ДНК: ІСТОРІЯ, ФУНКЦІЇ, СТРУКТУРА, КОМПОНЕНТИ - БІОЛОГІЯ - 2025

ДНК (дезоксирибонуклеїнової кислоти) являє собою біомолекули містить всю інформацію , необхідну для генерації тіла і підтримувати його роботу. Він складається з одиниць, які називаються нуклеотидами, в свою чергу складаються з фосфатної групи, молекули цукру з п'яти вуглецю та азотистої основи.

Існує чотири азотисті основи: аденін (A), цитозин (C), гуанін (G) та тимін (T). Аденін завжди поєднується з тиміном, а гуанін - з цитозином. Повідомлення, що міститься в ланцюжку ДНК, перетворюється на месенджерну РНК і це бере участь у синтезі білків.

ДНК - надзвичайно стійка молекула, негативно заряджена при фізіологічному рН, яка асоціюється з позитивними білками (гістонами), щоб ефективно ущільнюватися в ядрі еукаріотичних клітин. Довгий ланцюг ДНК разом з різними асоційованими білками утворює хромосому.

Історія

У 1953 році американку Джеймсу Уотсону та британцю Френсісу Крику вдалося з’ясувати тривимірну структуру ДНК завдяки роботі над кристалографією, виконаною Розалінд Франклін та Морісом Вілкінсом. Вони також ґрунтували свої висновки на роботі інших авторів.

Коли ДНК потрапляє до рентгенівських променів, формується дифракційна картина, яка може бути використана для виведення структури молекули: спіраль двох антипаралельних ланцюгів, які обертаються праворуч, де обидва ланцюга з'єднані водневими зв’язками між основами. . Отримана модель була такою:

Структуру можна припустити за законом дифракції Брегга: коли предмет розміщений посередині променя рентгенівського випромінювання, він відбивається, оскільки електрони об'єкта взаємодіють із променем.

25 квітня 1953 р. Результати Уотсона та Крика були опубліковані в престижному журналі Nature, у статті лише на двох сторінках під назвою «Молекулярна структура нуклеїнових кислот», яка б повністю змінила сферу біології.

Завдяки цьому відкриттю дослідники отримали Нобелівську премію з медицини в 1962 році, за винятком Франкліна, який помер перед пологами. В даний час це відкриття є одним із важливих факторів успіху наукового методу в отриманні нових знань.

Компоненти

Молекула ДНК складається з нуклеотидів, одиниць, що складаються з п'ятивуглецевого цукру, приєднаного до фосфатної групи та азотистої основи. Тип цукру, що міститься в ДНК, - це тип дезоксирибози, звідси і його назва - дезоксирибонуклеїнова кислота.

Для формування ланцюга нуклеотиди ковалентно пов'язані зв'язком типу фосфодіестера через 3'-гідроксильну групу (-OH) з цукру та 5'-фосфафо наступного нуклеотиду.

Нуклеотиди не слід плутати з нуклеозидами. Останній відноситься до частини нуклеотиду, утвореної лише пентозою (цукром) та азотистою основою.

ДНК складається з чотирьох типів азотистих основ: аденіну (А), цитозину (С), гуаніну (Г) та тиміну (Т).

Основи азоту класифікуються на дві категорії: пурини та піримідини. Перша група складається з кільця з п'яти атомів, прикріпленого до іншого кільця з шести, тоді як піримідини складаються лише з одного кільця.

З зазначених підстав аденин та гуанін є похідними пуринів. Навпаки, тимін, цитозин та урацил (присутні в молекулі РНК) відносяться до групи піримідинів.

Будова

Молекула ДНК складається з двох ланцюгів нуклеотидів. Цей "ланцюжок" відомий як ланцюг ДНК.

Дві нитки пов'язані водневими зв’язками між комплементарними основами. Основи азоту ковалентно пов'язані з основою цукрів і фосфатів.

Кожен нуклеотид, розташований на одній ланцюзі, може бути пов'язаний з іншим специфічним нуклеотидом на іншій ланцюжку, щоб утворити відому подвійну спіраль. Для формування ефективної структури A завжди з'єднується з T за допомогою двох водневих зв’язків, а G з C трьома зв’язками.

Закон Чаргафа

Якщо ми вивчимо пропорції азотистих основ у ДНК, то виявимо, що кількість A ідентична кількості T і однакова з G та C. Ця закономірність відома як закон Чаргафа.

Таке сполучення є енергетично сприятливим, оскільки дозволяє зберегти аналогічну ширину по всій структурі, підтримуючи аналогічну відстань уздовж молекули цукрово-фосфатної основи. Зауважте, що основа кільця сполучається з одним з кільця.

Модель подвійної спіралі

Передбачається, що подвійна спіраль складається з 10,4 нуклеотидів за оборот, розділених відстань від центру до центру 3,4 нанометра. Процес прокатки призводить до утворення канавок у конструкції, що дозволяє спостерігати за більш великим і меншим канавкою.

Пази виникають через те, що глікозидні зв’язки в парах основ не знаходяться один проти одного, щодо їх діаметра. Піримідин О-2 і пурин N-3 знаходяться в другорядній канавці, тоді як основна канавка розташована в протилежному районі.

Якщо ми будемо використовувати аналогію драбини, то стрічки складаються з комплементарних пар підстав один до одного, в той час як скелет відповідає двом захоплюючим рейки.

Кінці молекули ДНК не однакові, тому ми говоримо про «полярність». Один з його кінців, 3 ', містить групу -ОН, тоді як 5' кінець має групу вільного фосфату.

Дві нитки розташовані протипаралельно, це означає, що вони розташовані протилежно по відношенню до їх полярності таким чином:

Крім того, послідовність однієї з ниток повинна доповнювати її партнера, якщо це положення є А, в антипаралельній нитці повинен бути T.

Організація

У кожній клітині людини є приблизно два метри ДНК, які повинні бути ефективно упаковані.

Пасмо необхідно ущільнити так, щоб вона могла міститися в мікроскопічному ядрі діаметром 6 мкм, що займає лише 10% від об’єму клітини. Це можливо завдяки наступним рівням ущільнення:

Гістони

У еукаріотів є білки, звані гістонами, які мають властивість зв'язуватися з молекулою ДНК, будучи першим рівнем ущільнення ланцюга. Гістони мають позитивні заряди, щоб мати можливість взаємодіяти з негативними зарядами ДНК, що забезпечуються фосфатами.

Гістони є білками, настільки важливими для еукаріотичних організмів, що вони практично не змінилися в процесі еволюції - пам’ятаючи, що низька швидкість мутацій свідчить про сильний селективний тиск на цю молекулу. Дефект гістонів може призвести до дефектного ущільнення ДНК.

Гістони можуть бути біохімічно модифіковані, і цей процес змінює рівень ущільнення генетичного матеріалу.

Коли гістони "гіпоацетильовані", хроматин більше конденсується, оскільки ацетильовані форми нейтралізують позитивні заряди лізинів (позитивно заряджених амінокислот) у білку.

Нуклеосоми та волокна 30 нм

Нитка ДНК скручується в гістони і вони утворюють структури, що нагадують намистинки на перловому намисті, званому нуклеосомами. В основі цієї структури лежать дві копії кожного типу гістону: H2A, H2B, H3 та H4. Об’єднання різних гістонів називається "октамер гістону".

Октамер оточений приблизно 146 парами основ, обходячись менше двох разів. Людська диплоїдна клітина містить приблизно 6,4 х 10 ⁹ нуклеотидів, які організовані в 30 мільйонів нуклеосом.

Організація в нуклеосоми дозволяє ущільнювати ДНК більш ніж на третину її початкової довжини.

У процесі вилучення генетичного матеріалу у фізіологічних умовах спостерігається, що нуклеосоми розташовані у волокні 30 нанометрів.

Хромосоми

Хромосоми - це функціональна одиниця спадковості, функцією якої є перенесення генів індивіда. Ген - це сегмент ДНК, який містить інформацію для синтезу білка (або серії білків). Однак є також гени, які кодують регуляторні елементи, такі як РНК.

Усі клітини людини (за винятком гамет і клітин крові) мають по дві копії кожної хромосоми, по одній успадковані від батька, а друга від матері.

Хромосоми - це структури, складені довгим лінійним шматочком ДНК, пов'язаним із згаданими вище білковими комплексами. Зазвичай у еукаріотів весь генетичний матеріал, що входить до ядра, поділяється на ряд хромосом.

Організація в прокаріоти

Прокаріоти - це організми, яким не вистачає ядра. У цих видів генетичний матеріал сильно згортається разом з лужними білками низької молекулярної маси. Таким чином ДНК ущільнюється і розташовується в центральній області у бактерій.

Деякі автори часто називають цю структуру "бактеріальною хромосомою", хоча вона не має таких самих характеристик, як еукаріотична хромосома.

Кількість ДНК

Не всі види організмів містять однакову кількість ДНК. Насправді це значення сильно відрізняється між видами і не існує взаємозв'язку між кількістю ДНК та складністю організму. Ця суперечність відома як "парадокс значення C".

Логічним міркуванням було б зрозуміти, що чим складніший організм, тим більше у нього ДНК. Однак це неправда в природі.

Наприклад, геном легені Protopterus aethiopicus має розмір 132 пг (ДНК можна кількісно визначити у пікограмах = пг), тоді як геном людини важить лише 3,5 пг.

Потрібно пам’ятати, що не вся ДНК організму кодує білки, велика кількість цього пов'язана з регуляторними елементами та різними типами РНК.

Структурні форми ДНК

Модель Уотсона та Крика, виведена з рентгенограми, відома як спіраль B-ДНК і є "традиційною" та найвідомішою моделлю. Однак існують ще дві різні форми, які називаються A-DNA та Z-DNA.

ДНК - А

Варіант "А" обертається вправо, як і B-ДНК, але коротший і ширший. Ця форма з’являється при зниженні відносної вологості.

A-ДНК обертається кожні 11 пар основ, основний паз є вужчим і глибшим, ніж B-ДНК. Що стосується другорядних канавок, це більш поверхневий і широкий.

ДНК - Z

Третій варіант - Z-ДНК. Це найбільш вузька форма, утворена групою гексануклеотидів, організованих у дуплекс антипаралельних ланцюгів. Однією з найвидатніших рис цієї форми є те, що вона повертає ліворуч, тоді як два інші способи роблять це праворуч.

Z-ДНК з'являється, коли короткі послідовності піримідинів і пуринів чергуються один з одним. Основна борозна плоска, а другорядна вузька і глибша, порівняно з В-ДНК.

Хоча у фізіологічних умовах молекула ДНК здебільшого знаходиться у формі B, існування двох описаних варіантів виявляє гнучкість та динамічність генетичного матеріалу.

Особливості

Молекула ДНК містить всю інформацію та інструкції, необхідні для побудови організму. Повний набір генетичної інформації в організмах називається геном.

Повідомлення кодується "біологічним алфавітом": чотирма базами, згаданими раніше, A, T, G і C.

Повідомлення може призвести до утворення різних видів білків або коду для якогось регулятивного елемента. Процес, за допомогою якого ці бази даних можуть доставити повідомлення, пояснюється нижче:

Тиражування, транскрипція та переклад

Повідомлення, зашифроване чотирма літерами A, T, G і C, призводить до фенотипу (не всі послідовності ДНК кодують білки). Для досягнення цього ДНК повинна повторюватись у кожному процесі поділу клітин.

Реплікація ДНК напівконсервативна: одна нитка слугує шаблоном для утворення нової дочірньої молекули. Реплікація каталізується низкою ферментів, включаючи ДНК-примазу, ДНК-геліказу, ДНК-лігазу та топоізомеразу.

Згодом повідомлення - написане мовою базової послідовності - повинно бути передано проміжній молекулі: РНК (рибонуклеїнова кислота). Цей процес називається транскрипцією.

Для транскрипції мають брати участь різні ферменти, включаючи РНК-полімеразу.

Цей фермент відповідає за копіювання повідомлення ДНК і перетворення його в месенджерну молекулу РНК. Іншими словами, метою транскрипції є отримання месенджера.

Нарешті, відбувається переклад повідомлення в молекули РНК месенджера, завдяки рибосомам.

Ці структури приймають месенджер РНК і разом з механізмом перекладу утворюють зазначений білок.

Генетичний код

Повідомлення читається "трійками" або групами з трьох літер, які вказують на амінокислоту - будівельні блоки білків. Розшифрувати повідомлення трійки можна, оскільки генетичний код вже повністю розкритий.

Переклад завжди починається з амінокислоти метіоніну, кодованої вихідним триплетом: AUG. "U" являє собою базовий урацил і є характерним для РНК і витісняє тимін.

Наприклад, якщо РНК месенджера має таку послідовність: AUG CCU CUU UUU UUA, він переводиться на такі амінокислоти: метіонін, пролін, лейцин, фенілаланін та фенілаланін. Зауважте, що дві трійки - у цьому випадку UUU та UUA - можуть кодувати одну і ту ж амінокислоту: фенілаланін.

Завдяки цій властивості кажуть, що генетичний код є виродженим, оскільки амінокислота кодується більш ніж однією послідовністю триплетів, за винятком амінокислоти метіоніну, що диктує початок трансляції.

Процес зупиняється за допомогою конкретних триплетів зупинки або зупинки: UAA, UAG та UGA. Вони відомі під назвами охра, бурштин та опал відповідно. Коли рибосома їх виявить, вони більше не можуть додавати амінокислоти до ланцюга.

Хімічні та фізичні властивості

Нуклеїнові кислоти мають кислу природу і розчинні у воді (гідрофільна). Можливе утворення водневих зв’язків між фосфатними групами та гідроксильними групами пентоз з водою. Він негативно заряджається при фізіологічному рН.

Розчини ДНК відрізняються високою в'язкістю, що зумовлено стійкістю до деформації подвійної спіралі, яка дуже жорстка. В'язкість зменшується, якщо нуклеїнова кислота одноланцюгова.

Вони є високостійкими молекулами. Логічно ця характеристика повинна бути незамінною у структурах, що несуть генетичну інформацію. Порівняно з РНК, ДНК набагато стійкіша, оскільки їй не вистачає гідроксильної групи.

ДНК може бути денатурована теплом, тобто нитки розділяються, коли молекула піддається впливу високих температур.

Кількість тепла, яке необхідно подати, залежить від відсотка молекули G - C, оскільки ці основи пов'язані трьома водневими зв’язками, збільшуючи опір поділу.

Що стосується поглинання світла, то вони мають пік у 260 нанометрів, який збільшується, якщо нуклеїнова кислота одноланцюгова, оскільки нуклеотидні кільця піддаються впливу, і вони відповідають за поглинання.

Еволюція

За даними Lazcano та ін. 1988 р. ДНК з'являється на етапах переходу від РНК, є однією з найважливіших подій в історії життя.

Автори пропонують три стадії: перший період, коли існували молекули, схожі на нуклеїнові кислоти, пізніше геноми складалися з РНК і в якості останньої стадії з'явилися двосмугові геноми ДНК.

Деякі дані підтверджують теорію первинного світу, засновану на РНК. По-перше, синтез білка може відбуватися за відсутності ДНК, але не тоді, коли РНК відсутня. Крім того, були виявлені молекули РНК з каталітичними властивостями.

Щодо синтезу дезоксирибонуклеотидів (присутніх у ДНК), вони завжди виходять із відновлення рибонуклеотидів (присутніх у РНК).

Еволюційне нововведення молекули ДНК, можливо, вимагало наявності ферментів, які синтезують попередники ДНК та беруть участь у зворотній транскрипції РНК.

Вивчаючи поточні ферменти, можна зробити висновок, що ці білки еволюціонували кілька разів і що перехід від РНК до ДНК є складнішим, ніж вважалося раніше, включаючи процеси перенесення та втрати генів та неортологічні заміни.

Секвенування ДНК

Послідовність ДНК складається з з'ясування послідовності ланцюга ДНК з точки зору чотирьох основ, які її складають.

Знання цієї послідовності має надзвичайно важливе значення в біологічних науках. Він може використовуватися для розмежування двох морфологічно дуже схожих видів, для виявлення захворювань, патологій або паразитів і навіть має судово-медичну практику.

Сингерне ​​секвенування було розроблено в 1900-х роках і є традиційною методикою уточнення послідовності. Незважаючи на свій вік, це дієвий метод і широко використовується дослідниками.

Захисний метод

Метод використовує ДНК-полімеразу, високонадійний фермент, що реплікує ДНК у клітинах, синтезуючи нову ланцюг ДНК, використовуючи попередньо існуючу в якості керівництва. Для ініціювання синтезу ферменту потрібен праймер. Праймер - це невелика молекула ДНК, яка доповнює молекулу, яка має бути секвенсована.

В реакції додаються нуклеотиди, які будуть включені в новий ланцюг ДНК ферментом.

Окрім «традиційних» нуклеотидів, метод включає низку дідеоксинуклеотидів для кожної з підстав. Вони відрізняються від стандартних нуклеотидів двома характеристиками: структурно вони не дозволяють ДНК-полімеразі додавати більше нуклеотидів до дочірній ланцюгу, і вони мають різний флуоресцентний маркер для кожної основи.

Результатом є різноманітність молекул ДНК різної довжини, оскільки дідеоксинуклеотиди були включені випадковим чином і зупиняли процес реплікації на різних етапах.

Цей різновид молекул можна розділити відповідно до їх довжини, ідентичність нуклеотидів зчитується за допомогою випромінювання світла з флуоресцентної мітки.

Послідовність наступного покоління

Розроблені в останні роки методи секвенування дозволяють проводити масовий аналіз мільйонів зразків одночасно.

Серед найвидатніших методів - піросеквенціювання, секвенування шляхом синтезу, секвенування шляхом лігування та послідовність наступного покоління Іоном Торрент.

Список літератури

1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., et al. (2002). Молекулярна біологія клітини. 4-е видання. Нью-Йорк: Гарленд Наука. Будова та функції ДНК. Доступно за адресою: ncbi.nlm.nih.gov/
2. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., et al. (2002). Молекулярна біологія клітини. 4-е видання. Нью-Йорк: Гарленд Наука. Хромосомна ДНК та її упаковка у волокно хроматину. Доступно за адресою: ncbi.nlm.nih.gov
3. Берг, Дж. М., Тимочко, Дж. Л., Стриєр, Л. (2002). Біохімія. 5-е видання. Нью-Йорк: WH Freeman. Розділ 27.1, ДНК може передбачати різноманітні структурні форми. Доступно за адресою: ncbi.nlm.nih.gov
4. Фієро, А. (2001). Коротка історія відкриття структури ДНК. Преподобна Мед Клініка Лас Кондес, 20, 71-75.
5. Forterre, P., Filée, J. & Myllykallio, H. (2000-2013) Походження та еволюція механізмів реплікації ДНК та ДНК. В: База біологічних наук Мадам Кюрі. Остін (Техас): біологічна наука Ландеса. Доступно за адресою: ncbi.nlm.nih.gov
6. Lazcano, A., Guerrero, R., Margulis, L., & Oro, J. (1988). Еволюційний перехід від РНК до ДНК у ранніх клітинах. Журнал молекулярної еволюції, 27 (4), 283-290.
7. Лодіш, Х., Берк, А., Зіпурський, С.Л. та ін. (2000). Молекулярна клітинна біологія. 4-е видання. Нью-Йорк: WH Freeman. Розділ 9.5. Організація клітинної ДНК у хромосоми. Доступно за адресою: ncbi.nlm.nih.gov/books
8. Voet, D., Voet, JG, & Pratt, CW (1999). Основи біохімії. Нью-Йорк: Джон Віллі і сини.