Vilka molekyler syntetiseras DNA från? DNA-molekylstruktur

Kemisk sammansättning av DNA och dess makromolekylära organisation. Typer av DNA-spiraler. Molekylära mekanismer för rekombination, replikation och DNA-reparation. Begreppet nukleaser och polymeraser. DNA-replikation som ett villkor för överföring av genetisk information till ättlingar. Allmänna egenskaper hos replikeringsprocessen. Åtgärder som sker vid en replikeringsgaffel. Telomerreplikation, telomeras. Betydelsen av underreplikation av terminala kromosomfragment i åldringsmekanismen. System för korrigering av replikeringsfel. Korrigerande egenskaper hos DNA-polymeraser. Mekanismer för reparation av skadat DNA. Begreppet DNA-reparationssjukdomar. Molekylära mekanismer för allmän genetisk rekombination. Platsspecifik rekombination. Genomvandling.

År 1865 Gregor Mendel upptäckte gener, och hans samtida Friedrich Miescher upptäckte dem 1869. upptäckta nukleinsyror (i kärnorna hos laxpus och spermieceller). Men under lång tid var dessa upptäckter inte kopplade till varandra; under lång tid var strukturen och naturen hos ärftlighetssubstansen inte kända. Den genetiska rollen för NK fastställdes efter upptäckten och förklaringen av fenomenen transformation (1928, F. Griffiths; 1944, O. Avery), transduktion (1951, Lederberg, Zinder) och reproduktion av bakteriofager (1951, A. Hershey, M. Chase).

Transformation, transduktion och reproduktion av bakteriofager har på ett övertygande sätt bevisat DNA:s genetiska roll. I RNA-virus (AIDS, hepatit B, influensa, TMV, murin leukemi, etc.) utförs denna roll av RNA.

Struktur av nukleinsyror. NC är biopolymerer som är involverade i lagring och överföring av genetisk information. NA-monomerer är nukleotider som består av en kvävebas, en monosackarid och en eller flera fosfatgrupper. Alla nukleotider i NA är monofosfater. En nukleotid utan fosfatgrupp kallas nukleosid. Sockret som finns i NA är D-isomeren och β-anomeren av ribos eller 2-deoxiribos. Nukleotider som innehåller ribos kallas ribonukleotider och är monomerer av RNA, och nukleotider som härrör från deoxiribos är deoxiribonukleotider och DNA består av dem. Det finns två typer av kvävehaltiga baser: puriner - adenin, guanin och pyrimidiner - cytosin, tymin, uracil. Sammansättningen av RNA och DNA inkluderar adenin, guanin, cytosin; Uracil finns endast i RNA och tymin endast i DNA.

I vissa fall innehåller NA sällsynta mindre nukleotider, såsom dihydrouridin, 4-tiouridin, inosin, etc. Deras mångfald är särskilt hög i tRNA. Mindre nukleotider bildas som ett resultat av kemiska transformationer av NA-baser som sker efter bildandet av polymerkedjan. Olika metylerade derivat är extremt vanliga i RNA och DNA: 5-metyluridin, 5-metylcytidin, l-N-metyladenosin, 2-N-metylguanosin. I RNA kan föremålet för metylering också vara 2"-hydroxigrupperna i ribosrester, vilket leder till bildningen av 2"-O-metylcytidin eller 2"-O-metylguanosin.

Ribonukleotid- och deoxiribonukleotidenheter är anslutna till varandra med hjälp av fosfodiesterbryggor, som förbinder 5"-hydroxylgruppen i en nukleotid med 3"-hydroxylgruppen i nästa. Således bildas den vanliga ryggraden av fosfat- och ribosrester, och baserna fästs till sockerarter på samma sätt som sidogrupper är fästa till proteiner. Ordningen på baserna längs kedjan kallas den primära strukturen för NC. Sekvensen av baser läses vanligtvis i riktningen från 5" till 3" kolatom i pentosen.

DNA-struktur. Dubbelhelixmodellen av DNA-struktur föreslogs av Watson och Crick 1953 (Fig. 7).

Enligt denna tredimensionella modell består DNA-molekylen av två motsatt riktade polynukleotidkedjor, som bildar en högerhänt helix relativt samma axel. Kvävebaserna är belägna inuti dubbelspiralen, och deras plan är vinkelräta mot huvudaxeln, medan sockerfosfatresterna exponeras utåt. Specifika H-bindningar bildas mellan baserna: adenin - tymin (eller uracil), guanin - cytosin, kallad Watson-Crick-parning. Som ett resultat interagerar större puriner alltid med mindre pyrimidiner, vilket säkerställer optimal ryggradsgeometri. De antiparallella kedjorna i dubbelhelixen är inte identiska vare sig i bassekvens eller nukleotidsammansättning, men de är komplementära till varandra just på grund av närvaron av specifik vätebindning mellan ovanstående baser.

Komplementaritet är mycket viktig för DNA-kopiering (replikation). Relationerna mellan antalet olika baser i DNA avslöjades

Fig. 7. B - form av DNA

Chargraff et al. på 50-talet, var av stor betydelse för att fastställa strukturen av DNA: det visades att antalet adeninrester i baserna i DNA-kedjan, oavsett organism, är lika med antalet tyminrester, och antalet guaninrester är lika med antalet cytosinrester. Dessa likheter är en konsekvens av selektiv basparning (fig. 8).

Dubbelhelixens geometri är sådan att intilliggande baspar är 0,34 nm ifrån varandra och roterade 36° runt helixaxeln. Därför finns det 10 baspar per varv av helixen, och helixstigningen är 3,4 nm. Dubbelhelixens diameter är 20 nm och två spår bildas i den - stora och små. Detta beror på att sockerfosfatryggraden är belägen längre från spiralaxeln än kvävebaserna.

Stabiliteten i DNA-strukturen beror på olika typer av interaktioner, de huvudsakliga är H-bindningar mellan baser och interplanär interaktion (stapling). Tack vare det senare säkerställs inte bara gynnsamma van der Waals-kontakter mellan atomer, utan också

Fig. 8. Principen om komplementaritet och antiparallelism av DNA-kedjor

ytterligare stabilisering på grund av överlappningen av p-orbitaler av atomer av parallella baser. Stabilisering underlättas också av den gynnsamma hydrofoba effekten, som visar sig i skyddet av lågpolära baser från direkt kontakt med den vattenhaltiga miljön. Däremot exponeras sockerfosfatryggraden med dess polära och joniserade grupper, vilket också stabiliserar strukturen.

Fyra polymorfa former är kända för DNA: A, B, C och Z. Den vanliga strukturen är B-DNA, där basparens plan är vinkelräta mot dubbelhelixens axel (fig. 7). I A-DNA roteras basparens plan ungefär 20° från normalen till axeln för den högerhänta dubbelhelixen; Det finns 11 baspar per varv av helixen. I C-DNA finns det 9 baspar per varv av helixen. Z-DNA är en vänsterhänt helix med 12 baspar per varv; basernas plan är ungefär vinkelräta mot spiralens axel. DNA i en cell är vanligtvis i B-form, men enskilda delar av den kan vara i A, Z eller till och med en annan konformation.

DNA-dubbelhelixen är inte en frusen formation, den är i konstant rörelse:

· anslutningar i kretsar är deformerade;

· komplementära baspar öppnar och stänger;

DNA interagerar med proteiner;

· om spänningen i molekylen är hög, upplöses den lokalt;

· den högra spiralen övergår till vänster.

Det finns 3 fraktioner av DNA:

1. Ofta upprepad (satellit) - upp till 106 kopior av gener (10% i möss). Det är inte involverat i proteinsyntesen; separerar gener; ger överfart; innehåller transposoner.

2. Svagt repeterbar - upp till 102 - 103 genkopior (15% i möss). Innehåller gener för t-RNA-syntes, gener för syntes av ribosomala proteiner och kromatinproteiner.

3. Unik (ej repeterbar) – hos möss 75 % (hos människor 56 %). Består av strukturella gener.

DNA-lokalisering: 95 % av DNA är lokaliserat i kärnan i kromosomer (linjärt DNA) och 5 % i mitokondrier, plastider och cellcentrum i form av cirkulärt DNA.

Funktioner av DNA: lagring och överföring av information; reparera; replikering.

De två DNA-strängarna i genregionen är fundamentalt olika i sin funktionella roll: en av dem är kodning, eller sens, och den andra är mall.

Detta betyder att i processen att "läsa" en gen (transkription eller pre-mRNA-syntes), fungerar DNA-mallsträngen som en mall. Produkten av denna process, pre-mRNA, sammanfaller i nukleotidsekvens med den kodande DNA-strängen (med ersättning av tyminbaser med uracil).

Det visar sig alltså att med hjälp av DNA-mallsträngen reproduceras den genetiska informationen för den DNA-kodande strängen i RNA-strukturen under transkriptionen.

De huvudsakliga matrisprocesserna som är inneboende i alla levande organismer är DNA-replikation, transkription och translation.

Replikering- en process där information kodad i bassekvensen för en moder-DNA-molekyl överförs med maximal noggrannhet till dotter-DNA. Med semi-konservativ replikation får dotterceller av den första generationen en DNA-sträng från sina föräldrar, och den andra strängen syntetiseras nyligen. Processen utförs med deltagande av DNA-polymeraser, som tillhör klassen transferaser. Mallens roll spelas av de separerade kedjorna av dubbelsträngat moderns DNA, och substraten är deoxiribonukleosid-5"-trifosfater.

Transkription- processen att överföra genetisk information från DNA till RNA. Alla typer av RNA - mRNA, rRNA och tRNA - syntetiseras enligt sekvensen av baser i DNA, som fungerar som mall. Endast en, den så kallade "+" DNA-strängen, transkriberas. Processen sker med deltagande av RNA-polymeraser. Substraten är ribonukleosid 5"-trifosfater.

Processerna för replikation och transkription i prokaryoter och eukaryoter skiljer sig markant i hastighet och individuella mekanismer.

Utsända- processen att avkoda mRNA, som ett resultat av vilken information från språket för bassekvensen av mRNA översätts till språket för proteinets aminosyrasekvens. Translation sker på ribosomer, substraten är aminoacyl-tRNA.

Mall-DNA-syntes, katalyserad av DNA-polymeraser, utför två huvudfunktioner: DNA-replikation - syntes av nya dotterkedjor och reparation av dubbelsträngat DNA som har brott i en av kedjorna som bildas till följd av att skadade sektioner av denna skärs ut. kedja av nukleaser. Det finns tre typer av DNA-polymeraser i prokaryoter och eukaryoter. I prokaryoter identifieras polymeraser av typ I, II och III, betecknade som pol l, pol ll och pol III. Det senare katalyserar syntesen av den växande kedjan; pol spelar en viktig roll i processen för DNA-mognad; pol lls funktioner är inte helt klarlagda. I eukaryota celler är DNA-polymeras ά involverat i kromosomreplikation, DNA-polymeras β är involverat i reparation och γ-varianten är ett enzym som utför mitokondriell DNA-replikation. Dessa enzymer, oavsett vilken typ av cell i vilken replikation sker, fäster en nukleotid till OH-gruppen vid 3"-änden av en av DNA-strängarna, som växer i 5"→3-riktningen. Därför säger de att dessa Fs har 5"→3" polymerasaktivitet. Dessutom uppvisar de alla förmågan att bryta ner DNA genom att klyva bort nukleotider i 3"→5-riktningen, dvs de är 3"→5" exonukleaser.

År 1957 fann Meselson och Stahl, som studerade E. coli, att på varje fri sträng bygger enzymet DNA-polymeras en ny, komplementär sträng. Detta är ett halvkonservativt sätt att replikera: en tråd är gammal - den andra är ny!

Vanligtvis börjar replikeringen i strikt definierade områden, kallade ori-områden (från replikationsursprunget), och från dessa områden sprids den i båda riktningarna. Ori-regionerna föregås av grenpunkter för moder-DNA-strängarna. Området intill förgreningspunkten kallas replikationsgaffeln (fig. 9). Under syntesen rör sig replikationsgaffeln längs molekylen, och fler och fler nya sektioner av föräldra-DNA rivas upp tills gaffeln når termineringspunkten. Kedjeseparation uppnås med hjälp av speciella F - helikaser (topoisomeraser). Den energi som krävs för detta frigörs genom hydrolys av ATP. Helikaser rör sig längs polynukleotidkedjor i två riktningar.

För att starta DNA-syntes behövs ett frö - en primer. Primerns roll utförs av kort RNA (10-60 nukleotider). Det syntetiseras komplementärt till en specifik sektion av DNA med deltagande av primas. Efter att primern har bildats börjar DNA-polymeraset att fungera. Till skillnad från helikaser kan DNA-polymeraser bara röra sig från 3" till 5"-änden av mallen. Därför kan förlängning av den växande kedjan när det dubbelsträngade moder-DNA:t lindas upp endast ske längs en sträng av mallen, den i förhållande till vilken replikationsgaffeln rör sig från 3" till 5"-änden. Den kontinuerligt syntetiserade kedjan kallas den ledande kedjan. Syntes på den eftersläpande strängen börjar också med bildandet av en primer och fortsätter i motsatt riktning till den ledande strängen - från replikationsgaffeln. Den eftersläpande strängen syntetiseras i fragment (i form av Okazaki-fragment), eftersom primern endast bildas när replikationsgaffeln släpper den region av mallen som har affinitet för primas. Ligering (tvärbindning) av Okazaki-fragment för att bilda en enda kedja kallas mognadsprocessen.

Under strängmognad avlägsnas RNA-primern från både 5"-änden av den främre strängen och 5"-ändarna av Okazaki-fragmenten, och dessa fragment sys ihop. Avlägsnande av primern utförs med deltagande av 3"→5" exonukleas. Samma F, istället för det borttagna RNA:t, fäster deoxinukleotider med användning av dess 5"→3" polymerasaktivitet. I det här fallet, vid tillägg av en "felaktig" nukleotid, utförs "korrekturläsning" - avlägsnande av baser som bildar icke-komplementära par. Denna process ger extremt hög replikeringsnoggrannhet, motsvarande ett fel per 109 baspar.

Fig. 9. DNA-replikation:

1 - replikationsgaffel, 2 - DNA-polymeras (pol I - mognad);

3 - DNA-polymeras (pol III - "korrekturläsning"); 4-helikas;

5-gyras (topoisomeras); 6-proteiner som destabiliserar dubbelhelixen.

Korrigering utförs i fall då en "felaktig" nukleotid är fäst vid 3"-änden av den växande kedjan, utan att kunna bilda de nödvändiga vätebindningarna med matrisen. När pol III av misstag fäster fel bas, blir dess 3" - 5" exonukleasaktivitet "slås på", och denna bas tas omedelbart bort, varefter polymerasaktiviteten återställs. Denna enkla mekanism fungerar på grund av det faktum att pol III kan agera som ett polymeras endast på en perfekt DNA-dubbelhelix med absolut korrekt basparning.

En annan mekanism för att ta bort RNA-fragment är baserad på närvaron i celler av ett speciellt ribonukleas, kallat RNase H. Detta F är specifikt för dubbelsträngade strukturer byggda från en ribonukleotid- och en deoxiribonukleotidkedja, och den hydrolyserar den första av dem.

RNase H kan också ta bort RNA-primern, följt av reparation av gapet med DNA-polymeras. Vid de sista stadierna av att montera fragmenten i den ordning som krävs, verkar DNA-ligas, vilket katalyserar bildandet av en fosfodiesterbindning.

Avlindning av en del av DNA-dubbelhelixen av helikaser i eukaryota kromosomer leder till supercoiling av resten av strukturen, vilket oundvikligen påverkar hastigheten på replikationsprocessen. Supercoiling förhindras av DNA-topoisomeraser.

Sålunda, förutom DNA-polymeras, deltar en stor uppsättning Ps i DNA-replikationen: helikas, primas, RNas H, DNA-ligas och topoisomeras. Denna lista över fosforproteiner och proteiner involverade i templat-DNA-biosyntes är långt ifrån uttömmande. Men många av deltagarna i denna process är fortfarande lite studerade till denna dag.

Under replikeringsprocessen sker "korrekturläsning" - avlägsnande av felaktiga (bildar icke-komplementära par) baser som ingår i det nysyntetiserade DNA:t. Denna process ger extremt hög replikeringsnoggrannhet, motsvarande ett fel per 109 baspar.

Telomerer.År 1938 klassiska genetiker B. McClinton och G. Möller bevisade att i ändarna av kromosomerna finns speciella strukturer som kallas telomerer (telos-ände, meros-del).

Forskare har upptäckt att när de utsätts för röntgenstrålning är det bara telomerer som uppvisar motstånd. Tvärtom, berövade terminalsektioner, börjar kromosomerna smälta samman, vilket leder till allvarliga genetiska avvikelser. Således ger telomerer kromosomernas individualitet. Telomerer är tätt packade (heterokromatin) och är otillgängliga för enzymer (telomeras, metylas, endonukleaser, etc.)

Funktioner hos telomerer.

1. Mekanisk: a) sammanfogning av ändarna av systerkromatider efter S-fasen; b) fixering av kromosomer till kärnmembranet, vilket säkerställer konjugering av homologer.

2. Stabilisering: a) skydd mot underreplikation av genetiskt signifikanta DNA-sektioner (telomerer transkriberas inte); b) stabilisering av ändarna på trasiga kromosomer. Hos patienter med α - talassemi sker kromosom 16d-brott i α - globin-generna och telomera upprepningar (TTAGGG) läggs till den skadade änden.

3. Inflytande på genuttryck. Aktiviteten hos gener som ligger nära telomerer minskar. Detta är en manifestation av tystnad – transkriptionell tystnad.

4. "Räknefunktion". Telomerer fungerar som en klockenhet som räknar antalet celldelningar. Varje division förkortar telomererna med 50-65 bp. Och deras totala längd i mänskliga embryonala celler är 10-15 tusen bp.

Telomert DNA har nyligen uppmärksammats av biologer. De första studieobjekten är encelliga protozoer - cilierade ciliater (tetrahymena), som innehåller flera tiotusentals mycket små kromosomer och därför många telomerer i en cell (i högre eukaryoter finns det mindre än 100 telomerer per cell).

I det telomera DNA från ciliater upprepas block med 6 nukleotidrester många gånger. En DNA-sträng innehåller ett block av 2 tymin - 4 guanin (TTGGYG - G-kedja) och den komplementära kedjan - 2 adenin - 4 cytosin (AACCCC - C-kedja).

Föreställ dig forskarnas förvåning när de upptäckte att mänskligt telomert DNA skiljer sig från det från ciliater med bara en bokstav och bildar block 2 tymin - adenin - 3 guanin (TTAGGG). Dessutom visade det sig att telomererna (G - kedjan) hos alla däggdjur, reptiler, amfibier, fåglar och fiskar är byggda av TTAGGG-block.

Det är dock inget överraskande här, eftersom telomert DNA inte kodar för några proteiner (det innehåller inga gener). I alla organismer utför telomerer universella funktioner, som diskuterades ovan. En mycket viktig egenskap hos telomert DNA är dess längd. Hos människor varierar det från 2 till 20 tusen baspar, och hos vissa arter av möss kan det nå hundratusentals baspar. Det är känt att det finns speciella proteiner nära telomerer som säkerställer deras funktion och som är involverade i konstruktionen av telomerer.

Det har bevisats att för normal funktion måste varje linjärt DNA ha två telomerer: en telomer i varje ände.

Prokaryoter har inga telomerer - deras DNA är sluten i en ring.

Vi vet alla att en persons utseende, vissa vanor och till och med sjukdomar är ärvda. All denna information om en levande varelse är kodad i gener. Så hur ser dessa ökända gener ut, hur fungerar de och var finns de?

Så bäraren av alla gener från någon person eller djur är DNA. Denna förening upptäcktes av Johann Friedrich Miescher 1869. Kemiskt sett är DNA deoxiribonukleinsyra. Vad betyder det här? Hur bär denna syra den genetiska koden för allt liv på vår planet?

Låt oss börja med att titta på var DNA finns. En mänsklig cell innehåller många organeller som utför olika funktioner. DNA finns i kärnan. Kärnan är en liten organell, som är omgiven av ett speciellt membran, och i vilket allt genetiskt material - DNA - lagras.

Vad är strukturen för en DNA-molekyl?

Först och främst, låt oss titta på vad DNA är. DNA är en mycket lång molekyl som består av strukturella element - nukleotider. Det finns 4 typer av nukleotider - adenin (A), tymin (T), guanin (G) och cytosin (C). Nukleotidkedjan ser schematiskt ut så här: GGAATTCTAAG... Denna sekvens av nukleotider är DNA-kedjan.

Strukturen av DNA dechiffrerades först 1953 av James Watson och Francis Crick.

I en DNA-molekyl finns två kedjor av nukleotider som är spiralformigt tvinnade runt varandra. Hur håller dessa nukleotidkedjor ihop och vrider sig till en spiral? Detta fenomen beror på egenskapen komplementaritet. Komplementaritet innebär att endast vissa nukleotider (komplementära) kan hittas mittemot varandra i två kedjor. Således, mitt emot adenin finns det alltid tymin, och mitt emot guanin finns det alltid bara cytosin. Således är guanin komplementärt till cytosin, och adenin är komplementärt till tymin.Sådana nukleotidpar mitt emot varandra i olika kedjor kallas också komplementära.

Det kan visas schematiskt enligt följande:

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

Dessa komplementära par A - T och G - C bildar en kemisk bindning mellan nukleotiderna i paret, och bindningen mellan G och C är starkare än mellan A och T. Bindningen bildas strikt mellan komplementära baser, det vill säga bildningen av en bindning mellan icke-komplementär G och A är omöjligt.

"Förpackning" av DNA, hur blir en DNA-sträng en kromosom?

Varför vrider sig dessa DNA-nukleotidkedjor också runt varandra? Varför är detta nödvändigt? Faktum är att antalet nukleotider är enormt och det behövs mycket utrymme för att rymma så långa kedjor. Av denna anledning vrider sig två DNA-strängar runt varandra på ett spiralformigt sätt. Detta fenomen kallas spiralisering. Som ett resultat av spiralisering förkortas DNA-kedjorna med 5-6 gånger.

Vissa DNA-molekyler används aktivt av kroppen, medan andra sällan används. Förutom spiralisering genomgår sådana sällan använda DNA-molekyler ännu mer kompakt "förpackning". Denna kompakta förpackning kallas supercoiling och förkortar DNA-strängen med 25-30 gånger!

Hur packas DNA-spiraler?

Supercoiling använder histonproteiner, som har utseendet och strukturen som en stav eller trådrulle. Spiraliserade DNA-strängar lindas på dessa "spolar" - histonproteiner. Således blir den långa tråden mycket kompakt förpackad och tar mycket lite plats.

Om det är nödvändigt att använda en eller annan DNA-molekyl inträffar processen att "avlinda", det vill säga att DNA-strängen "lindas av" från "spolen" - histonproteinet (om det var lindat på det) och lindas av från spiralen i två parallella kedjor. Och när DNA-molekylen är i ett så otvinnat tillstånd, kan den nödvändiga genetiska informationen läsas från den. Dessutom läses genetisk information endast från otvinnade DNA-strängar!

En uppsättning superspolade kromosomer kallas heterokromatin, och de kromosomer som är tillgängliga för att läsa information är eukromatin.

Vad är gener, vad är deras samband med DNA?

Låt oss nu titta på vad gener är. Det är känt att det finns gener som bestämmer blodtyp, ögonfärg, hår, hud och många andra egenskaper hos vår kropp. En gen är en strikt definierad del av DNA, bestående av ett visst antal nukleotider ordnade i en strikt definierad kombination. Placering i en strikt definierad DNA-sektion innebär att en specifik gen tilldelas sin plats, och det är omöjligt att ändra denna plats. Det är lämpligt att göra följande jämförelse: en person bor på en viss gata, i ett visst hus och lägenhet, och en person kan inte frivilligt flytta till ett annat hus, lägenhet eller till en annan gata. Ett visst antal nukleotider i en gen innebär att varje gen har ett specifikt antal nukleotider och de kan inte bli fler eller färre. Till exempel består genen som kodar för insulinproduktion av 60 nukleotidpar; genen som kodar för produktionen av hormonet oxytocin - av 370 nukleotidpar.

Den strikta nukleotidsekvensen är unik för varje gen och strikt definierad. Till exempel är sekvensen AATAATA ett fragment av en gen som kodar för insulinproduktion. För att få insulin används just denna sekvens, för att få till exempel adrenalin används en annan kombination av nukleotider. Det är viktigt att förstå att endast en viss kombination av nukleotider kodar för en viss "produkt" (adrenalin, insulin, etc.). En sådan unik kombination av ett visst antal nukleotider, som står på "sin plats" - det här är gen.

Förutom gener innehåller DNA-kedjan så kallade ”icke-kodande sekvenser”. Sådana icke-kodande nukleotidsekvenser reglerar geners funktion, hjälper till att spiralisera kromosomerna och markerar start- och slutpunkten för en gen. Men hittills är rollen för de flesta icke-kodande sekvenser oklar.

Vad är en kromosom? Sexkromosomer

Samlingen av gener hos en individ kallas genomet. Naturligtvis kan inte hela arvsmassan finnas i ett DNA. Genomet är uppdelat i 46 par DNA-molekyler. Ett par DNA-molekyler kallas en kromosom. Så, människor har 46 av dessa kromosomer. Varje kromosom bär på en strikt definierad uppsättning gener, till exempel innehåller kromosom 18 gener som kodar för ögonfärg, etc. Kromosomer skiljer sig från varandra i längd och form. De vanligaste formerna är X eller Y, men det finns andra också. Människor har två kromosomer av samma form, som kallas par. På grund av sådana skillnader är alla parade kromosomer numrerade - det finns 23 par. Det betyder att det finns kromosompar nr 1, par nr 2, nr 3 osv. Varje gen som ansvarar för en specifik egenskap finns på samma kromosom. Moderna riktlinjer för specialister kan indikera platsen för genen, till exempel enligt följande: kromosom 22, lång arm.

Vad är skillnaderna mellan kromosomer?

Hur skiljer sig kromosomerna annars från varandra? Vad betyder termen lång axel? Låt oss ta kromosomer av formen X. Skärningen av DNA-strängar kan ske strikt i mitten (X), eller så kan den inte ske centralt. När en sådan skärning av DNA-strängar inte sker centralt, så är i förhållande till skärningspunkten vissa ändar längre, andra kortare. Sådana långa ändar kallas vanligtvis kromosomens långa arm, och korta ändar kallas den korta armen. I kromosomer av Y-form är de flesta av armarna upptagna av långa armar, och de korta är mycket små (de är inte ens indikerade i den schematiska bilden).

Storleken på kromosomerna varierar: de största är kromosomerna av par nr 1 och nr 3, de minsta kromosomerna är par nr 17, nr 19.

Förutom sin form och storlek skiljer sig kromosomerna åt i de funktioner de utför. Av de 23 paren är 22 par somatiska och 1 par är sexuella. Vad betyder det? Somatiska kromosomer bestämmer alla yttre egenskaper hos en individ, egenskaperna hos hans beteendereaktioner, ärftlig psykotyp, det vill säga alla egenskaper och egenskaper hos varje enskild person. Ett par könskromosomer bestämmer en persons kön: man eller kvinna. Det finns två typer av mänskliga könskromosomer: X (X) och Y (Y). Om de kombineras som XX (x - x) - detta är en kvinna, och om XY (x - y) - har vi en man.

Ärftliga sjukdomar och kromosomskador

Däremot sker "nedbrytningar" av arvsmassan och då upptäcks genetiska sjukdomar hos människor. Till exempel, när det finns tre kromosomer i det 21:a kromosomparet istället för två, föds en person med Downs syndrom.

Det finns många mindre ”nedbrytningar” av genetiskt material som inte leder till sjukdom, utan tvärtom ger goda egenskaper. Alla "nedbrytningar" av genetiskt material kallas mutationer. Mutationer som leder till sjukdomar eller försämring av kroppens egenskaper anses vara negativa, och mutationer som leder till bildandet av nya fördelaktiga egenskaper anses vara positiva.

Men med de flesta av de sjukdomar som människor lider av idag är det inte sjukdomen som är ärftlig, utan bara en anlag. Till exempel absorberar pappan till ett barn socker långsamt. Det betyder inte att barnet kommer att födas med diabetes, men barnet kommer att ha en anlag. Det betyder att om ett barn missbrukar godis och mjölprodukter kommer det att utveckla diabetes.

Idag har den sk predikativ medicin. Som en del av denna medicinska praxis identifieras en persons predispositioner (baserat på identifieringen av motsvarande gener), och sedan får han rekommendationer - vilken diet att följa, hur man korrekt växlar mellan arbete och vila för att inte bli sjuk.

Hur läser man informationen kodad i DNA?

Hur kan du läsa informationen i DNA? Hur använder sin egen kropp det? DNA i sig är en sorts matris, men inte enkel, utan kodad. För att läsa information från DNA-matrisen överförs den först till en speciell bärare - RNA. RNA är kemiskt ribonukleinsyra. Det skiljer sig från DNA genom att det kan passera genom kärnmembranet in i cellen, medan DNA saknar denna förmåga (det kan bara hittas i kärnan). Den kodade informationen används i själva cellen. Så RNA är en bärare av kodad information från kärnan till cellen.

Hur sker RNA-syntes, hur syntetiseras protein med RNA?

De DNA-strängar som informationen behöver "läses" från lindas upp, ett speciellt "byggar"-enzym närmar sig dem och syntetiserar en komplementär RNA-kedja parallellt med DNA-strängen. RNA-molekylen består även av 4 typer av nukleotider - adenin (A), uracil (U), guanin (G) och cytosin (C). I det här fallet är följande par komplementära: adenin - uracil, guanin - cytosin. Som du kan se, till skillnad från DNA, använder RNA uracil istället för tymin. Det vill säga, "byggaren"-enzymet fungerar enligt följande: om det ser A i DNA-strängen, så fäster det Y till RNA-strängen, om G, så fäster det C, etc. Således bildas en mall från varje aktiv gen under transkriptionen - en kopia av RNA som kan passera genom kärnmembranet.

Hur sker syntesen av ett protein som kodas av en specifik gen?

Efter att ha lämnat kärnan kommer RNA in i cytoplasman. Redan i cytoplasman kan RNA bäddas in som en matris i speciella enzymsystem (ribosomer), som kan syntetisera, styrt av RNA-information, motsvarande sekvens av proteinaminosyror. Som ni vet består en proteinmolekyl av aminosyror. Hur vet ribosomen vilken aminosyra den ska lägga till i den växande proteinkedjan? Detta görs utifrån triplettkoden. Triplettkoden betyder att sekvensen av tre nukleotider i RNA-kedjan ( trilling, till exempel GGU) kodar för en enda aminosyra (i detta fall glycin). Varje aminosyra kodas av en specifik triplett. Och så "läser" ribosomen tripletten, bestämmer vilken aminosyra som ska läggas till nästa eftersom den läser informationen i RNA:t. När en kedja av aminosyror bildas tar den en viss rumslig form och blir ett protein som kan utföra de enzymatiska, konstruktions-, hormonella och andra funktioner som tilldelats det.

Protein för alla levande organismer är produkten av en gen. Det är proteiner som bestämmer alla olika egenskaper, kvaliteter och yttre manifestationer av gener.

DNA:s struktur och funktioner

Parameternamn	Menande
Artikelns ämne:	DNA:s struktur och funktioner
Rubrik (tematisk kategori)	Utbildning

DNA- en polymer vars monomerer är deoxiribonukleotider. En modell av den rumsliga strukturen av DNA-molekylen i form av en dubbelspiral föreslogs 1953. J. Watson och F. Crick (för att bygga denna modell använde de verk av M. Wilkins, R. Franklin, E. Chargaff).

DNA-molekyl bildas av två polynukleotidkedjor, spiralformigt tvinnade runt varandra och tillsammans runt en tänkt axel, ᴛ.ᴇ. är en dubbelspiral (med undantag för att vissa DNA-innehållande virus har enkelsträngat DNA). Diametern på DNA-dubbelhelixen är 2 nm, avståndet mellan närliggande nukleotider är 0,34 nm, och det finns 10 nukleotidpar per varv av helixen. Längden på molekylen kan nå flera centimeter. Molekylvikt - tiotals och hundratals miljoner. Den totala längden av DNA i kärnan i en mänsklig cell är cirka 2 m. I eukaryota celler bildar DNA komplex med proteiner och har en specifik rumslig konformation.

DNA-monomer - nukleotid (deoxiribonukleotid)- består av rester av tre ämnen: 1) en kvävebas, 2) en monosackarid med fem kolatomer (pentos) och 3) fosforsyra. De kvävehaltiga baserna av nukleinsyror tillhör klasserna pyrimidiner och puriner. DNA-pyrimidinbaser(har en ring i sin molekyl) - tymin, cytosin. Purinbaser(har två ringar) - adenin och guanin.

DNA-nukleotidmonosackariden är deoxiribos.

Namnet på en nukleotid kommer från namnet på motsvarande bas. Nukleotider och kvävehaltiga baser anges med versaler.

Polynukleotidkedjan bildas som ett resultat av. I detta fall, mellan 3"-kolet i deoxiribosresten i en nukleotid och fosforsyraresten i en annan, fosfoesterbindning(tillhör kategorin starka kovalenta bindningar). Ena änden av polynukleotidkedjan slutar med ett 5" kol (kallat 5"-änden), den andra änden med ett 3" kol (3"-ände).

Mittemot en sträng av nukleotider finns en andra sträng. Arrangemanget av nukleotider i dessa två kedjor är inte slumpmässigt, utan strikt definierat: tymin är alltid beläget mittemot adeninet i en kedja i den andra kedjan, och cytosin är alltid beläget mittemot guanin, två vätebindningar uppstår mellan adenin och tymin, och mellan guanin och cytosin - tre vätebindningar. Mönstret enligt vilket nukleotiderna i olika DNA-kedjor är strikt ordnade (adenin - tymin, guanin - cytosin) och selektivt ansluter till varandra kallas vanligtvis principen om komplementaritet. Det bör noteras att J. Watson och F. Crick kom att förstå principen om komplementaritet efter att ha bekantat sig med E. Chargaffs verk. E. Chargaff, efter att ha studerat ett stort antal prover av vävnader och organ från olika organismer, fann att i alla DNA-fragment motsvarar innehållet av guaninrester alltid exakt innehållet av cytosin, och adenin till tymin ( "Chargaffs regel"), men han kan inte förklara detta faktum.

Av komplementaritetsprincipen följer att nukleotidsekvensen i en kedja bestämmer nukleotidsekvensen för den andra.

DNA-strängarna är antiparallella (flerriktade), ᴛ.ᴇ. nukleotider av olika kedjor är belägna i motsatta riktningar, och därför är mittemot 3"-änden av en kedja 5"-änden av den andra. DNA-molekylen jämförs ibland med en spiraltrappa. "Räcket" för denna trappa är en sockerfosfatryggrad (omväxlande rester av deoxiribos och fosforsyra); "Steg" är komplementära kvävebaser.

Funktion av DNA- lagring och överföring av ärftlig information.

DNA:s struktur och funktioner - koncept och typer. Klassificering och funktioner i kategorin "DNA:s struktur och funktioner" 2017, 2018.

I den här artikeln kan du lära dig DNA:s biologiska roll. Så den här förkortningen är bekant för alla sedan skolan, men alla har inte en aning om vad det är. Efter en skolbiologikurs finns endast minimal kunskap om genetik och ärftlighet kvar i minnet, eftersom barn endast undervisas i detta komplexa ämne ytligt. Men denna kunskap (DNA:s biologiska roll, effekten det har på kroppen) kan vara otroligt användbar.

Låt oss börja med det faktum att nukleinsyror har en viktig funktion, nämligen att de säkerställer livets kontinuitet. Dessa makromolekyler finns i två former:

DNA (DNA);
RNA (RNA).

De är sändare av den genetiska planen för strukturen och funktionen hos kroppens celler. Låt oss prata om dem mer i detalj.

DNA och RNA

Låt oss börja med vilken vetenskapsgren som hanterar sådana komplexa frågor som:

studera principerna för lagring;
dess genomförande.
utsända;
studie av strukturen hos biopolymerer;
deras funktioner.

Allt detta studeras av molekylärbiologi. Det är inom denna gren av biologiska vetenskaper som man kan hitta svaret på frågan om vilken biologisk roll DNA och RNA har.

Dessa högmolekylära föreningar som bildas av nukleotider kallas "nukleinsyror". Det är här som information om kroppen lagras, vilket bestämmer individens utveckling, tillväxt och ärftlighet.

Upptäckten av deoxiribonukleinsyra går tillbaka till 1868. Sedan kunde forskare upptäcka dem i kärnorna av leukocyter och älgspermier. Efterföljande forskning visade att DNA kan hittas i alla växt- och djurceller. DNA-modellen presenterades 1953 och Nobelpriset för upptäckten delades ut 1962.

DNA

Låt oss börja det här avsnittet med det faktum att det finns 3 typer av makromolekyler:

Deoxiribonukleinsyra;
ribonukleinsyra;
proteiner.

Nu ska vi titta närmare på DNA:s struktur och biologiska roll. Så denna biopolymer överför data om ärftlighet, utvecklingsegenskaper, inte bara för bäraren utan också för alla tidigare generationer. - nukleotid. Således är DNA huvudkomponenten i kromosomerna, som innehåller den genetiska koden.

Hur är det möjligt att överföra denna information? Hela poängen är förmågan hos dessa makromolekyler att reproducera sig själva. Deras antal är oändligt, vilket kan förklaras av deras stora storlek, och som en konsekvens - av ett stort antal olika nukleotidsekvenser.

DNA-struktur

För att förstå den biologiska rollen av DNA i en cell är det nödvändigt att bekanta sig med strukturen hos denna molekyl.

Låt oss börja med det enklaste, alla nukleotider i deras struktur har tre komponenter:

kvävehaltig bas;
pentossocker;
fosfatgrupp.

Varje enskild nukleotid i en DNA-molekyl innehåller en kvävebas. Det kan vara absolut vilken som helst av fyra möjliga:

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

A och G är puriner, och C, T och U (uracil) är pyramidiner.

Det finns flera regler för förhållandet mellan kvävehaltiga baser, kallade Chargaffs regler.

A = T.
G = C.
(A + G = T + C) vi kan flytta alla okända till vänster sida och få: (A + G)/(T + C) = 1 (denna formel är den bekvämaste när man löser problem inom biologi).
A + C = G + T.
Värdet (A + C)/(G + T) är konstant. Hos människor är det 0,66, men till exempel i bakterier är det från 0,45 till 2,57.

Strukturen av varje DNA-molekyl liknar en vriden dubbelhelix. Observera att polynukleotidkedjorna är antiparallella. Det vill säga arrangemanget av nukleotidpar på en kedja har motsatt sekvens än på den andra. Varje varv av denna helix innehåller så många som 10 nukleotidpar.

Hur är dessa kedjor kopplade till varandra? Varför är molekylen stark och sönderfaller inte? Allt handlar om vätebindningen mellan kvävehaltiga baser (mellan A och T - två, mellan G och C - tre) och hydrofob interaktion.

För att avsluta detta avsnitt skulle jag vilja nämna att DNA är de största organiska molekylerna, vars längd varierar från 0,25 till 200 nm.

Komplementaritet

Låt oss ta en närmare titt på paranslutningar. Vi har redan sagt att par av kvävehaltiga baser inte bildas på ett kaotiskt sätt, utan i en strikt sekvens. Således kan adenin bara binda till tymin, och guanin kan bara binda till cytosin. Detta sekventiella arrangemang av par i en kedja av molekylen dikterar deras arrangemang i den andra.

Vid replikering eller fördubbling för att bilda en ny DNA-molekyl måste denna regel, som kallas "komplementaritet", följas. Du kan lägga märke till följande mönster, som nämndes i sammanfattningen av Chargaffs regler - antalet av följande nukleotider är detsamma: A och T, G och C.

Replikering

Låt oss nu prata om den biologiska rollen av DNA-replikation. Låt oss börja med det faktum att denna molekyl har denna unika förmåga att reproducera sig själv. Denna term hänvisar till syntesen av en dottermolekyl.

1957 föreslogs tre modeller av denna process:

konservativ (den ursprungliga molekylen bevaras och en ny bildas);
semi-konservativ (bryta den ursprungliga molekylen i monokedjor och lägga till komplementära baser till var och en av dem);
dispergerad (sönderfall av molekylen, replikering av fragment och samling i slumpmässig ordning).

Replikeringsprocessen har tre steg:

initiering (avflätning av DNA-sektioner med användning av helikasenzymet);
förlängning (kedjeförlängning genom tillsats av nukleotider);
uppsägning (uppnå önskad längd).

Denna komplexa process har en speciell funktion, det vill säga en biologisk roll - att säkerställa korrekt överföring av genetisk information.

RNA

Vi har berättat för dig vad den biologiska rollen för DNA är, nu föreslår vi att vi går vidare till övervägande (det vill säga RNA).

Låt oss börja det här avsnittet med att denna molekyl inte är mindre viktig än DNA. Vi kan upptäcka det i absolut vilken organism som helst, prokaryota och eukaryota celler. Denna molekyl observeras till och med i vissa virus (vi talar om RNA-virus).

Ett utmärkande drag för RNA är närvaron av en enda kedja av molekyler, men, liksom DNA, består den av fyra kvävehaltiga baser. I det här fallet är det:

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

Alla RNA är indelade i tre grupper:

matris, som vanligtvis kallas informativ (förkortning är möjlig i två former: mRNA eller mRNA);
ribosomalt (rRNA).

Funktioner

Efter att ha förstått den biologiska rollen av DNA, dess struktur och egenskaperna hos RNA, föreslår vi att gå vidare till de speciella uppdragen (funktionerna) av ribonukleinsyror.

Låt oss börja med mRNA eller mRNA, vars huvuduppgift är att överföra information från DNA-molekylen till cytoplasman i kärnan. Dessutom är mRNA en mall för proteinsyntes. När det gäller andelen av denna typ av molekyler är den ganska låg (cirka 4%).

Och andelen rRNA i cellen är 80. De är nödvändiga eftersom de är grunden för ribosomer. Ribosomalt RNA deltar i proteinsyntes och polypeptidkedjesammansättning.

Adaptern som bygger aminosyrakedjan är tRNA, som överför aminosyror till området för proteinsyntes. Andelen i cellen är cirka 15 %.

Biologisk roll

För att sammanfatta: vad är DNA:s biologiska roll? Vid tiden för upptäckten av denna molekyl kunde de inte ge uppenbar information om denna fråga, men inte ens nu är allt känt om betydelsen av DNA och RNA.

Om vi talar om allmän biologisk betydelse, så är deras roll att överföra ärftlig information från generation till generation, proteinsyntes och kodning av proteinstrukturer.

Många människor uttrycker också denna version: dessa molekyler är anslutna inte bara till det biologiska utan också med levande varelsers andliga liv. Enligt metafysiker innehåller DNA tidigare livserfarenheter och gudomlig energi.

Enligt dess kemiska struktur, DNA ( Deoxiribonukleinsyra) är biopolymer, vars monomerer är nukleotider. Dvs DNA är det polynukleotid. Dessutom består en DNA-molekyl vanligtvis av två kedjor vridna i förhållande till varandra längs en spirallinje (ofta kallad "skruvad spiralform") och kopplade till varandra med vätebindningar.

Kedjorna kan vridas både till vänster och till höger (oftast) sida.

Vissa virus har enkelsträngat DNA.

Varje DNA-nukleotid består av 1) en kvävebas, 2) deoxiribos, 3) en fosforsyrarest.

Dubbel högerhänt DNA-helix

Sammansättningen av DNA inkluderar följande: adenin, guanin, tymin Och cytosin. Adenin och guanin är puriner, och tymin och cytosin - till pyrimidiner. Ibland innehåller DNA uracil, vilket vanligtvis är karakteristiskt för RNA, där det ersätter tymin.

Kvävebaserna i en kedja av en DNA-molekyl är anslutna till kvävebaserna i en annan strikt enligt komplementaritetsprincipen: adenin endast med tymin (bildar två vätebindningar med varandra), och guanin endast med cytosin (tre bindningar).

Kvävebasen i själva nukleotiden är kopplad till den första kolatomen i den cykliska formen deoxiribos, som är en pentos (en kolhydrat med fem kolatomer). Bindningen är kovalent, glykosid (C-N). Till skillnad från ribos saknar deoxiribos en av sina hydroxylgrupper. Deoxiribosringen består av fyra kolatomer och en syreatom. Den femte kolatomen är utanför ringen och är ansluten genom en syreatom till en fosforsyrarest. Dessutom, genom syreatomen vid den tredje kolatomen, är fosforsyraresten av den intilliggande nukleotiden fäst.

I en DNA-sträng är således intilliggande nukleotider kopplade till varandra genom kovalenta bindningar mellan deoxiribos och fosforsyra (fosfodiesterbindning). En fosfat-deoxiribos-ryggrad bildas. Riktade vinkelrätt mot den, mot den andra DNA-kedjan, är kvävehaltiga baser, som är anslutna till baserna i den andra kedjan genom vätebindningar.

Strukturen av DNA är sådan att ryggraden i kedjorna som är förbundna med vätebindningar är riktade i olika riktningar (de säger "flerriktad", "antiparallell"). På sidan där den ena slutar med fosforsyra kopplad till den femte kolatomen i deoxiribos, slutar den andra med en "fri" tredje kolatom. Det vill säga att skelettet i en kedja vänds upp och ner i förhållande till den andra. Sålunda, i strukturen av DNA-kedjor, särskiljs 5"-ändar och 3"-ändar.

Under DNA-replikation (fördubbling) fortsätter syntesen av nya kedjor alltid från deras 5:e ände till den tredje, eftersom nya nukleotider endast kan läggas till den fria tredje änden.

I slutändan (indirekt genom RNA), kodar var tredje på varandra följande nukleotider i DNA-kedjan för en proteinaminosyra.

Upptäckten av DNA-molekylens struktur inträffade 1953 tack vare F. Cricks och D. Watsons arbete (vilket också underlättades av andra forskares tidiga arbete). Även om DNA var känt som ett kemiskt ämne redan på 1800-talet. På 40-talet av 1900-talet blev det tydligt att DNA är bärare av genetisk information.

Dubbelhelixen anses vara DNA-molekylens sekundära struktur. I eukaryota celler finns den överväldigande mängden DNA i kromosomerna, där det är associerat med proteiner och andra ämnen, och är också tätare förpackat.