Iz kojih se molekula sintetizira DNA? Struktura molekule DNA

Kemijski sastav DNA i njezina makromolekularna organizacija. Vrste spirala DNA. Molekularni mehanizmi rekombinacije, replikacije i popravka DNA. Pojam nukleaza i polimeraza. Replikacija DNA kao uvjet za prijenos genetske informacije na potomke. Opće karakteristike procesa replikacije. Akcije koje se događaju na račvanju replikacije. Replikacija telomera, telomeraza. Značenje podreplikacije terminalnih fragmenata kromosoma u mehanizmu starenja. Sustavi za ispravljanje pogrešaka replikacije. Korektivna svojstva DNA polimeraza. Mehanizmi popravka oštećene DNA. Koncept bolesti popravka DNK. Molekularni mehanizmi opće genetske rekombinacije. Rekombinacija specifična za mjesto. Konverzija gena.

Godine 1865 Gregor Mendel otkrio je gene, a njegov suvremenik Friedrich Miescher otkrio ih je 1869. godine. otkrio nukleinske kiseline (u jezgrama gnoja lososa i spermija). Međutim, dugo vremena ta otkrića nisu bila međusobno povezana; dugo vremena nisu bile poznate struktura i priroda tvari nasljednosti. Genetska uloga NK utvrđena je nakon otkrića i objašnjenja fenomena transformacije (1928., F. Griffiths; 1944., O. Avery), transdukcije (1951., Lederberg, Zinder) i reprodukcije bakteriofaga (1951., A. Hershey, M. Chase).

Transformacija, transdukcija i razmnožavanje bakteriofaga uvjerljivo je dokazala genetsku ulogu DNA. Kod RNA virusa (SIDA, hepatitis B, gripa, TMV, mišja leukemija itd.) tu ulogu obavlja RNA.

Struktura nukleinskih kiselina. NC su biopolimeri uključeni u pohranu i prijenos genetskih informacija. NA monomeri su nukleotidi koji se sastoje od dušične baze, monosaharida i jedne ili više fosfatnih skupina. Svi nukleotidi u NA su monofosfati. Nukleotid bez fosfatne skupine naziva se nukleozid. Šećer sadržan u NA je D-izomer i β-anomer riboze ili 2-deoksiriboze. Nukleotidi koji sadrže ribozu nazivaju se ribonukleotidi i monomeri su RNK, a nukleotidi izvedeni iz deoksiriboze su deoksiribonukleotidi, a od njih se sastoji DNK. Postoje dvije vrste dušičnih baza: purini - adenin, gvanin i pirimidini - citozin, timin, uracil. U sastav RNA i DNA ulaze adenin, gvanin, citozin; Uracil se nalazi samo u RNK, a timin samo u DNK.

U nekim slučajevima, NA sadrže rijetke minorne nukleotide, kao što su dihidrouridin, 4-tiouridin, inozin itd. Njihova je raznolikost posebno velika u tRNA. Sporedni nukleotidi nastaju kao rezultat kemijskih transformacija NA baza koje nastaju nakon formiranja polimernog lanca. Razni metilirani derivati izuzetno su česti u RNA i DNA: 5-metiluridin, 5-metilcitidin, l-N-metiladenozin, 2-N-metilgvanozin. U RNA predmet metilacije mogu biti i 2"-hidroksi skupine ostataka riboze, što dovodi do stvaranja 2"-O-metilcitidina ili 2"-O-metilgvanozina.

Ribonukleotidne i deoksiribonukleotidne jedinice povezane su jedna s drugom pomoću fosfodiesterskih mostova, povezujući 5"-hidroksilnu skupinu jednog nukleotida s 3"-hidroksilnom skupinom sljedećeg. Dakle, pravilnu okosnicu čine ostaci fosfata i riboze, a baze su vezane za šećere na isti način kao što su bočne skupine vezane za proteine. Redoslijed baza duž lanca naziva se primarna struktura NC. Redoslijed baza obično se čita u smjeru od 5" do 3" atoma ugljika pentoze.

struktura DNA. Model dvostruke spirale strukture DNA predložili su Watson i Crick 1953. godine (slika 7).

Prema ovom trodimenzionalnom modelu, molekula DNA se sastoji od dva suprotno usmjerena polinukleotidna lanca, koji tvore desnu spiralu u odnosu na istu os. Dušikove baze nalaze se unutar dvostruke spirale, a njihove su ravnine okomite na glavnu os, dok su ostaci šećernog fosfata izloženi prema van. Između baza nastaju specifične H-veze: adenin - timin (ili uracil), gvanin - citozin, nazvane Watson-Crickovo sparivanje. Kao rezultat toga, veći purini uvijek stupaju u interakciju s manjim pirimidinima, što osigurava optimalnu geometriju okosnice. Antiparalelni lanci dvostruke spirale nisu identični ni po slijedu baza ni po sastavu nukleotida, ali su međusobno komplementarni upravo zbog prisutnosti specifičnih vodikovih veza između navedenih baza.

Komplementarnost je vrlo važna za kopiranje (replikaciju) DNK. Otkriveni odnosi između broja različitih baza u DNK

sl.7. B - oblik DNA

Chargraff i sur. 50-ih godina bili su od velike važnosti za utvrđivanje strukture DNA: pokazalo se da je broj adeninskih ostataka u bazama lanca DNA, neovisno o organizmu, jednak broju timinskih ostataka, a broj gvaninskih ostataka jednak je broju citozinskih ostataka. Ove jednakosti su posljedica selektivnog sparivanja baza (slika 8).

Geometrija dvostruke zavojnice je takva da su susjedni parovi baza međusobno udaljeni 0,34 nm i zakrenuti za 36° oko osi zavojnice. Dakle, postoji 10 parova baza po zavoju zavojnice, a korak zavojnice je 3,4 nm. Promjer dvostruke spirale je 20 nm i u njoj se formiraju dva utora - veliki i mali. To je zbog činjenice da se okosnica šećernog fosfata nalazi dalje od osi spirale nego dušične baze.

Stabilnost strukture DNA rezultat je različitih vrsta interakcija, od kojih su glavne H-veze između baza i interplanarna interakcija (slaganje). Zahvaljujući potonjem, ne samo da su osigurani povoljni van der Waalsovi kontakti između atoma, već također

sl.8. Načelo komplementarnosti i antiparalelnosti lanaca DNA

dodatna stabilizacija zbog preklapanja p-orbitala atoma paralelnih baza. Stabilizacija je također olakšana povoljnim hidrofobnim učinkom koji se očituje u zaštiti niskopolarnih baza od izravnog kontakta s vodenom okolinom. Nasuprot tome, okosnica šećernog fosfata sa svojim polarnim i ioniziranim skupinama je izložena, što također stabilizira strukturu.

Poznata su četiri polimorfna oblika DNA: A, B, C i Z. Uobičajena struktura je B-DNA, u kojoj su ravnine parova baza okomite na os dvostruke zavojnice (slika 7.). U A-DNA, ravnine parova baza zakrenute su približno 20° od normale na os desne dvostruke spirale; Postoji 11 parova baza po zavoju spirale. U C-DNA postoji 9 parova baza po zavoju spirale. Z-DNA je lijeva spirala s 12 parova baza po zavoju; ravnine baza približno su okomite na os spirale. DNK u stanici je obično u obliku B, ali njeni pojedinačni dijelovi mogu biti u A, Z ili čak nekoj drugoj konformaciji.

Dvostruka spirala DNK nije zamrznuta formacija, ona je u stalnom kretanju:

· spojevi u krugovima su deformirani;

· komplementarni parovi baza otvaraju se i zatvaraju;

DNA stupa u interakciju s proteinima;

· ako je napetost u molekuli visoka, tada se ona lokalno raspliće;

· desna spirala prelazi u lijevu.

Postoje 3 frakcije DNK:

1. Često se ponavlja (satelit) - do 106 kopija gena (10% kod miševa). Ne sudjeluje u sintezi proteina; razdvaja gene; osigurava prijelaz; sadrži transpozone.

2. Slabo ponovljivi - do 102 - 103 kopije gena (15% kod miševa). Sadrži gene za sintezu t-RNA, gene za sintezu ribosomskih proteina i proteina kromatina.

3. Jedinstven (neponovljiv) – kod miševa 75% (kod ljudi 56%). Sastoji se od strukturnih gena.

Lokalizacija DNA: 95% DNA je lokalizirano u jezgri u kromosomima (linearna DNA), a 5% u mitohondrijima, plastidima i staničnom centru u obliku kružne DNA.

Funkcije DNA: pohranjivanje i prijenos informacija; popravak; replikacija.

Dva lanca DNA u genskoj regiji bitno su različita u svojoj funkcionalnoj ulozi: jedan od njih je kodiranje, ili smisao, a drugi je predložak.

To znači da u procesu "čitanja" gena (transkripcija ili pre-mRNA sinteza), lanac predloška DNK djeluje kao predložak. Produkt ovog procesa, pre-mRNA, podudara se u nukleotidnom slijedu s kodirajućim lancem DNA (uz zamjenu timinskih baza s uracilnim).

Tako se ispostavlja da se uz pomoć DNA predloška niti genetske informacije DNA kodirajućeg lanca reproduciraju u strukturi RNA tijekom transkripcije.

Glavni matrični procesi svojstveni svim živim organizmima su replikacija, transkripcija i translacija DNK.

Replikacija- proces u kojem se informacija kodirana u baznoj sekvenci roditeljske molekule DNK prenosi s maksimalnom točnošću na DNK kćer. Polukonzervativnom replikacijom stanice kćeri prve generacije dobivaju jedan lanac DNK od svojih roditelja, a drugi lanac se novo sintetizira. Proces se provodi uz sudjelovanje DNA polimeraza, koje pripadaju klasi transferaza. Ulogu predloška imaju razdvojeni lanci dvolančane majčine DNA, a supstrati su deoksiribonukleozid-5"-trifosfati.

Transkripcija- proces prijenosa genetske informacije s DNA na RNA. Sve vrste RNA - mRNA, rRNA i tRNA - sintetiziraju se prema nizu baza u DNA, koji služi kao matrica. Transkribira se samo jedan, takozvani “+” lanac DNK. Proces se odvija uz sudjelovanje RNA polimeraza. Supstrati su ribonukleozidni 5"-trifosfati.

Procesi replikacije i transkripcije u prokariota i eukariota značajno se razlikuju u brzini i pojedinim mehanizmima.

Emitiranje- proces dekodiranja mRNA, zbog čega se informacija s jezika bazne sekvence mRNA prevodi na jezik aminokiselinske sekvence proteina. Translacija se odvija na ribosomima, a supstrati su aminoacil-tRNA.

Matrica sinteze DNA, katalizirana DNA polimerazama, obavlja dvije glavne funkcije: replikaciju DNA - sintezu novih lanaca kćeri i popravak dvolančane DNA koja ima prekide u jednom od lanaca nastalih kao rezultat izrezivanja oštećenih dijelova ovog lanca. lanac pomoću nukleaza. Postoje tri vrste DNA polimeraza u prokariota i eukariota. Kod prokariota identificirane su polimeraze tipa I, II i III, označene kao pol l, pol ll i pol III. Potonji katalizira sintezu rastućeg lanca; pol igra važnu ulogu u procesu sazrijevanja DNA; funkcije pol ll nisu u potpunosti shvaćene. U eukariotskim stanicama DNA polimeraza ά uključena je u replikaciju kromosoma, DNA polimeraza β uključena je u popravak, a γ varijanta je enzim koji provodi replikaciju mitohondrijske DNA. Ovi enzimi, bez obzira na vrstu stanice u kojoj se replikacija događa, pričvršćuju nukleotid na OH skupinu na 3" kraju jednog od lanaca DNA, koji raste u smjeru 5"→3. Stoga kažu da ti F imaju 5"→3" aktivnost polimeraze. Osim toga, sve one pokazuju sposobnost razgradnje DNA cijepanjem nukleotida u smjeru 3"→5, tj. one su 3"→5" egzonukleaze.

Godine 1957. Meselson i Stahl, proučavajući E. coli, otkrili su da na svakom slobodnom lancu enzim DNA polimeraza gradi novi, komplementarni lanac. Ovo je polu-konzervativan način replikacije: jedna nit je stara - druga je nova!

Tipično, replikacija počinje u strogo određenim područjima, koja se nazivaju ori područja (od ishodišta replikacije), i iz tih područja se širi u oba smjera. Ori regijama prethode točke grananja matičnih DNK lanaca. Područje uz točku grananja naziva se replikacijska vilica (slika 9). Tijekom sinteze, replikacijska vilica se pomiče duž molekule, a sve više i više novih dijelova roditeljske DNK se razotkriva sve dok vilica ne dosegne točku završetka. Razdvajanje lanaca se postiže pomoću posebnih F - helikaza (topoizomeraza). Energija potrebna za to oslobađa se hidrolizom ATP-a. Helikaze se kreću duž polinukleotidnih lanaca u dva smjera.

Za početak sinteze DNK potrebno je sjeme – početnica. Ulogu početnice obavlja kratka RNA (10-60 nukleotida). Sintetizira se komplementarno određenom dijelu DNK uz sudjelovanje primaze. Nakon formiranja početnice, DNA polimeraza počinje djelovati. Za razliku od helikaza, DNA polimeraze se mogu kretati samo od 3" do 5" kraja matrice. Stoga se produljenje rastućeg lanca dok se dvolančana matična DNK odmotava može dogoditi samo duž jedne niti predloška, one u odnosu na koju se replikacijska vilica pomiče od 3" do 5" kraja. Lanac koji se kontinuirano sintetizira naziva se vodeći lanac. Sinteza na zaostaloj niti također počinje stvaranjem početnice i nastavlja se u smjeru suprotnom od vodeće niti - od replikacijske vilice. Zaostajući lanac se sintetizira u fragmentima (u obliku Okazakijevih fragmenata), budući da se početnica formira tek kada replikacijska vilica oslobodi regiju šablone koja ima afinitet za primazu. Vezanje (umrežavanje) Okazakijevih fragmenata u jedinstveni lanac naziva se proces sazrijevanja.

Tijekom sazrijevanja lanca, RNA početnica uklanja se i s 5" kraja vodećeg lanca i s 5" krajeva Okazakijevih fragmenata, a ti se fragmenti spajaju zajedno. Uklanjanje početnice provodi se uz sudjelovanje 3"→5" egzonukleaze. Isti F, umjesto uklonjene RNA, pričvršćuje deoksinukleotide koristeći svoju 5"→3" aktivnost polimeraze. U ovom slučaju, u slučaju dodavanja "netočnog" nukleotida, provodi se "lektoriranje" - uklanjanje baza koje tvore nekomplementarne parove. Ovaj proces osigurava izuzetno visoku točnost replikacije, koja odgovara jednoj pogrešci na 109 parova baza.

Sl.9. replikacija DNK:

1 - replikacijska vilica, 2 - DNA polimeraza (pol I - sazrijevanje);

3 - DNA polimeraza (pol III - "lektoriranje"); 4-helikaza;

5-giraza (topoizomeraza); 6-proteini koji destabiliziraju dvostruku spiralu.

Ispravak se provodi u slučajevima kada je "neispravan" nukleotid vezan na 3" kraj rastućeg lanca, nesposoban za formiranje potrebnih vodikovih veza s matricom. Kada pol III greškom veže pogrešnu bazu, njegov 3" - 5" aktivnost egzonukleaze se "uključuje", a ta baza se odmah uklanja, nakon čega se aktivnost polimeraze obnavlja. Ovaj jednostavan mehanizam djeluje zahvaljujući činjenici da pol III može djelovati kao polimeraza samo na savršenoj dvostrukoj spirali DNA s apsolutno ispravnim uparivanje baza.

Drugi mehanizam za uklanjanje fragmenata RNK temelji se na prisutnosti u stanicama posebne ribonukleaze, nazvane RNaza H. Ovaj F je specifičan za dvolančane strukture izgrađene od jednog ribonukleotidnog i jednog deoksiribonukleotidnog lanca, te hidrolizira prvi od njih.

RNaza H je također sposobna ukloniti RNA početnicu, nakon čega slijedi popravak praznine pomoću DNA polimeraze. U završnim fazama sastavljanja fragmenata u traženom redoslijedu, djeluje DNA ligaza, katalizirajući stvaranje fosfodiesterske veze.

Odmotavanje dijela dvostruke spirale DNA helikazama u eukariotskim kromosomima dovodi do supersmotanja ostatka strukture, što neizbježno utječe na brzinu procesa replikacije. Super namotavanje sprječavaju DNA topoizomeraze.

Dakle, osim DNA polimeraze, veliki skup Ps sudjeluje u replikaciji DNA: helikaza, primaza, RNaza H, DNA ligaza i topoizomeraza. Ovaj popis fosfornih proteina i proteina koji su uključeni u biosintezu DNK uzorka daleko je od iscrpnog. Međutim, mnogi od sudionika u tom procesu do danas su malo proučeni.

Tijekom procesa replikacije dolazi do "lektoriranja" - uklanjanja netočnih (tvore nekomplementarne parove) baza uključenih u novosintetiziranu DNK. Ovaj proces osigurava izuzetno visoku točnost replikacije, koja odgovara jednoj pogrešci na 109 parova baza.

Telomeri. Godine 1938 klasični genetičari B. McClinton i G. Möller dokazali su da se na krajevima kromosoma nalaze posebne strukture koje se nazivaju telomeri (telos-kraj, meros-dio).

Znanstvenici su otkrili da kada su izloženi rendgenskom zračenju samo telomeri pokazuju otpor. Naprotiv, lišeni terminalnih dijelova, kromosomi se počinju spajati, što dovodi do ozbiljnih genetskih abnormalnosti. Dakle, telomeri osiguravaju individualnost kromosoma. Telomeri su gusto zbijeni (heterokromatin) i nedostupni enzimima (telomeraza, metilaza, endonukleaza itd.)

Funkcije telomera.

1. Mehanički: a) spajanje krajeva sestrinskih kromatida nakon S-faze; b) fiksacija kromosoma na jezgrinu membranu, što osigurava konjugaciju homologa.

2. Stabilizacija: a) zaštita od podreplikacije genetski značajnih dijelova DNA (telomeri se ne transkribiraju); b) stabilizacija krajeva polomljenih kromosoma. U bolesnika s α - talasemijom dolazi do loma kromosoma 16d u genima α - globina i dodaju se telomerna ponavljanja (TTAGGG) na oštećeni kraj.

3.Utjecaj na ekspresiju gena. Smanjena je aktivnost gena smještenih u blizini telomera. Ovo je manifestacija prešućivanja – transkripcijska šutnja.

4. "Funkcija brojanja". Telomeri djeluju kao sat koji broji broj dioba stanica. Svaka dioba skraćuje telomere za 50-65 bp. A njihova ukupna duljina u stanicama ljudskog embrija je 10-15 tisuća bp.

Telomerna DNK nedavno je privukla pozornost biologa. Prvi objekti proučavanja su jednostanične protozoe - trepetljikasti cilijati (tetrahimena), koji sadrže nekoliko desetaka tisuća vrlo malih kromosoma i, prema tome, mnogo telomera u jednoj stanici (kod viših eukariota ima manje od 100 telomera po stanici).

U telomernoj DNA cilijata blokovi od 6 nukleotidnih ostataka ponavljaju se mnogo puta. Jedan lanac DNA sadrži blok od 2 timina - 4 gvanina (TTGGYG - G-lanac), a komplementarni lanac - 2 adenin - 4 citozin (AACCCC - C-lanac).

Zamislite iznenađenje znanstvenika kada su otkrili da se ljudski telomerni DNK razlikuje od DNK ciliata samo za jedno slovo i tvori blokove 2 timin - adenin - 3 gvanin (TTAGGG). Štoviše, pokazalo se da su telomeri (G - lanac) svih sisavaca, gmazova, vodozemaca, ptica i riba građeni od TTAGGG blokova.

Međutim, tu nema ništa iznenađujuće, budući da telomerna DNK ne kodira nikakve proteine (ne sadrži gene). U svim organizmima telomeri obavljaju univerzalne funkcije, o kojima smo već govorili. Vrlo važna karakteristika telomerne DNK je njezina duljina. Kod ljudi se kreće od 2 do 20 tisuća parova baza, a kod nekih vrsta miševa može doseći i stotine tisuća parova baza. Poznato je da se u blizini telomera nalaze posebni proteini koji osiguravaju njihovo funkcioniranje i sudjeluju u izgradnji telomera.

Dokazano je da za normalno funkcioniranje svaka linearna DNK mora imati dvije telomere: po jednu telomeru na svakom kraju.

Prokarioti nemaju telomere – njihova je DNK zatvorena u prsten.

Svi znamo da se čovjekov izgled, neke navike, pa čak i bolesti nasljeđuju. Sve te informacije o živom biću kodirane su u genima. Dakle, kako izgledaju ti ozloglašeni geni, kako funkcioniraju i gdje se nalaze?

Dakle, nositelj svih gena bilo koje osobe ili životinje je DNK. Ovaj spoj otkrio je Johann Friedrich Miescher 1869. Kemijski, DNK je deoksiribonukleinska kiselina. Što to znači? Kako ova kiselina nosi genetski kod svega života na našem planetu?

Za početak pogledajmo gdje se nalazi DNK. Ljudska stanica sadrži mnoge organele koje obavljaju različite funkcije. DNK se nalazi u jezgri. Jezgra je mala organela, koja je obavijena posebnom membranom, au kojoj je pohranjen sav genetski materijal – DNK.

Kakva je struktura molekule DNA?

Prije svega, pogledajmo što je DNK. DNK je vrlo dugačka molekula koja se sastoji od strukturnih elemenata – nukleotida. Postoje 4 vrste nukleotida - adenin (A), timin (T), gvanin (G) i citozin (C). Lanac nukleotida shematski izgleda ovako: GGAATTCTAAG... Ovaj niz nukleotida je lanac DNA.

Strukturu DNK prvi su dešifrirali 1953. James Watson i Francis Crick.

U jednoj molekuli DNK postoje dva lanca nukleotida koji su spiralno uvijeni jedan oko drugog. Kako ti nukleotidni lanci ostaju zajedno i uvijaju se u spiralu? Ova pojava je zbog svojstva komplementarnosti. Komplementarnost znači da se samo određeni nukleotidi (komplementarni) mogu naći jedan nasuprot drugog u dva lanca. Dakle, nasuprot adenina uvijek stoji timin, a nasuprot gvanina uvijek samo citozin. Dakle, gvanin je komplementaran citozinu, a adenin timinu.Takvi parovi nukleotida koji se nalaze jedan nasuprot drugom u različitim lancima nazivaju se još i komplementarni.

Shematski se može prikazati na sljedeći način:

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

Ovi komplementarni parovi A - T i G - C tvore kemijsku vezu između nukleotida para, a veza između G i C jača je nego između A i T. Veza se stvara isključivo između komplementarnih baza, odnosno stvaranje veze između nekomplementarnih G i A nije moguće.

"Pakiranje" DNK, kako lanac DNK postaje kromosom?

Zašto se ovi lanci nukleotida DNK također uvijaju jedan oko drugog? Zašto je to potrebno? Činjenica je da je broj nukleotida ogroman i da je potrebno mnogo prostora za smještaj tako dugih lanaca. Zbog toga se dva lanca DNK uvijaju jedan oko drugoga na spiralan način. Taj se fenomen naziva spiralizacija. Kao rezultat spiralizacije, lanci DNK se skraćuju 5-6 puta.

Neke molekule DNK tijelo aktivno koristi, dok se druge rijetko koriste. Osim spiralizacije, takve rijetko korištene molekule DNK prolaze kroz još kompaktnije "pakiranje". Ovo kompaktno pakiranje se zove supercoiling i skraćuje lanac DNK za 25-30 puta!

Kako se pakiraju spirale DNK?

Supernavijanje koristi histonske proteine, koji imaju izgled i strukturu šipke ili kalema konca. Spiralizirane niti DNK namotane su na te "zavojnice" - histonske proteine. Tako duga nit postaje vrlo kompaktno pakirana i zauzima vrlo malo prostora.

Ako je potrebno upotrijebiti jednu ili drugu molekulu DNA, dolazi do procesa "odmotavanja", odnosno lanac DNA se "odmotava" s "kaluta" - proteina histona (ako je bio namotan na njega) i odmotava se iz spiralu u dva paralelna lanca. A kada je molekula DNK u takvom raspletenom stanju, tada se iz nje mogu očitati potrebne genetske informacije. Štoviše, genetske informacije čitaju se samo iz neupletenih DNK niti!

Skup supersmotanih kromosoma naziva se heterokromatin, a kromosomi dostupni za čitanje informacija su eukromatin.

Što su geni, kakva je njihova veza s DNK?

Sada pogledajmo što su geni. Poznato je da postoje geni koji određuju krvnu grupu, boju očiju, kosu, kožu i mnoga druga svojstva našeg tijela. Gen je strogo definiran dio DNK koji se sastoji od određenog broja nukleotida raspoređenih u strogo određenu kombinaciju. Položaj u strogo određenom dijelu DNK znači da je određenom genu dodijeljeno njegovo mjesto, a to mjesto je nemoguće promijeniti. Prikladno je napraviti sljedeću usporedbu: osoba živi u određenoj ulici, u određenoj kući i stanu, a osoba se ne može dobrovoljno preseliti u drugu kuću, stan ili u drugu ulicu. Određeni broj nukleotida u genu znači da svaki gen ima određeni broj nukleotida i ne može ih biti više ili manje. Na primjer, gen koji kodira proizvodnju inzulina sastoji se od 60 parova nukleotida; gen koji kodira proizvodnju hormona oksitocina - od 370 parova nukleotida.

Strogi nukleotidni slijed je jedinstven za svaki gen i strogo definiran. Na primjer, sekvenca AATTAATA je fragment gena koji kodira proizvodnju inzulina. Za dobivanje inzulina koristi se upravo ovaj slijed, a za dobivanje npr. adrenalina drugačija kombinacija nukleotida. Važno je razumjeti da samo određena kombinacija nukleotida kodira određeni “produkt” (adrenalin, inzulin itd.). Takva jedinstvena kombinacija određenog broja nukleotida, koja stoji na "svom mjestu" - to je gen.

Osim gena, lanac DNA sadrži takozvane "nekodirajuće sekvence". Takve nekodirajuće sekvence nukleotida reguliraju funkcioniranje gena, pomažu u spiralizaciji kromosoma i označavaju početnu i završnu točku gena. Međutim, do danas, uloga većine nekodirajućih sekvenci ostaje nejasna.

Što je kromosom? Spolni kromosomi

Skup gena pojedinca naziva se genom. Naravno, cijeli genom ne može biti sadržan u jednoj DNK. Genom je podijeljen na 46 parova molekula DNK. Jedan par molekula DNA naziva se kromosom. Dakle, ljudi imaju 46 ovih kromosoma. Svaki kromosom nosi strogo definiran skup gena, na primjer, kromosom 18 sadrži gene koji kodiraju boju očiju itd. Kromosomi se međusobno razlikuju po duljini i obliku. Najčešći oblici su X ili Y, ali postoje i drugi. Ljudi imaju dva kromosoma istog oblika, koji se nazivaju parovi. Zbog takvih razlika svi upareni kromosomi su numerirani - ima ih 23 para. To znači da postoji par kromosoma br. 1, par br. 2, par br. 3 itd. Svaki gen odgovoran za određenu osobinu nalazi se na istom kromosomu. Suvremene smjernice za stručnjake mogu naznačiti mjesto gena, na primjer, kako slijedi: kromosom 22, duga ruka.

Koje su razlike među kromosomima?

Kako se inače kromosomi razlikuju jedni od drugih? Što znači izraz dugo rame? Uzmimo kromosome oblika X. Sjecište DNA lanaca može se dogoditi strogo u sredini (X) ili se može dogoditi necentralno. Kada se takvo sjecište DNA niti ne događa središnje, onda su u odnosu na točku sjecišta neki krajevi duži, drugi kraći. Takvi dugi krajevi obično se nazivaju dugim krakom kromosoma, a kratki krajevi nazivaju se kratkim krakom. Kod kromosoma Y oblika većinu krakova zauzimaju dugi kraci, a kratki su vrlo mali (nisu ni naznačeni na shematskoj slici).

Veličina kromosoma varira: najveći su kromosomi parova br. 1 i br. 3, najmanji su kromosomi parovi br. 17, br. 19.

Osim po obliku i veličini, kromosomi se razlikuju i po funkcijama koje obavljaju. Od 23 para, 22 para su somatski i 1 par je polni. Što to znači? Somatski kromosomi određuju sve vanjske karakteristike pojedinca, karakteristike njegovih reakcija ponašanja, nasljedni psihotip, odnosno sve osobine i karakteristike svake pojedine osobe. Par spolnih kromosoma određuje spol osobe: muški ili ženski. Postoje dvije vrste ljudskih spolnih kromosoma: X (X) i Y (Y). Ako se kombiniraju kao XX (x - x) - ovo je žena, a ako XY (x - y) - imamo muškarca.

Nasljedne bolesti i oštećenja kromosoma

Međutim, dolazi do “kvarova” genoma, a zatim se kod ljudi otkrivaju genetske bolesti. Na primjer, kada se u 21. paru kromosoma umjesto dva nalaze tri kromosoma, osoba se rađa s Downovim sindromom.

Mnogo je manjih “kvarova” genetskog materijala koji ne dovode do bolesti, već naprotiv, daju dobra svojstva. Svi "kvarovi" genetskog materijala nazivaju se mutacijama. Mutacije koje dovode do bolesti ili pogoršanja svojstava tijela smatraju se negativnima, a mutacije koje dovode do stvaranja novih korisnih svojstava smatraju se pozitivnima.

No, kod većine bolesti od kojih današnji ljudi boluju, ne nasljeđuje se bolest, već samo predispozicija. Na primjer, otac djeteta sporo apsorbira šećer. To ne znači da će se dijete roditi s dijabetesom, ali će dijete imati predispoziciju. To znači da ako dijete zlorabi slatkiše i proizvode od brašna, razvit će dijabetes.

Danas se tzv predikativni lijek. U sklopu ove medicinske prakse identificiraju se predispozicije osobe (na temelju identifikacije odgovarajućih gena), a zatim mu se daju preporuke - koju dijetu treba slijediti, kako pravilno izmjenjivati rad i odmor kako se ne bi razbolio.

Kako čitati informacije kodirane u DNK?

Kako možete pročitati informacije sadržane u DNK? Kako ga vlastito tijelo koristi? Sama DNK je vrsta matrice, ali ne jednostavna, već kodirana. Da bi se informacija pročitala iz matrice DNK, ona se prvo prenosi na poseban nosač - RNK. RNA je kemijski ribonukleinska kiselina. Od DNK se razlikuje po tome što može proći kroz jezgrinu membranu u stanicu, dok DNK nema tu sposobnost (nalazi se samo u jezgri). Kodirana informacija koristi se u samoj ćeliji. Dakle, RNA je nositelj kodirane informacije od jezgre do stanice.

Kako dolazi do sinteze RNA, kako se sintetizira protein pomoću RNA?

Niti DNK s kojih treba "pročitati" informacije odmotavaju se, pristupa im poseban enzim "graditelj" i sintetizira komplementarni lanac RNK paralelan lancu DNK. Molekula RNK također se sastoji od 4 vrste nukleotida – adenin (A), uracil (U), gvanin (G) i citozin (C). U ovom slučaju, sljedeći parovi su komplementarni: adenin - uracil, gvanin - citozin. Kao što vidite, za razliku od DNK, RNK koristi uracil umjesto timina. Odnosno, enzim "graditelj" radi na sljedeći način: ako vidi A u DNK lancu, tada pričvršćuje Y na RNA lanac, ako G, tada pričvršćuje C, itd. Dakle, iz svakog aktivnog gena tijekom transkripcije nastaje predložak – kopija RNK koja može proći kroz nuklearnu membranu.

Kako se odvija sinteza proteina kodiranog određenim genom?

Nakon napuštanja jezgre, RNK ulazi u citoplazmu. Već u citoplazmi, RNA se može ugraditi kao matrica u posebne enzimske sustave (ribosome), koji mogu sintetizirati, vođeni informacijama RNA, odgovarajući slijed proteinskih aminokiselina. Kao što znate, molekula proteina sastoji se od aminokiselina. Kako ribosom zna koju aminokiselinu dodati u rastući proteinski lanac? To se radi na temelju koda tripleta. Tripletni kod znači da je niz od tri nukleotida lanca RNA ( trojka, na primjer, GGU) kodiraju jednu aminokiselinu (u ovom slučaju glicin). Svaka aminokiselina je kodirana određenim tripletom. I tako, ribosom "čita" triplet, određuje koju aminokiselinu treba dodati sljedeću dok čita informacije u RNK. Kada se formira lanac aminokiselina, on poprima određeni prostorni oblik i postaje protein sposoban za obavljanje enzimatskih, konstrukcijskih, hormonalnih i drugih funkcija koje su mu dodijeljene.

Protein za svaki živi organizam proizvod je gena. Proteini su ti koji određuju sva različita svojstva, kvalitete i vanjske manifestacije gena.

Struktura i funkcije DNA

Naziv parametra	Značenje
Tema članka:	Struktura i funkcije DNA
Rubrika (tematska kategorija)	Obrazovanje

DNK- polimer čiji su monomeri deoksiribonukleotidi. Model prostorne strukture molekule DNA u obliku dvostruke spirale predložen je 1953. godine. J. Watsona i F. Cricka (za izgradnju ovog modela koristili su radove M. Wilkinsa, R. Franklina, E. Chargaffa).

molekula DNA tvore dva polinukleotidna lanca, spiralno uvijena jedan oko drugog i zajedno oko zamišljene osi, ᴛ.ᴇ. je dvostruka spirala (s iznimkom nekih virusa koji sadrže DNA i imaju jednolančanu DNA). Promjer dvostruke spirale DNA je 2 nm, udaljenost između susjednih nukleotida je 0,34 nm, a po zavoju spirale dolazi 10 parova nukleotida. Duljina molekule može doseći nekoliko centimetara. Molekulska težina - deseci i stotine milijuna. Ukupna duljina DNA u jezgri ljudske stanice je oko 2 m. U eukariotskim stanicama DNA tvori komplekse s proteinima i ima specifičnu prostornu konformaciju.

DNA monomer - nukleotid (dezoksiribonukleotid)- sastoji se od ostataka tri tvari: 1) dušične baze, 2) monosaharida s pet ugljika (pentoze) i 3) fosforne kiseline. Dušične baze nukleinskih kiselina pripadaju razredima pirimidina i purina. DNA pirimidinske baze(imaju jedan prsten u svojoj molekuli) - timin, citozin. Purinske baze(imaju dva prstena) - adenin i gvanin.

DNA nukleotid monosaharid je deoksiriboza.

Ime nukleotida izvedeno je iz naziva odgovarajuće baze. Nukleotidi i dušične baze označeni su velikim slovima.

Polinukleotidni lanac nastaje kao rezultat reakcija kondenzacije nukleotida. U ovom slučaju, između 3"-ugljika ostatka deoksiriboze jednog nukleotida i ostatka fosforne kiseline drugog, fosfoesterska veza(spada u kategoriju jakih kovalentnih veza). Jedan kraj polinukleotidnog lanca završava s 5" ugljikom (koji se naziva 5" kraj), drugi završava s 3" ugljikom (3" kraj).

Nasuprot jednog lanca nukleotida nalazi se drugi lanac. Raspored nukleotida u ta dva lanca nije slučajan, već strogo definiran: timin se uvijek nalazi nasuprot adeninu jednog lanca u drugom lancu, a citozin uvijek nasuprot gvaninu, dvije vodikove veze nastaju između adenina i timina, a između gvanin i citozin – tri vodikove veze. Uzorak prema kojem su nukleotidi različitih lanaca DNA strogo poredani (adenin – timin, gvanin – citozin) i selektivno se međusobno povezuju obično se naziva načelo komplementarnosti. Valja napomenuti da su J. Watson i F. Crick shvatili načelo komplementarnosti nakon što su se upoznali s radovima E. Chargaffa. E. Chargaff, proučavajući ogroman broj uzoraka tkiva i organa različitih organizama, otkrio je da u bilo kojem fragmentu DNA sadržaj ostataka gvanina uvijek točno odgovara sadržaju citozina, a adenina timinu ( "Chargaffovo pravilo"), ali tu činjenicu nije u stanju objasniti.

Iz načela komplementarnosti proizlazi da slijed nukleotida jednog lanca određuje slijed nukleotida drugog.

Lanci DNK su antiparalelni (višesmjerni), ᴛ.ᴇ. nukleotidi različitih lanaca nalaze se u suprotnim smjerovima, pa je, prema tome, nasuprot 3" kraju jednog lanca 5" kraj drugog. Molekula DNK se ponekad uspoređuje sa spiralnim stepenicama. "Ograda" ovog stubišta je šećerno-fosfatna okosnica (izmjenični ostaci deoksiriboze i fosforne kiseline); "Koraci" su komplementarne dušične baze.

Funkcija DNA- pohranjivanje i prijenos nasljednih informacija.

Struktura i funkcije DNA - pojam i vrste. Klasifikacija i značajke kategorije "Struktura i funkcije DNK" 2017., 2018.

U ovom članku možete naučiti biološku ulogu DNK. Dakle, ova kratica je poznata svima od škole, ali nemaju svi pojma što je to. Nakon školskog tečaja biologije u sjećanju ostaje samo minimalno znanje o genetici i nasljeđu, jer se djeca ovoj složenoj temi poučavaju samo površno. Ali ovo znanje (biološka uloga DNK, učinak koji ima na tijelo) može biti nevjerojatno korisno.

Počnimo s činjenicom da nukleinske kiseline imaju važnu funkciju, naime osiguravaju kontinuitet života. Ove makromolekule dolaze u dva oblika:

DNK (DNK);
RNA (RNA).

Oni su prijenosnici genetskog plana za strukturu i funkcioniranje tjelesnih stanica. Razgovarajmo o njima detaljnije.

DNK i RNK

Počnimo s granom znanosti koja se bavi tako složenim pitanjima kao što su:

proučavanje principa skladištenja;
njegova provedba;
emitirati;
proučavanje strukture biopolimera;
njihove funkcije.

Sve to proučava molekularna biologija. Upravo u ovoj grani bioloških znanosti može se pronaći odgovor na pitanje koja je biološka uloga DNA i RNA.

Ovi spojevi velike molekularne težine formirani od nukleotida nazivaju se "nukleinske kiseline". Ovdje se pohranjuju informacije o tijelu koje određuju razvoj jedinke, rast i nasljeđe.

Otkriće deoksiribonukleinske kiseline datira iz 1868. godine. Zatim su ih znanstvenici uspjeli otkriti u jezgri leukocita i spermi losa. Naknadna istraživanja su pokazala da se DNK nalazi u svim biljnim i životinjskim stanicama. Model DNK predstavljen je 1953. godine, a Nobelova nagrada za otkriće dodijeljena je 1962. godine.

DNK

Započnimo ovaj odjeljak činjenicom da postoje 3 vrste makromolekula:

Deoksiribonukleinska kiselina;
ribonukleinska kiselina;
bjelančevine.

Sada ćemo pobliže pogledati strukturu i biološku ulogu DNK. Dakle, ovaj biopolimer prenosi podatke o naslijeđu, razvojnim karakteristikama ne samo nositelja, već i svih prethodnih generacija. - nukleotid. Dakle, DNA je glavna komponenta kromosoma, koja sadrži genetski kod.

Kako je moguć prijenos ovih informacija? Cijela poanta je u sposobnosti tih makromolekula da se same reproduciraju. Njihov broj je beskonačan, što se može objasniti njihovom velikom veličinom, a kao posljedica - ogromnim brojem različitih nukleotidnih sekvenci.

struktura DNA

Da bismo razumjeli biološku ulogu DNA u stanici, potrebno je upoznati strukturu ove molekule.

Počnimo s najjednostavnijim, svi nukleotidi u svojoj strukturi imaju tri komponente:

dušična baza;
pentozni šećer;
fosfatnu skupinu.

Svaki pojedinačni nukleotid u molekuli DNA sadrži jednu dušikovu bazu. To može biti apsolutno bilo koji od četiri moguća:

A (adenin);
G (gvanin);
C (citozin);
T (timin).

A i G su purini, a C, T i U (uracil) su piramidini.

Postoji nekoliko pravila za omjer dušičnih baza, nazvanih Chargaffova pravila.

A = T.
G = C.
(A + G = T + C) možemo sve nepoznanice pomaknuti ulijevo i dobiti: (A + G)/(T + C) = 1 (ova formula je najprikladnija za rješavanje problema iz biologije).
A + C = G + T.
Vrijednost (A + C)/(G + T) je konstantna. Kod ljudi je 0,66, no npr. kod bakterija je od 0,45 do 2,57.

Struktura svake molekule DNK nalikuje upletenoj dvostrukoj spirali. Imajte na umu da su polinukleotidni lanci antiparalelni. To jest, raspored parova nukleotida na jednom lancu ima suprotan slijed nego na drugom. Svaki zavoj ove spirale sadrži čak 10 parova nukleotida.

Kako su ti lanci međusobno povezani? Zašto je molekula jaka i ne raspada se? Radi se o vodikovoj vezi između dušičnih baza (između A i T - dvije, između G i C - tri) i hidrofobnoj interakciji.

Za kraj ovog odjeljka, želio bih napomenuti da je DNK najveća organska molekula, čija duljina varira od 0,25 do 200 nm.

Komplementarnost

Pogledajmo pobliže veze u paru. Već smo rekli da se parovi dušikovih baza ne formiraju kaotično, već u strogom nizu. Dakle, adenin se može vezati samo na timin, a gvanin samo na citozin. Ovaj sekvencijalni raspored parova u jednom lancu molekule diktira njihov raspored u drugom.

Kada se replicira ili udvostručuje kako bi se stvorila nova molekula DNK, mora se poštovati ovo pravilo, koje se naziva "komplementarnost". Možete primijetiti sljedeći obrazac, koji je spomenut u sažetku Chargaffovih pravila - broj sljedećih nukleotida je isti: A i T, G i C.

Replikacija

Razgovarajmo sada o biološkoj ulozi replikacije DNK. Počnimo s činjenicom da ova molekula ima jedinstvenu sposobnost samoreproduciranja. Ovaj izraz se odnosi na sintezu molekule kćeri.

Godine 1957. predložena su tri modela ovog procesa:

konzervativni (izvorna molekula je sačuvana i nastaje nova);
polukonzervativno (razbijanje izvorne molekule u monolance i dodavanje komplementarnih baza svakoj od njih);
raspršeni (raspad molekule, replikacija fragmenata i skupljanje nasumičnim redoslijedom).

Proces replikacije ima tri faze:

inicijacija (rasplet DNA sekcija pomoću enzima helikaze);
elongacija (produljenje lanca dodavanjem nukleotida);
završetak (postizanje potrebne duljine).

Ovaj složeni proces ima posebnu funkciju, odnosno biološku ulogu - osigurava točan prijenos genetske informacije.

RNA

Rekli smo vam koja je biološka uloga DNK, sada predlažemo da prijeđemo na razmatranje (odnosno, RNK).

Započnimo ovaj odjeljak činjenicom da ova molekula nije manje važna od DNK. Možemo ga otkriti u apsolutno svakom organizmu, prokariotskim i eukariotskim stanicama. Ova molekula je čak uočena u nekim virusima (govorimo o RNA virusima).

Posebnost RNK je prisutnost jednog lanca molekula, ali se, kao i DNK, sastoji od četiri dušične baze. U ovom slučaju to je:

adenin (A);
uracil (U);
citozin (C);
gvanin (G).

Sve RNA se dijele u tri skupine:

matrica, koja se obično naziva informacijskom (kratica je moguća u dva oblika: mRNA ili mRNA);
ribosomska (rRNA).

Funkcije

Nakon što smo razumjeli biološku ulogu DNA, njenu strukturu i karakteristike RNA, predlažemo prijeći na posebne misije (funkcije) ribonukleinskih kiselina.

Počnimo s mRNA ili mRNA, čija je glavna zadaća prijenos informacija iz molekule DNA u citoplazmu jezgre. Također, mRNA je obrazac za sintezu proteina. Što se tiče postotka ove vrste molekula, on je prilično nizak (oko 4%).

A postotak rRNA u stanici je 80. Oni su neophodni jer su osnova ribosoma. Ribosomska RNA sudjeluje u sintezi proteina i sastavljanju polipeptidnog lanca.

Adapter koji gradi lanac aminokiselina je tRNA, koja prenosi aminokiseline u područje sinteze proteina. Postotak u ćeliji je oko 15%.

Biološka uloga

Ukratko: koja je biološka uloga DNK? U vrijeme otkrića ove molekule nisu mogli dati jasne informacije o tome, ali ni sada se ne zna sve o značaju DNK i RNK.

Ako govorimo o općem biološkom značaju, onda je njihova uloga prijenos nasljednih informacija s koljena na koljeno, sinteza proteina i kodiranje proteinskih struktura.

Mnogi ljudi također izražavaju ovu verziju: te su molekule povezane ne samo s biološkim, već i s duhovnim životom živih bića. Prema metafizičarima, DNK sadrži iskustva prošlih života i božansku energiju.

Prema svojoj kemijskoj strukturi DNK ( Deoksiribonukleinska kiselina) je biopolimer, čiji su monomeri nukleotidi. Odnosno, DNK je polinukleotid. Štoviše, molekula DNA obično se sastoji od dva lanca upletena jedan u odnosu na drugi duž spiralne linije (koja se često naziva "spiralno upletena") i povezana jedan s drugim vodikovim vezama.

Lanci se mogu uvijati i na lijevu i na desnu (najčešće) stranu.

Neki virusi imaju jednolančanu DNK.

Svaki nukleotid DNA sastoji se od 1) dušične baze, 2) deoksiriboze, 3) ostatka fosforne kiseline.

Dvostruka desna spirala DNK

Sastav DNK uključuje sljedeće: adenin, guanin, timin I citozin. Adenin i gvanin su purini, te timin i citozin - do pirimidini. Ponekad DNA sadrži uracil, koji je obično karakterističan za RNA, gdje zamjenjuje timin.

Dušikove baze jednog lanca molekule DNA povezane su s dušikovim bazama drugog strogo prema principu komplementarnosti: adenin samo s timinom (međusobno tvore dvije vodikove veze), a gvanin samo s citozinom (tri veze).

Dušikova baza u samom nukleotidu povezana je s prvim ugljikovim atomom cikličkog oblika deoksiriboza, što je pentoza (ugljikohidrat s pet ugljikovih atoma). Veza je kovalentna, glikozidna (C-N). Za razliku od riboze, deoksiribozi nedostaje jedna od hidroksilnih skupina. Deoksiribozni prsten čine četiri atoma ugljika i jedan atom kisika. Peti atom ugljika je izvan prstena i povezan je preko atoma kisika s ostatkom fosforne kiseline. Također, preko atoma kisika na trećem atomu ugljika, spojen je ostatak fosforne kiseline susjednog nukleotida.

Tako su u jednom lancu DNA susjedni nukleotidi međusobno povezani kovalentnim vezama između deoksiriboze i fosforne kiseline (fosfodiesterska veza). Formira se fosfat-dezoksiribozna okosnica. Okomito na njega, prema drugom lancu DNA, usmjerene su dušične baze, koje su s bazama drugog lanca povezane vodikovim vezama.

Struktura DNK je takva da su okosnice lanaca povezanih vodikovim vezama usmjerene u različitim smjerovima (kažu "višesmjerno", "antiparalelno"). Na strani gdje jedan završava s fosfornom kiselinom povezanom s petim atomom ugljika deoksiriboze, drugi završava sa “slobodnim” trećim atomom ugljika. To jest, kostur jednog lanca okrenut je naopako u odnosu na drugi. Dakle, u strukturi DNK lanaca razlikuju se 5" krajevi i 3" krajevi.

Tijekom replikacije (udvostručenja) DNA, sinteza novih lanaca uvijek se odvija od njihovog 5. kraja prema trećem, budući da se novi nukleotidi mogu dodati samo na slobodni treći kraj.

U konačnici (neizravno preko RNA), svaka tri uzastopna nukleotida u lancu DNA kodiraju jednu proteinsku aminokiselinu.

Otkriće strukture molekule DNA dogodilo se 1953. zahvaljujući radu F. Cricka i D. Watsona (što je također olakšano ranim radom drugih znanstvenika). Iako je DNK još u 19. stoljeću bila poznata kao kemijska tvar. U 40-im godinama 20. stoljeća postalo je jasno da je DNK nositelj genetske informacije.

Dvostruka spirala se smatra sekundarnom strukturom molekule DNA. U eukariotskim stanicama, velika količina DNK nalazi se u kromosomima, gdje je povezana s proteinima i drugim tvarima, a također je i gušće pakirana.