дължината на клетката е по-малка от 5 микрона.

Броят на нуклеотидите в ДНК, а именно количественото им съотношение, се подчинява на правилото на Chergaff (броят на пуриновите бази винаги е равен на броя на пиримидиновите основи). Разстоянието между нуклеотидите е постоянна стойност, равна на 0,34 nm, както и тяхното молекулно тегло.

Структура на молекулата на РНК

РНК е представена от единична полинуклеотидна верига, образувана между пентозата (в този случай рибоза) и фосфатния остатък. Тя е много по-къса по дължина от ДНК. Съществуват и различия във видовия състав на азотни основи в нуклеотида. В РНК се използва урацил вместо пиримидиновата база на тимина. Има три вида РНК в зависимост от функциите, изпълнявани в тялото.

Рибозомна (рРНК) – обикновено съдържа от 3000 до 5000 нуклеотида. Колкото е необходимо структурен компонентучаства в образуването на активния център на рибозомите, мястото на един от най-важните процеси в клетката - протеинова биосинтеза.
... Транспортна (tRNA) – състои се средно от 75 – 95 нуклеотида, осъществява преноса на желаната аминокиселина до мястото на полипептиден синтез в рибозомата. Всеки тип tRNA (поне 40) има своя собствена последователност от мономери или нуклеотиди, присъщи само на него.
... Информационната (иРНК) е много разнообразна по нуклеотиден състав. Той пренася генетична информация от ДНК към рибозоми, действа като матрица за синтеза на протеинова молекула.

Ролята на нуклеотидите в организма

Нуклеотидите в клетката изпълняват редица важни функции:

Използва се като градивни елементи за нуклеинови киселини (пуринови и пиримидинови нуклеотиди);
... участват в много метаболитни процеси в клетката;
... са част от АТФ – основният източник на енергия в клетките;
... действат като носители на редуциращи еквиваленти в клетките (NAD +, NADP +, FAD, FMN);
... изпълняват функцията на биорегулатори;
... може да се разглежда като втори пратеник на извънклетъчния редовен синтез (например сАМР или cGMP).

Нуклеотидът е мономерна единица, която образува по -сложни съединения - нуклеинови киселини, без които предаването на генетична информация, нейното съхранение и възпроизвеждане е невъзможно. Свободните нуклеотиди са основните компоненти, участващи в сигналните и енергийни процеси, които поддържат нормалното функциониране на клетките и тялото като цяло.

ДНК е един от двата вида нуклеинови киселини - дезоксирибонуклеинова киселина (ДНК) и рибонуклеинова киселина (РНК). Тези биополимери са изградени от мономери, наречени нуклеотиди. Мономерите-нуклеотиди на ДНК и РНК са сходни по основни структурни характеристики. Всеки нуклеотид се състои от три компонента, свързани със силни химически връзки

Нуклеотидите, които изграждат ДНК, съдържат пет въглеродна захар - дезоксирибоза, една от четирите азотни основи: аденин, гуанин, цитозин, тимин (A, G, C, T) и остатък от фосфорна киселина.
В състава на нуклеотидите азотна основа е прикрепена към молекулата рибоза (или дезоксирибоза) от едната страна, а остатъкът на фосфорна киселина от другата. Нуклеотидите са свързани заедно в дълги вериги. Гръбнакът на такава верига се формира от редовно редуващи се остатъци от захар и органични фосфати, а страничните групи на тази верига са четири вида неправилно редуващи се азотни основи.
Молекулата на ДНК е структура, състояща се от две вериги, които са свързани с водород една с друга по цялата си дължина. Тази структура, която е характерна само за молекулите на ДНК, се нарича двойна спирала. Особеността на структурата на ДНК е, че срещу една азотна база в едната верига има строго определена азотна база в другата верига - тези базови двойки се наричат ​​комплементарни бази (комплементарни една на друга): A = T; G C
Набор от протеини (ензими, хормони и др.) определя свойствата на клетката и организма. Молекулите на ДНК съхраняват информация за тези свойства и я предават на поколения потомци.

ДНК е открита от Йохан Фридрих Мишер през 1869 г. Първоначално новото вещество беше наречено нуклеин, и по -късно, когато Мишер установи, че това вещество има киселинни свойства, веществото е кръстено нуклеинова киселина . Биологична функцияновооткритото вещество беше неясно и дълго време ДНК се смяташе за склад на фосфор в тялото. Нещо повече, дори в началото на 20 век много биолози смятат, че ДНК няма нищо общо предаване на информация, тъй като структурата на молекулата, според тях, е твърде монотонна и не може да съдържа кодирана информация.

Постепенно се доказа, че именно ДНК, а не протеини, както се смяташе преди, е носител на генетична информация. Едно от първите решаващи доказателства идва от експериментите на О. Ейвъри, Колин Маклауд и Маклийн Маккарти (1944) върху трансформацията на бактериите. Те успяха да покажат, че ДНК, изолирана от пневмококи, е отговорна за т. Нар. Трансформация (придобиване на болестотворни свойства от безвредна култура в резултат на добавянето към нея на мъртви болестотворни бактерии). Експеримент на американските учени Алфред Хърши и Марта Чейс (The Hershey-Chase Experiment, 1952) с маркирани радиоактивни изотопипротеини и ДНК на бактериофагите показват, че само фаговата нуклеинова киселина се прехвърля към заразената клетка, а новото поколение фаг съдържа същите протеини и нуклеинова киселина като оригиналния фаг.

До 50-те години на XX век точната структура на ДНК, както и методът за предаване на наследствена информация, остават неизвестни. Въпреки че беше известно със сигурност, че ДНК се състои от няколко вериги нуклеотиди, никой не знаеше точно колко от тези вериги и как са свързани.

Структурата на двойната спирала на ДНК е предложена от Франсис Крик и Джеймс Уотсън през 1953 г. въз основа на рентгенови дифракционни данни, получени от Морис Уилкинс и Розалинд Франклин, и "правилата на Чаргаф", според които се наблюдават стриктни връзки във всеки ДНК молекула, свързваща броя на азотните бази от различни видове ... По-късно беше доказан моделът на структурата на ДНК, предложен от Уотсън и Крик, и беше отбелязана тяхната работа Нобелова наградавъв физиологията и медицината 1962 Розалинд Франклин, която е починала по това време, не е сред лауреатите, тъй като наградата не се присъжда посмъртно