Hvilke molekyler er DNA syntetisert fra? DNA-molekylstruktur

Kjemisk sammensetning av DNA og dets makromolekylære organisering. Typer DNA-helikser. Molekylære mekanismer for rekombinasjon, replikasjon og DNA-reparasjon. Konseptet med nukleaser og polymeraser. DNA-replikasjon som en betingelse for overføring av genetisk informasjon til etterkommere. Generelle kjennetegn ved replikeringsprosessen. Handlinger som skjer ved en replikeringsgaffel. Telomerreplikasjon, telomerase. Betydningen av underreplikasjon av terminale kromosomfragmenter i aldringsmekanismen. Replikeringsfeilkorrigeringssystemer. Korrigerende egenskaper til DNA-polymeraser. Mekanismer for reparasjon av skadet DNA. Konseptet med DNA-reparasjonssykdommer. Molekylære mekanismer for generell genetisk rekombinasjon. Stedspesifikk rekombinasjon. Genkonvertering.

I 1865 Gregor Mendel oppdaget gener, og hans samtidige Friedrich Miescher oppdaget dem i 1869. oppdaget nukleinsyrer (i kjernene til laksepus og sædceller). Imidlertid var disse oppdagelsene i lang tid ikke forbundet med hverandre; i lang tid var strukturen og naturen til arvestoffet ikke kjent. Den genetiske rollen til NK ble etablert etter oppdagelsen og forklaringen av fenomenene transformasjon (1928, F. Griffiths; 1944, O. Avery), transduksjon (1951, Lederberg, Zinder) og reproduksjon av bakteriofager (1951, A. Hershey, M. Chase).

Transformasjon, transduksjon og reproduksjon av bakteriofager har overbevisende bevist den genetiske rollen til DNA. I RNA-virus (AIDS, hepatitt B, influensa, TMV, murin leukemi, etc.), utføres denne rollen av RNA.

Struktur av nukleinsyrer. NC-er er biopolymerer involvert i lagring og overføring av genetisk informasjon. NA-monomerer er nukleotider som består av en nitrogenholdig base, et monosakkarid og en eller flere fosfatgrupper. Alle nukleotider i NA er monofosfater. Et nukleotid uten fosfatgruppe kalles et nukleosid. Sukkeret i NA er D-isomeren og β-anomeren av ribose eller 2-deoksyribose. Nukleotider som inneholder ribose kalles ribonukleotider og er monomerer av RNA, og nukleotider avledet fra deoksyribose er deoksyribonukleotider, og DNA består av dem. Det er to typer nitrogenholdige baser: puriner - adenin, guanin og pyrimidiner - cytosin, tymin, uracil. Sammensetningen av RNA og DNA inkluderer adenin, guanin, cytosin; Uracil finnes bare i RNA, og tymin bare i DNA.

I noen tilfeller inneholder NA-er sjeldne mindre nukleotider, som dihydrouridin, 4-tiouridin, inosin, etc. Deres mangfold er spesielt høyt i tRNA. Mindre nukleotider dannes som et resultat av kjemiske transformasjoner av NA-baser som skjer etter dannelsen av polymerkjeden. Ulike metylerte derivater er ekstremt vanlige i RNA og DNA: 5-metyluridin, 5-metylcytidin, l-N-metyladenosin, 2-N-metylguanosin. I RNA kan gjenstanden for metylering også være 2"-hydroksygruppene til riboserester, noe som fører til dannelsen av 2"-O-metylcytidin eller 2"-O-metylguanosin.

Ribonukleotid- og deoksyribonukleotidenheter er koblet til hverandre ved hjelp av fosfodiesterbroer, og kobler 5"-hydroksylgruppen til ett nukleotid med 3"-hydroksylgruppen til den neste. Dermed dannes den vanlige ryggraden av fosfat- og riboserester, og basene festes til sukker på samme måte som sidegrupper festes til proteiner. Rekkefølgen av basene langs kjeden kalles den primære strukturen til NC. Sekvensen av baser leses vanligvis i retning fra 5" til 3" karbonatomet til pentosen.

DNA-struktur. Den doble helixmodellen av DNA-struktur ble foreslått av Watson og Crick i 1953 (fig. 7).

I følge denne tredimensjonale modellen består DNA-molekylet av to motsatt rettede polynukleotidkjeder, som danner en høyrehendt helix i forhold til samme akse. De nitrogenholdige basene befinner seg inne i den doble helixen, og deres plan er vinkelrett på hovedaksen, mens sukkerfosfatrestene er eksponert utover. Spesifikke H-bindinger dannes mellom basene: adenin - tymin (eller uracil), guanin - cytosin, kalt Watson-Crick-paring. Som et resultat interagerer større puriner alltid med mindre pyrimidiner, noe som sikrer optimal ryggradsgeometri. De antiparallelle kjedene til dobbelthelixen er ikke identiske verken i basesekvens eller nukleotidsammensetning, men de er komplementære til hverandre nettopp på grunn av tilstedeværelsen av spesifikk hydrogenbinding mellom de ovennevnte basene.

Komplementaritet er svært viktig for DNA-kopiering (replikasjon). Forholdet mellom antall forskjellige baser i DNA avslørt

Fig.7. B - form for DNA

Chargraff et al. på 50-tallet, var av stor betydning for å etablere strukturen til DNA: det ble vist at antall adeninrester i basene i DNA-kjeden, uavhengig av organisme, er lik antall tyminrester, og antall guaninrester er lik antall cytosinrester. Disse likhetene er en konsekvens av selektiv baseparing (fig. 8).

Geometrien til den doble helixen er slik at tilstøtende basepar er 0,34 nm fra hverandre og rotert 36° rundt helixaksen. Derfor er det 10 basepar per omdreining av helixen, og helixpitch er 3,4 nm. Diameteren på den doble helixen er 20 nm og to spor er dannet i den - store og små. Dette skyldes det faktum at sukkerfosfat-ryggraden er plassert lenger fra helix-aksen enn nitrogenbasene.

Stabiliteten til DNA-strukturen skyldes ulike typer interaksjoner, de viktigste er H-bindinger mellom baser og interplanar interaksjon (stabling). Takket være sistnevnte sikres ikke bare gunstige van der Waals-kontakter mellom atomer, men også

Fig.8. Prinsippet om komplementaritet og antiparallelisme av DNA-kjeder

ytterligere stabilisering på grunn av overlapping av p-orbitaler av atomer av parallelle baser. Stabilisering lettes også av den gunstige hydrofobe effekten, som manifesterer seg i beskyttelsen av lavpolare baser fra direkte kontakt med det vandige miljøet. I motsetning til dette er sukkerfosfatryggraden med sine polare og ioniserte grupper eksponert, noe som også stabiliserer strukturen.

Fire polymorfe former er kjent for DNA: A, B, C og Z. Den vanlige strukturen er B-DNA, hvor planene til baseparene er vinkelrett på aksen til dobbelthelixen (fig. 7.). I A-DNA roteres baseparenes plan omtrent 20° fra normalen til aksen til den høyrehendte dobbelthelixen; Det er 11 basepar per omdreining av helixen. I C-DNA er det 9 basepar per omdreining av helixen. Z-DNA er en venstrehendt helix med 12 basepar per tur; planene til basene er omtrent vinkelrett på spiralens akse. DNA i en celle er vanligvis i B-form, men individuelle deler av den kan være i A, Z eller til og med en annen konformasjon.

DNA-dobbelthelixen er ikke en frossen formasjon, den er i konstant bevegelse:

· koblinger i kretser er deformert;

· komplementære basepar åpnes og lukkes;

DNA interagerer med proteiner;

· hvis spenningen i molekylet er høy, løsner det lokalt;

· høyre spiral går over til venstre.

Det er 3 fraksjoner av DNA:

1. Ofte gjentatt (satellitt) - opptil 106 kopier av gener (10 % i mus). Det er ikke involvert i proteinsyntese; skiller gener; gir kryssing over; inneholder transposoner.

2. Svakt repeterbar - opptil 102 - 103 genkopier (15 % i mus). Inneholder gener for t-RNA-syntese, gener for syntese av ribosomale proteiner og kromatinproteiner.

3. Unik (ikke-repeterbar) – hos mus 75 % (i mennesker 56 %). Består av strukturelle gener.

DNA-lokalisering: 95 % av DNA er lokalisert i kjernen i kromosomer (lineært DNA) og 5 % i mitokondrier, plastider og cellesenteret i form av sirkulært DNA.

Funksjoner av DNA: lagring og overføring av informasjon; reparere; replikering.

De to DNA-trådene i genregionen er fundamentalt forskjellige i sin funksjonelle rolle: en av dem er koding, eller sense, og den andre er mal.

Dette betyr at i prosessen med å "lese" et gen (transkripsjon eller pre-mRNA-syntese), fungerer DNA-malstrengen som en mal. Produktet av denne prosessen, pre-mRNA, faller i nukleotidsekvens sammen med den kodende DNA-strengen (med erstatning av tyminbaser med uracil).

Dermed viser det seg at ved hjelp av DNA-templatetråden reproduseres den genetiske informasjonen til DNA-kodende tråden i RNA-strukturen under transkripsjon.

De viktigste matriseprosessene som er iboende i alle levende organismer er DNA-replikasjon, transkripsjon og translasjon.

Replikering- en prosess der informasjon kodet i basesekvensen til et mor-DNA-molekyl overføres med maksimal nøyaktighet til datter-DNA. Med semi-konservativ replikasjon mottar datterceller av den første generasjonen en DNA-streng fra foreldrene, og den andre strengen er nylig syntetisert. Prosessen utføres med deltakelse av DNA-polymeraser, som tilhører klassen av transferaser. Rollen til malen spilles av de separerte kjedene av dobbelttrådet mors DNA, og substratene er deoksyribonukleosid-5"-trifosfater.

Transkripsjon- prosessen med å overføre genetisk informasjon fra DNA til RNA. Alle typer RNA - mRNA, rRNA og tRNA - syntetiseres i henhold til sekvensen av baser i DNA, som fungerer som en mal. Bare én, den såkalte "+" DNA-strengen, blir transkribert. Prosessen skjer med deltakelse av RNA-polymeraser. Substratene er ribonukleosid 5"-trifosfater.

Prosessene for replikasjon og transkripsjon i prokaryoter og eukaryoter varierer betydelig i hastighet og individuelle mekanismer.

Kringkaste- prosessen med å dekode mRNA, som et resultat av hvilken informasjon fra språket til basesekvensen til mRNA blir oversatt til språket til aminosyresekvensen til proteinet. Oversettelse finner sted på ribosomer, substratene er aminoacyl-tRNA.

Template DNA-syntese, katalysert av DNA-polymeraser, utfører to hovedfunksjoner: DNA-replikasjon - syntese av nye datterkjeder og reparasjon av dobbelttrådet DNA som har brudd i en av kjedene dannet som et resultat av å kutte ut skadede deler av denne. kjede av nukleaser. Det er tre typer DNA-polymeraser i prokaryoter og eukaryoter. I prokaryoter identifiseres polymeraser av type I, II og III, betegnet som pol l, pol ll og pol III. Sistnevnte katalyserer syntesen av den voksende kjeden; pol spiller en viktig rolle i prosessen med DNA-modning; funksjonene til pol ll er ikke fullt ut forstått. I eukaryote celler er DNA-polymerase ά involvert i kromosomreplikasjon, DNA-polymerase β er involvert i reparasjon, og γ-varianten er et enzym som utfører mitokondriell DNA-replikasjon. Disse enzymene, uavhengig av hvilken type celle replikasjonen skjer i, fester et nukleotid til OH-gruppen i 3"-enden av en av DNA-trådene, som vokser i 5"→3-retningen. Derfor sier de at disse F-ene har 5"→3" polymeraseaktivitet. I tillegg viser de alle evnen til å bryte ned DNA ved å spalte av nukleotider i 3"→5-retningen, dvs. de er 3"→5"-eksonukleaser.

I 1957 fant Meselson og Stahl, som studerte E. coli, at på hver fri tråd, bygger enzymet DNA-polymerase en ny, komplementær tråd. Dette er en semi-konservativ måte å replikere på: en tråd er gammel - den andre er ny!

Vanligvis begynner replikering i strengt definerte områder, kalt ori-områder (fra replikasjonsopprinnelsen), og fra disse områdene sprer den seg i begge retninger. Ori-regionene innledes med forgreningspunkter til moder-DNA-trådene. Området ved siden av forgreningspunktet kalles replikasjonsgaffelen (fig. 9). Under syntese beveger replikasjonsgaffelen seg langs molekylet, og flere og flere nye seksjoner av foreldrenes DNA nøstes opp til gaffelen når termineringspunktet. Kjedeseparasjon oppnås ved bruk av spesielle F - helikaser (topoisomeraser). Energien som kreves for dette frigjøres gjennom hydrolyse av ATP. Helikaser beveger seg langs polynukleotidkjeder i to retninger.

For å starte DNA-syntese trengs et frø - en primer. Primerens rolle utføres av kort RNA (10-60 nukleotider). Det syntetiseres komplementært til en spesifikk del av DNA med deltakelse av primase. Etter at primeren er dannet, begynner DNA-polymerase å virke. I motsetning til helikaser, kan DNA-polymeraser bare bevege seg fra 3" til 5" enden av malen. Derfor kan forlengelse av den voksende kjeden når det dobbelttrådete foreldre-DNAet vikles av bare skje langs en tråd av malen, den i forhold til hvilken replikasjonsgaffelen beveger seg fra 3" til 5" enden. Den kontinuerlig syntetiserte kjeden kalles den ledende kjeden. Syntese på den etterslepende tråden begynner også med dannelsen av en primer og fortsetter i motsatt retning av den ledende tråden - fra replikasjonsgaffelen. Den etterslepende tråden syntetiseres i fragmenter (i form av Okazaki-fragmenter), siden primeren dannes bare når replikasjonsgaffelen frigjør området av malen som har affinitet for primase. Ligering (tverrbinding) av Okazaki-fragmenter for å danne en enkelt kjede kalles modningsprosessen.

Under trådmodning fjernes RNA-primeren fra både 5"-enden av den ledende strengen og 5"-endene av Okazaki-fragmentene, og disse fragmentene sys sammen. Fjerning av primeren utføres med deltakelse av 3"→5" eksonuklease. Den samme F, i stedet for det fjernede RNA, fester deoksynukleotider ved å bruke sin 5"→3" polymeraseaktivitet. I dette tilfellet, ved tilsetning av et "feil" nukleotid, utføres "korrekturlesing" - fjerning av baser som danner ikke-komplementære par. Denne prosessen gir ekstremt høy replikeringsnøyaktighet, tilsvarende én feil per 109 basepar.

Fig.9. DNA-replikasjon:

1 - replikasjonsgaffel, 2 - DNA-polymerase (pol I - modning);

3 - DNA-polymerase (pol III - "korrekturlesing"); 4-helikase;

5-gyrase (topoisomerase); 6-proteiner som destabiliserer dobbelthelixen.

Korrigering utføres i tilfeller der et "feil" nukleotid er festet til den 3" enden av den voksende kjeden, og ikke er i stand til å danne de nødvendige hydrogenbindingene med matrisen. Når pol III feilaktig fester feil base, blir dens 3" - 5" eksonukleaseaktivitet "slår på", og denne basen fjernes umiddelbart, hvoretter polymeraseaktiviteten gjenopprettes. Denne enkle mekanismen fungerer på grunn av det faktum at pol III er i stand til å fungere som en polymerase kun på en perfekt DNA-dobbelthelix med absolutt korrekt baseparing.

En annen mekanisme for å fjerne RNA-fragmenter er basert på tilstedeværelsen i cellene av en spesiell ribonuklease, kalt RNase H. Denne F er spesifikk for dobbelttrådede strukturer bygget fra én ribonukleotid- og én deoksyribonukleotidkjede, og den hydrolyserer den første av dem.

RNase H er også i stand til å fjerne RNA-primeren, etterfulgt av reparasjon av gapet med DNA-polymerase. På de siste stadiene av å sette sammen fragmentene i den nødvendige rekkefølgen, virker DNA-ligase, og katalyserer dannelsen av en fosfodiesterbinding.

Avvikling av en del av DNA-dobbelthelixen med helikaser i eukaryote kromosomer fører til supercoiling av resten av strukturen, noe som uunngåelig påvirker hastigheten på replikasjonsprosessen. Supercoiling forhindres av DNA-topoisomeraser.

I tillegg til DNA-polymerase deltar således et stort sett med Ps i DNA-replikasjon: helikase, primase, RNase H, DNA-ligase og topoisomerase. Denne listen over fosforproteiner og proteiner involvert i templat-DNA-biosyntese er langt fra uttømmende. Imidlertid er mange av deltakerne i denne prosessen lite studert frem til i dag.

Under replikasjonsprosessen skjer "korrekturlesing" - fjerning av ukorrekte (danner ikke-komplementære par) baser inkludert i det nylig syntetiserte DNA. Denne prosessen gir ekstremt høy replikeringsnøyaktighet, tilsvarende én feil per 109 basepar.

Telomerer. I 1938 klassiske genetikere B. McClinton og G. Möller beviste at i endene av kromosomene er det spesielle strukturer kalt telomerer (telos-ende, meros-del).

Forskere har oppdaget at når de utsettes for røntgenstråling, er det bare telomerer som viser motstand. Tvert imot, fratatt terminale seksjoner, begynner kromosomer å smelte sammen, noe som fører til alvorlige genetiske abnormiteter. Dermed gir telomerer individualiteten til kromosomer. Telomerer er tettpakket (heterokromatin) og er utilgjengelige for enzymer (telomerase, metylase, endonukleaser, etc.)

Funksjoner av telomerer.

1. Mekanisk: a) sammenføyning av endene av søsterkromatider etter S-fasen; b) fiksering av kromosomer til kjernemembranen, som sikrer konjugering av homologer.

2. Stabilisering: a) beskyttelse mot underreplikasjon av genetisk signifikante DNA-seksjoner (telomerer blir ikke transkribert); b) stabilisering av endene av ødelagte kromosomer. Hos pasienter med α - talassemi oppstår kromosom 16d-brudd i α - globin-genene og telomere repetisjoner (TTAGGG) legges til den skadede enden.

3. Påvirkning på genuttrykk. Aktiviteten til gener i nærheten av telomerer reduseres. Dette er en manifestasjon av stillhet – transkripsjonell stillhet.

4. "Tellefunksjon". Telomerer fungerer som en klokkeenhet som teller antall celledelinger. Hver divisjon forkorter telomerer med 50-65 bp. Og deres totale lengde i menneskelige embryonale celler er 10-15 tusen bp.

Telomert DNA har nylig blitt kjent med biologer. De første studieobjektene er encellede protozoer - cilierte ciliater (tetrahymena), som inneholder flere titusenvis av svært små kromosomer og derfor mange telomerer i en celle (i høyere eukaryoter er det mindre enn 100 telomerer per celle).

I det telomere DNA fra ciliater gjentas blokker med 6 nukleotidrester mange ganger. En DNA-streng inneholder en blokk av 2 tymin - 4 guanin (TTGGYG - G-kjede), og den komplementære kjeden - 2 adenin - 4 cytosin (AACCCC - C-kjede).

Se for deg overraskelsen til forskere da de oppdaget at menneskelig telomert DNA skiller seg fra DNA til ciliater med bare én bokstav og danner blokker 2 tymin - adenin - 3 guanin (TTAGGG). Dessuten viste det seg at telomerene (G - kjeden) til alle pattedyr, krypdyr, amfibier, fugler og fisk er bygget av TTAGGG-blokker.

Det er imidlertid ikke noe overraskende her, siden telomert DNA ikke koder for noen proteiner (det inneholder ikke gener). I alle organismer utfører telomerer universelle funksjoner, som ble diskutert ovenfor. En veldig viktig egenskap ved telomert DNA er lengden. Hos mennesker varierer den fra 2 til 20 tusen basepar, og hos noen musearter kan den nå hundretusenvis av basepar. Det er kjent at det er spesielle proteiner i nærheten av telomerer som sikrer deres funksjon og er involvert i konstruksjonen av telomerer.

Det er bevist at for normal funksjon må hvert lineært DNA ha to telomerer: en telomer i hver ende.

Prokaryoter har ikke telomerer - deres DNA er lukket i en ring.

Vi vet alle at en persons utseende, noen vaner og til og med sykdommer er arvet. All denne informasjonen om et levende vesen er kodet inn i gener. Så hvordan ser disse beryktede genene ut, hvordan fungerer de og hvor befinner de seg?

Så bæreren av alle gener til enhver person eller dyr er DNA. Denne forbindelsen ble oppdaget av Johann Friedrich Miescher i 1869. Kjemisk er DNA deoksyribonukleinsyre. Hva betyr dette? Hvordan bærer denne syren den genetiske koden for alt liv på planeten vår?

La oss starte med å se på hvor DNA er lokalisert. En menneskelig celle inneholder mange organeller som utfører ulike funksjoner. DNA er lokalisert i kjernen. Kjernen er en liten organell, som er omgitt av en spesiell membran, og hvor alt arvestoffet - DNA - er lagret.

Hva er strukturen til et DNA-molekyl?

Først av alt, la oss se på hva DNA er. DNA er et veldig langt molekyl som består av strukturelle elementer - nukleotider. Det er 4 typer nukleotider - adenin (A), tymin (T), guanin (G) og cytosin (C). Kjeden av nukleotider ser skjematisk slik ut: GGAATTCTAAG... Denne sekvensen av nukleotider er DNA-kjeden.

Strukturen til DNA ble først dechiffrert i 1953 av James Watson og Francis Crick.

I ett DNA-molekyl er det to kjeder av nukleotider som er spiralformet vridd rundt hverandre. Hvordan holder disse nukleotidkjedene sammen og vrir seg til en spiral? Dette fenomenet skyldes egenskapen komplementaritet. Komplementaritet betyr at bare visse nukleotider (komplementære) kan finnes overfor hverandre i to kjeder. Altså, overfor adenin er det alltid tymin, og overfor guanin er det alltid bare cytosin. Dermed er guanin komplementær til cytosin, og adenin er komplementær til tymin.Slike par av nukleotider motsatt hverandre i forskjellige kjeder kalles også komplementære.

Det kan vises skjematisk som følger:

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

Disse komplementære parene A - T og G - C danner en kjemisk binding mellom nukleotidene i paret, og bindingen mellom G og C er sterkere enn mellom A og T. Bindingen dannes strengt tatt mellom komplementære baser, det vil si dannelsen av en binding mellom ikke-komplementær G og A er umulig.

"Pakking" av DNA, hvordan blir en DNA-streng til et kromosom?

Hvorfor vrir disse DNA-nukleotidkjedene seg også rundt hverandre? Hvorfor er dette nødvendig? Faktum er at antallet nukleotider er enormt og det trengs mye plass for å romme slike lange kjeder. Av denne grunn vrir to DNA-tråder seg rundt hverandre på en spiralformet måte. Dette fenomenet kalles spiralisering. Som et resultat av spiralisering forkortes DNA-kjeder med 5-6 ganger.

Noen DNA-molekyler brukes aktivt av kroppen, mens andre sjelden brukes. I tillegg til spiralisering, gjennomgår slike sjelden brukte DNA-molekyler enda mer kompakt «emballasje». Denne kompakte emballasjen kalles supercoiling og forkorter DNA-tråden med 25-30 ganger!

Hvordan pakkes DNA-helikser?

Supercoiling bruker histonproteiner, som har utseendet og strukturen som en stang eller trådsnelle. Spiraliserte DNA-tråder er viklet på disse "spolene" - histonproteiner. Dermed blir den lange tråden svært kompakt pakket og tar svært liten plass.

Hvis det er nødvendig å bruke et eller annet DNA-molekyl, oppstår prosessen med "avvikling", det vil si at DNA-strengen "vikles av" fra "spolen" - histonproteinet (hvis det ble viklet på det) og vikles av fra spiralen i to parallelle kjeder. Og når DNA-molekylet er i en slik uvridd tilstand, kan den nødvendige genetiske informasjonen leses fra det. Dessuten leses genetisk informasjon kun fra uvridd DNA-tråder!

Et sett med supercoiled kromosomer kalles heterokromatin, og kromosomene som er tilgjengelige for å lese informasjon er eukromatin.

Hva er gener, hva er deres forbindelse med DNA?

La oss nå se på hva gener er. Det er kjent at det er gener som bestemmer blodtype, øyenfarge, hår, hud og mange andre egenskaper ved kroppen vår. Et gen er en strengt definert del av DNA, bestående av et visst antall nukleotider arrangert i en strengt definert kombinasjon. Plassering i en strengt definert DNA-seksjon betyr at et spesifikt gen blir tildelt sin plass, og det er umulig å endre dette stedet. Det er hensiktsmessig å gjøre følgende sammenligning: en person bor i en bestemt gate, i et bestemt hus og leilighet, og en person kan ikke frivillig flytte til et annet hus, leilighet eller til en annen gate. Et visst antall nukleotider i et gen betyr at hvert gen har et bestemt antall nukleotider og de kan ikke bli flere eller færre. For eksempel består genet som koder for insulinproduksjon av 60 nukleotidpar; genet som koder for produksjonen av hormonet oksytocin - av 370 nukleotidpar.

Den strenge nukleotidsekvensen er unik for hvert gen og strengt definert. For eksempel er sekvensen AATAATA et fragment av et gen som koder for insulinproduksjon. For å oppnå insulin brukes akkurat denne sekvensen, for å oppnå for eksempel adrenalin, brukes en annen kombinasjon av nukleotider. Det er viktig å forstå at bare en viss kombinasjon av nukleotider koder for et bestemt "produkt" (adrenalin, insulin, etc.). En slik unik kombinasjon av et visst antall nukleotider som står på "sin plass" - dette er genet.

I tillegg til gener inneholder DNA-kjeden såkalte «ikke-kodende sekvenser». Slike ikke-kodende nukleotidsekvenser regulerer funksjonen til gener, hjelper til med spiralisering av kromosomer og markerer start- og sluttpunktet til et gen. Men til dags dato er rollen til de fleste ikke-kodende sekvenser fortsatt uklar.

Hva er et kromosom? Kjønnskromosomer

Samlingen av gener til et individ kalles genomet. Naturligvis kan ikke hele genomet være inneholdt i ett DNA. Genomet er delt inn i 46 par DNA-molekyler. Ett par DNA-molekyler kalles et kromosom. Så, mennesker har 46 av disse kromosomene. Hvert kromosom bærer et strengt definert sett med gener, for eksempel inneholder kromosom 18 gener som koder for øyefarge osv. Kromosomer skiller seg fra hverandre i lengde og form. De vanligste formene er X eller Y, men det finnes også andre. Mennesker har to kromosomer med samme form, som kalles par. På grunn av slike forskjeller er alle sammenkoblede kromosomer nummerert - det er 23 par. Dette betyr at det er kromosompar nr. 1, par nr. 2, nr. 3 osv. Hvert gen som er ansvarlig for en spesifikk egenskap er lokalisert på samme kromosom. Moderne retningslinjer for spesialister kan indikere plasseringen av genet, for eksempel som følger: kromosom 22, lang arm.

Hva er forskjellene mellom kromosomer?

Hvordan skiller kromosomene seg ellers fra hverandre? Hva betyr begrepet lang skulder? La oss ta kromosomer av form X. Skjæringen av DNA-tråder kan forekomme strengt i midten (X), eller det kan forekomme ikke sentralt. Når et slikt skjæringspunkt av DNA-tråder ikke forekommer sentralt, så er i forhold til skjæringspunktet noen ender lengre, andre henholdsvis kortere. Slike lange ender kalles vanligvis kromosomets lange arm, og korte ender kalles den korte armen. I kromosomer med Y-form er de fleste armene okkupert av lange armer, og de korte er veldig små (de er ikke engang angitt i det skjematiske bildet).

Størrelsen på kromosomene varierer: de største er kromosomer av par nr. 1 og nr. 3, de minste kromosomene er par nr. 17, nr. 19.

I tillegg til deres form og størrelse, er kromosomene forskjellige i funksjonene de utfører. Av de 23 parene er 22 par somatiske og 1 par er seksuelle. Hva betyr det? Somatiske kromosomer bestemmer alle de ytre egenskapene til et individ, egenskapene til hans atferdsreaksjoner, arvelig psykotype, det vil si alle egenskapene og egenskapene til hver enkelt person. Et par kjønnskromosomer bestemmer en persons kjønn: mann eller kvinne. Det er to typer menneskelige kjønnskromosomer: X (X) og Y (Y). Hvis de kombineres som XX (x - x) - er dette en kvinne, og hvis XY (x - y) - har vi en mann.

Arvelige sykdommer og kromosomskader

Imidlertid skjer "nedbrytninger" av genomet, og da oppdages genetiske sykdommer hos mennesker. For eksempel, når det er tre kromosomer i det 21. kromosomparet i stedet for to, blir en person født med Downs syndrom.

Det er mange mindre «nedbrytninger» av genetisk materiale som ikke fører til sykdom, men tvert imot gir gode egenskaper. Alle "nedbrytninger" av genetisk materiale kalles mutasjoner. Mutasjoner som fører til sykdommer eller forringelse av kroppens egenskaper anses som negative, og mutasjoner som fører til dannelse av nye gunstige egenskaper anses som positive.

Men med de fleste sykdommene som folk lider av i dag, er det ikke sykdommen som er arvelig, men kun en disposisjon. For eksempel absorberer faren til et barn sukker sakte. Dette betyr ikke at barnet vil bli født med diabetes, men barnet vil ha en disposisjon. Dette betyr at hvis et barn misbruker søtsaker og melprodukter, vil det utvikle diabetes.

I dag er den såkalte predikativ medisin. Som en del av denne medisinske praksisen identifiseres en persons predisposisjoner (basert på identifiseringen av de tilsvarende genene), og deretter får han anbefalinger - hvilken diett du skal følge, hvordan du skal veksle mellom arbeid og hvile for ikke å bli syk.

Hvordan lese informasjonen kodet i DNA?

Hvordan kan du lese informasjonen i DNA? Hvordan bruker dens egen kropp det? DNA i seg selv er en slags matrise, men ikke enkel, men kodet. For å lese informasjon fra DNA-matrisen, overføres den først til en spesiell bærer - RNA. RNA er kjemisk ribonukleinsyre. Det skiller seg fra DNA ved at det kan passere gjennom kjernemembranen inn i cellen, mens DNA mangler denne evnen (det finnes kun i kjernen). Den kodede informasjonen brukes i selve cellen. Så, RNA er en bærer av kodet informasjon fra kjernen til cellen.

Hvordan oppstår RNA-syntese, hvordan syntetiseres protein ved hjelp av RNA?

DNA-trådene som informasjonen må "leses" fra slapper av, et spesielt "byggeenzym" nærmer seg dem og syntetiserer en komplementær RNA-kjede parallelt med DNA-strengen. RNA-molekylet består også av 4 typer nukleotider - adenin (A), uracil (U), guanin (G) og cytosin (C). I dette tilfellet er følgende par komplementære: adenin - uracil, guanin - cytosin. Som du kan se, i motsetning til DNA, bruker RNA uracil i stedet for tymin. Det vil si at "byggerenzymet" fungerer som følger: hvis det ser A i DNA-tråden, så fester det Y til RNA-tråden, hvis G, så fester det C osv. Dermed dannes en mal fra hvert aktivt gen under transkripsjonen - en kopi av RNA som kan passere gjennom kjernemembranen.

Hvordan foregår syntesen av et protein kodet av et spesifikt gen?

Etter å ha forlatt kjernen, kommer RNA inn i cytoplasmaet. Allerede i cytoplasmaet kan RNA bygges inn som en matrise i spesielle enzymsystemer (ribosomer), som kan syntetisere, styrt av RNA-informasjon, den tilsvarende sekvensen av proteinaminosyrer. Som du vet, består et proteinmolekyl av aminosyrer. Hvordan vet ribosomet hvilken aminosyre som skal tilføres den voksende proteinkjeden? Dette gjøres basert på triplettkoden. Triplettkoden betyr at sekvensen av tre nukleotider i RNA-kjeden ( trilling, for eksempel GGU) koder for en enkelt aminosyre (i dette tilfellet glycin). Hver aminosyre er kodet av en spesifikk triplett. Og så, ribosomet "leser" tripletten, bestemmer hvilken aminosyre som skal tilsettes neste når den leser informasjonen i RNA. Når en kjede av aminosyrer dannes, får den en viss romlig form og blir et protein som er i stand til å utføre de enzymatiske, konstruksjonsmessige, hormonelle og andre funksjonene som er tildelt det.

Protein for enhver levende organisme er et produkt av et gen. Det er proteiner som bestemmer alle de ulike egenskapene, kvalitetene og ytre manifestasjonene til gener.

Struktur og funksjoner til DNA

Parameternavn	Betydning
Artikkel emne:	Struktur og funksjoner til DNA
Rubrikk (tematisk kategori)	utdanning

DNA- en polymer hvis monomerer er deoksyribonukleotider. En modell av den romlige strukturen til DNA-molekylet i form av en dobbel helix ble foreslått i 1953. J. Watson og F. Crick (for å bygge denne modellen brukte de verkene til M. Wilkins, R. Franklin, E. Chargaff).

DNA-molekyl dannet av to polynukleotidkjeder, spiralformet vridd rundt hverandre og sammen rundt en tenkt akse, ᴛ.ᴇ. er en dobbel helix (med unntak av at noen DNA-holdige virus har enkelttrådet DNA). Diameteren til DNA-dobbelthelixen er 2 nm, avstanden mellom nabonukleotider er 0,34 nm, og det er 10 nukleotidpar per omdreining av helixen. Lengden på molekylet kan nå flere centimeter. Molekylvekt - titalls og hundrevis av millioner. Den totale lengden av DNA i kjernen til en menneskelig celle er omtrent 2 m. I eukaryote celler danner DNA komplekser med proteiner og har en spesifikk romlig konformasjon.

DNA-monomer - nukleotid (deoksyribonukleotid)- består av rester av tre stoffer: 1) en nitrogenholdig base, 2) et femkarbonmonosakkarid (pentose) og 3) fosforsyre. De nitrogenholdige basene til nukleinsyrer tilhører klassene pyrimidiner og puriner. DNA-pyrimidinbaser(har én ring i molekylet) - tymin, cytosin. Purin baser(har to ringer) - adenin og guanin.

DNA-nukleotidmonosakkaridet er deoksyribose.

Navnet på et nukleotid er avledet fra navnet på den tilsvarende basen. Nukleotider og nitrogenholdige baser er angitt med store bokstaver.

Polynukleotidkjeden dannes som et resultat av. I dette tilfellet, mellom 3"-karbon av deoksyribose-resten til ett nukleotid og fosforsyreresten til en annen, fosfoesterbinding(tilhører kategorien sterke kovalente bindinger). Den ene enden av polynukleotidkjeden ender med et 5" karbon (kalt 5" enden), den andre ender med en 3" karbon (3" ende).

Motsatt en tråd av nukleotider er en andre tråd. Arrangementet av nukleotider i disse to kjedene er ikke tilfeldig, men strengt definert: tymin er alltid plassert overfor adeninet til den ene kjeden i den andre kjeden, og cytosin er alltid plassert overfor guanin, to hydrogenbindinger oppstår mellom adenin og tymin, og mellom guanin og cytosin - tre hydrogenbindinger. Mønsteret etter hvilket nukleotidene til forskjellige DNA-kjeder er strengt ordnet (adenin - tymin, guanin - cytosin) og selektivt forbinder med hverandre kalles vanligvis prinsippet om komplementaritet. Det bør bemerkes at J. Watson og F. Crick kom til å forstå prinsippet om komplementaritet etter å ha gjort seg kjent med verkene til E. Chargaff. E. Chargaff, etter å ha studert et stort antall prøver av vev og organer fra forskjellige organismer, fant at i ethvert DNA-fragment tilsvarer innholdet av guaninrester alltid nøyaktig innholdet av cytosin, og adenin til tymin ( "Chargaffs regel"), men han er ikke i stand til å forklare dette faktum.

Fra prinsippet om komplementaritet følger det at nukleotidsekvensen til en kjede bestemmer nukleotidsekvensen til den andre.

DNA-trådene er antiparallelle (flerveis), ᴛ.ᴇ. nukleotider av forskjellige kjeder er plassert i motsatte retninger, og derfor er motsatt 3"-enden av en kjede 5"-enden av den andre. DNA-molekylet blir noen ganger sammenlignet med en spiraltrapp. "Rekkverket" til denne trappen er en sukkerfosfatryggrad (vekslende rester av deoksyribose og fosforsyre); "Trinn" er komplementære nitrogenholdige baser.

Funksjon av DNA- lagring og overføring av arvelig informasjon.

Struktur og funksjoner til DNA - konsept og typer. Klassifisering og funksjoner i kategorien "Struktur og funksjoner av DNA" 2017, 2018.

I denne artikkelen kan du lære den biologiske rollen til DNA. Så denne forkortelsen er kjent for alle siden skolen, men ikke alle har en ide om hva det er. Etter et skolebiologikurs gjenstår bare minimal kunnskap om genetikk og arv i minnet, siden barn blir undervist i dette komplekse emnet bare overfladisk. Men denne kunnskapen (den biologiske rollen til DNA, effekten det har på kroppen) kan være utrolig nyttig.

La oss starte med det faktum at nukleinsyrer utfører en viktig funksjon, nemlig at de sikrer kontinuiteten i livet. Disse makromolekylene kommer i to former:

DNA (DNA);
RNA (RNA).

De er overførere av den genetiske planen for strukturen og funksjonen til kroppens celler. La oss snakke om dem mer detaljert.

DNA og RNA

La oss starte med hvilken vitenskapsgren som omhandler så komplekse problemstillinger som:

studere prinsippene for lagring;
dens gjennomføring;
kringkaste;
studie av strukturen til biopolymerer;
deres funksjoner.

Alt dette studeres av molekylærbiologi. Det er i denne grenen av biologiske vitenskaper man kan finne svaret på spørsmålet om hva som er den biologiske rollen til DNA og RNA.

Disse høymolekylære forbindelsene dannet av nukleotider kalles "nukleinsyrer". Det er her informasjon om kroppen lagres, som bestemmer individets utvikling, vekst og arv.

Oppdagelsen av deoksyribonukleinsyre dateres tilbake til 1868. Da klarte forskerne å oppdage dem i kjernene til leukocytter og elgsæd. Senere forskning viste at DNA kan finnes i alle plante- og dyreceller. DNA-modellen ble presentert i 1953, og Nobelprisen for funnet ble delt ut i 1962.

DNA

La oss starte denne delen med det faktum at det er 3 typer makromolekyler:

Deoksyribonukleinsyre;
ribonukleinsyre;
proteiner.

Nå skal vi se nærmere på strukturen og den biologiske rollen til DNA. Så denne biopolymeren overfører data om arvelighet, utviklingsegenskaper, ikke bare til bæreren, men også for alle tidligere generasjoner. - nukleotid. Dermed er DNA hovedkomponenten i kromosomer, som inneholder den genetiske koden.

Hvordan er overføring av denne informasjonen mulig? Hele poenget er evnen til disse makromolekylene til å reprodusere seg selv. Antallet deres er uendelig, noe som kan forklares av deres store størrelse, og som en konsekvens - av et stort antall forskjellige nukleotidsekvenser.

DNA-struktur

For å forstå den biologiske rollen til DNA i en celle, er det nødvendig å bli kjent med strukturen til dette molekylet.

La oss starte med det enkleste, alle nukleotider i deres struktur har tre komponenter:

nitrogenholdig base;
pentose sukker;
fosfatgruppe.

Hvert enkelt nukleotid i et DNA-molekyl inneholder en nitrogenholdig base. Det kan være absolutt hvilken som helst av fire mulige:

A (adenin);
G (guanin);
C (cytosin);
T (tymin).

A og G er puriner, og C, T og U (uracil) er pyramidiner.

Det er flere regler for forholdet mellom nitrogenholdige baser, kalt Chargaffs regler.

A = T.
G = C.
(A + G = T + C) vi kan flytte alle de ukjente til venstre side og få: (A + G)/(T + C) = 1 (denne formelen er den mest praktiske når du skal løse problemer i biologi).
A + C = G + T.
Verdien (A + C)/(G + T) er konstant. Hos mennesker er det 0,66, men for eksempel i bakterier er det fra 0,45 til 2,57.

Strukturen til hvert DNA-molekyl ligner en vridd dobbel helix. Vær oppmerksom på at polynukleotidkjedene er antiparallelle. Det vil si at arrangementet av nukleotidpar på en kjede har motsatt sekvens enn på den andre. Hver sving av denne helixen inneholder så mange som 10 nukleotidpar.

Hvordan er disse kjedene koblet til hverandre? Hvorfor er molekylet sterkt og går ikke i oppløsning? Det handler om hydrogenbindingen mellom nitrogenholdige baser (mellom A og T - to, mellom G og C - tre) og hydrofob interaksjon.

For å avslutte denne delen vil jeg nevne at DNA er de største organiske molekylene, hvis lengde varierer fra 0,25 til 200 nm.

Komplementaritet

La oss se nærmere på parforbindelser. Vi har allerede sagt at par av nitrogenholdige baser ikke dannes på en kaotisk måte, men i en streng sekvens. Dermed kan adenin bare binde seg til tymin, og guanin kan bare binde seg til cytosin. Dette sekvensielle arrangementet av par i en kjede av molekylet dikterer deres arrangement i den andre.

Når du replikerer eller dobler for å danne et nytt DNA-molekyl, må denne regelen, kalt "komplementaritet", overholdes. Du kan legge merke til følgende mønster, som ble nevnt i sammendraget av Chargaffs regler - antallet av følgende nukleotider er det samme: A og T, G og C.

Replikering

La oss nå snakke om den biologiske rollen til DNA-replikasjon. La oss starte med det faktum at dette molekylet har denne unike evnen til å reprodusere seg selv. Dette begrepet refererer til syntesen av et dattermolekyl.

I 1957 ble tre modeller av denne prosessen foreslått:

konservativ (det opprinnelige molekylet er bevart og et nytt dannes);
semi-konservativ (bryte det opprinnelige molekylet i monokjeder og legge til komplementære baser til hver av dem);
dispergert (forfall av molekylet, replikering av fragmenter og samling i tilfeldig rekkefølge).

Replikeringsprosessen har tre stadier:

initiering (avfletting av DNA-seksjoner ved bruk av helicase-enzymet);
forlengelse (kjedeforlengelse ved å legge til nukleotider);
oppsigelse (oppnå ønsket lengde).

Denne komplekse prosessen har en spesiell funksjon, det vil si en biologisk rolle - å sikre nøyaktig overføring av genetisk informasjon.

RNA

Vi har fortalt deg hva den biologiske rollen til DNA er, nå foreslår vi å gå videre til vurdering (det vil si RNA).

La oss starte denne delen med at dette molekylet ikke er mindre viktig enn DNA. Vi kan oppdage det i absolutt alle organismer, prokaryote og eukaryote celler. Dette molekylet er til og med observert i noen virus (vi snakker om RNA-virus).

Et særtrekk ved RNA er tilstedeværelsen av en enkelt kjede av molekyler, men, som DNA, består den av fire nitrogenholdige baser. I dette tilfellet er det:

adenin (A);
uracil (U);
cytosin (C);
guanin (G).

Alle RNA er delt inn i tre grupper:

matrise, som vanligvis kalles informativ (forkortelse er mulig i to former: mRNA eller mRNA);
ribosomalt (rRNA).

Funksjoner

Etter å ha forstått den biologiske rollen til DNA, dets struktur og egenskapene til RNA, foreslår vi å gå videre til de spesielle oppdragene (funksjonene) til ribonukleinsyrer.

La oss starte med mRNA eller mRNA, hvis hovedoppgave er å overføre informasjon fra DNA-molekylet til cytoplasmaet til kjernen. Dessuten er mRNA en mal for proteinsyntese. Når det gjelder prosentandelen av denne typen molekyler, er den ganske lav (omtrent 4%).

Og prosentandelen av rRNA i cellen er 80. De er nødvendige fordi de er grunnlaget for ribosomer. Ribosomalt RNA deltar i proteinsyntese og polypeptidkjedesammensetning.

Adapteren som bygger aminosyrekjeden er tRNA, som overfører aminosyrer til området for proteinsyntese. Prosentandelen i cellen er omtrent 15 %.

Biologisk rolle

For å oppsummere: hva er den biologiske rollen til DNA? På tidspunktet for oppdagelsen av dette molekylet kunne de ikke gi åpenbar informasjon om denne saken, men selv nå er ikke alt kjent om betydningen av DNA og RNA.

Hvis vi snakker om generell biologisk betydning, så er deres rolle å overføre arvelig informasjon fra generasjon til generasjon, proteinsyntese og koding av proteinstrukturer.

Mange uttrykker også denne versjonen: disse molekylene er ikke bare forbundet med det biologiske, men også med det åndelige livet til levende vesener. Ifølge metafysikere inneholder DNA tidligere livserfaringer og guddommelig energi.

I henhold til dens kjemiske struktur, DNA ( Deoksyribonukleinsyre) er biopolymer, hvis monomerer er nukleotider. Det vil si at DNA er polynukleotid. Dessuten består et DNA-molekyl vanligvis av to kjeder vridd i forhold til hverandre langs en spirallinje (ofte kalt "helisk vridd") og forbundet med hverandre med hydrogenbindinger.

Kjedene kan vris både til venstre og til høyre (oftest) side.

Noen virus har enkeltstrengs DNA.

Hvert DNA-nukleotid består av 1) en nitrogenholdig base, 2) deoksyribose, 3) en fosforsyrerest.

Dobbel høyrehendt DNA-helix

Sammensetningen av DNA inkluderer følgende: adenin, guanin, tymin Og cytosin. Adenin og guanin er puriner, og tymin og cytosin - til pyrimidiner. Noen ganger inneholder DNA uracil, som vanligvis er karakteristisk for RNA, hvor det erstatter tymin.

Nitrogenbasene til en kjede av et DNA-molekyl er forbundet med nitrogenbasene til et annet strengt i henhold til komplementaritetsprinsippet: adenin kun med tymin (danner to hydrogenbindinger med hverandre), og guanin kun med cytosin (tre bindinger).

Den nitrogenholdige basen i selve nukleotidet er koblet til det første karbonatomet i den sykliske formen deoksyribose, som er en pentose (et karbohydrat med fem karbonatomer). Bindingen er kovalent, glykosid (C-N). I motsetning til ribose mangler deoksyribose en av sine hydroksylgrupper. Deoksyriboseringen er dannet av fire karbonatomer og ett oksygenatom. Det femte karbonatomet er utenfor ringen og er forbundet gjennom et oksygenatom til en fosforsyrerest. Også, gjennom oksygenatomet ved det tredje karbonatomet, er fosforsyreresten til nabonukleotidet festet.

I en DNA-streng er altså tilstøtende nukleotider knyttet til hverandre ved kovalente bindinger mellom deoksyribose og fosforsyre (fosfodiesterbinding). En fosfat-deoksyribose-ryggrad dannes. Rettet vinkelrett på den, mot den andre DNA-kjeden, er nitrogenholdige baser, som er forbundet med basene i den andre kjeden med hydrogenbindinger.

Strukturen til DNA er slik at ryggraden i kjedene forbundet med hydrogenbindinger er rettet i forskjellige retninger (de sier "flerveis", "antiparallell"). På siden der den ene slutter med fosforsyre koblet til det femte karbonatomet i deoksyribose, ender den andre med et "fritt" tredje karbonatom. Det vil si at skjelettet til den ene kjeden er snudd opp ned i forhold til den andre. Således, i strukturen til DNA-kjeder, skilles 5" ender og 3" ender.

Under DNA-replikasjon (dobling) fortsetter syntesen av nye kjeder alltid fra deres 5. ende til den tredje, siden nye nukleotider bare kan legges til den frie tredje enden.

Til syvende og sist (indirekte gjennom RNA), koder hver tredje påfølgende nukleotider i DNA-kjeden for én proteinaminosyre.

Oppdagelsen av strukturen til DNA-molekylet skjedde i 1953 takket være arbeidet til F. Crick og D. Watson (som også ble tilrettelagt av det tidlige arbeidet til andre forskere). Selv om DNA var kjent som et kjemisk stoff tilbake på 1800-tallet. På 40-tallet av 1900-tallet ble det klart at DNA er bæreren av genetisk informasjon.

Den doble helixen regnes som den sekundære strukturen til DNA-molekylet. I eukaryote celler er den overveldende mengden DNA lokalisert i kromosomer, hvor det er assosiert med proteiner og andre stoffer, og er også tettere pakket.