DNA-Molekül, strukturelle Merkmale und Funktionen. Die Struktur der DNA: Merkmale, Schema

Der erste Nachweis der Rolle der DNA als Träger der Erbinformation von Organismen erregte große Aufmerksamkeit für die Erforschung von Nukleinsäuren. 1869 isolierte F. Miescher aus Zellkernen eine spezielle Substanz, die er Nuclein nannte. Nach 20 Jahren wurde dieser Name durch den Begriff ersetzt Nukleinsäure. 1924 entwickelte R. Felgen ein Verfahren zur zytologischen Erkennung von Nukleinsäuren durch ihre spezifische Färbung und zeigte, dass DNA im Zellkern und RNA im Zytoplasma lokalisiert ist. 1936 A.N. Belozersky und I.I. Dubrovskaya isolierte reine DNA aus den Kernen von Pflanzenzellen. Bis Anfang der 1930er Jahre. Die grundlegenden chemischen Prinzipien der Struktur von Nukleinsäurezuckern wurden aufgeklärt, und 1953 wurde ein Strukturmodell der DNA erstellt.

Die Hauptstruktureinheit von Nukleinsäuren ist Nukleotid, das aus drei chemisch unterschiedlichen Teilen besteht, die durch kovalente Bindungen verbunden sind (Abb. 5.2).

Reis. 5.2. Strukturformeln: ein- Nukleotide; B- DNS; v- RNA (siehe auch S. 110)

Reis. 5.2. Ende. Strukturformeln: ein- Nukleotide; 6 - DNS; v- RNS

Der erste Teil ist ein Zucker mit fünf Kohlenstoffatomen: Desoxyribose in DNA und Ribose in RNA.

Der zweite Teil des Nukleotids - eine stickstoffhaltige Purin- oder Pyrimidinbase, die kovalent an das erste Kohlenstoffatom des Zuckers gebunden ist, bildet eine Struktur namens Nukleosid. DNA enthält Purinbasen - Adenin(A) und Guanin(D) - und Pyrimidinbasen - Thymin(T) und Cytosin(C). Die entsprechenden Nukleoside heißen Desoxyadenosin, Desoxyguanosin, Desoxythymidin und Desoxycytidin. RNA enthält die gleichen Purinbasen wie DNA, die Pyrimidinbase Cytosin, und anstelle von Thymin enthält es Uracil(U); die entsprechenden Nukleoside heißen Adenosin, Guanosin, Uridin und Cytidin.

Der dritte Teil des Nukleotids ist eine Phosphatgruppe, die benachbarte Nukleoside durch Phosphodiesterbindungen zwischen dem 5-Kohlenstoffatom eines Zuckers und dem 3"-Kohlenstoffatom eines anderen zu einer Polymerkette verbindet (Abb. 5.2, b, v). Nukleotide werden Nukleoside mit einer oder mehreren Phosphatgruppen genannt, die durch Esterbindungen an die 3"- oder 5-Kohlenstoffatome des Zuckers gebunden sind. Die Nukleotidsynthese geht der Synthese von Nukleinsäuren voraus, Nukleotide sind Produkte der chemischen oder enzymatischen Hydrolyse von Nukleinsäuren.

Nukleinsäuren sind sehr lange Polymerketten, die aus Mononukleotiden bestehen, die durch 5- und 3'-Phosphodiesterbindungen verbunden sind. Ein intaktes DNA-Molekül enthält je nach Art des Organismus mehrere tausend bis viele Millionen Nukleotide, ein intaktes RNA-Molekül - 100 bis 100.000 oder mehr Nukleotide.

Die Ergebnisse von Analysen der Nukleotidzusammensetzung von DNA verschiedener Arten durch E. Chargaff zeigten, dass das molekulare Verhältnis verschiedener stickstoffhaltiger Basen - Adenin, Guanin, Thymin, Cytosin - stark variiert. Damit war bewiesen, dass DNA keineswegs ein monotones Polymer aus identischen Tetranukleotiden ist, wie noch in den 1940er Jahren angenommen wurde. XX Jahrhunderten besteht und dass es die für die Erhaltung und Weitergabe der Erbinformation notwendige Komplexität in Form einer bestimmten Abfolge von Nukleotidbasen vollständig besitzt.

Die Forschung von E. Chargaff offenbarte auch ein Merkmal, das allen DNA-Molekülen eigen ist: Der molare Gehalt an Adenin ist gleich dem Gehalt an Thymin, und der molare Gehalt an Guanin ist gleich dem Gehalt an Cytosin. Diese Gleichheiten werden als Chargaffsche Äquivalenzregel bezeichnet: [A] = [T], [G] = [C]; die Anzahl der Purine ist gleich der Anzahl der Pyrimidine. Je nach Art ändert sich nur das Verhältnis ([A] + [T]) / ([G] + [C]) (Tab. 5.1).

	Die Zusammensetzung der Basen	Attitüde	Asymmetrie
		Gründe	Asymmetrie
			(A + T)/(G + C)
Tiere



Schildkröte

Seekrabbe
Seeigel

Pflanzen, Pilze
Weizenkeim

Pilz Aspergillus niger
Bakterien
Escherichia coli
Staphylococcus aureus
Clostridium perfringens
Brucela abortus
Sarcina lutea
Bakteriophagen


FH 174 (virale Form)
FH 174 (Replikatform)

Das Basisverhältnis wird aufgerufen Nukleotid(Spezifisch) Spezifität. In Chargaffs Entdeckung wurde ein wichtiges Strukturmerkmal der DNA formuliert, das sich später im Strukturmodell der DNA von J. Watson und F. Crick (1953) widerspiegelte, das tatsächlich zeigte, dass die Regeln von Chargaff keine Beschränkungen für die mögliche Anzahl auferlegen von Kombinationen verschiedener Basensequenzen, die DNA-Moleküle bilden können.

Die Position zur Nukleotidspezifität bildete die Grundlage für einen neuen Zweig der Biologie - Gen Systematik, das durch den Vergleich der Zusammensetzung und Struktur von Nukleinsäuren funktioniert, um ein natürliches System von Organismen aufzubauen.

Nach dem Watson-Crick-Modell besteht ein DNA-Molekül aus zwei Polynukleotidketten (Stränge, Stränge), die durch quer verlaufende Wasserstoffbrückenbindungen zwischen stickstoffhaltigen Basen nach dem Komplementärprinzip miteinander verbunden sind (Adenin einer Kette ist durch zwei Wasserstoffbrückenbindungen mit Thymin verbunden der entgegengesetzten Kette, und Guanin und Cytosin verschiedener Ketten sind durch drei Wasserstoffbrückenbindungen miteinander verbunden). In diesem Fall sind zwei Polynukleotidketten eines Moleküls antiparallel, d.h. gegenüber dem 3"-Ende der einen Kette liegt das 5"-Ende der anderen Kette und umgekehrt (Abb. 5.3). Allerdings ist bei den aktuellen Daten zu beachten, dass das Erbgut einiger Viren durch einzelsträngige (einzelsträngige) DNA-Moleküle repräsentiert wird. Basierend auf den Daten der Röntgenbeugungsanalyse von DNA schlossen J. Watson und F. Crick auch, dass sein doppelsträngiges Molekül eine Sekundärstruktur in Form einer Spirale hat, die in der Richtung von links nach rechts verdreht ist, was später wurde als 5-Form bekannt (Abb. 5.4). Bisher wurde nachgewiesen, dass neben der häufigsten 5-Form auch DNA-Abschnitte nachgewiesen werden können, die eine andere Konfiguration haben - als rechtshändige (Formen EIN, C) und von rechts nach links verdreht (linkshändig oder Z-förmig) (Abb. 5.4). Es gibt gewisse Unterschiede zwischen diesen Formen der Sekundärstruktur der DNA (Tabelle 5.2). So ist beispielsweise der Abstand zwischen zwei benachbarten Paaren stickstoffhaltiger Basen in einer doppelsträngigen Helix, ausgedrückt in Nanometern (nm), für die 5-Form und die Z-Form durch unterschiedliche Werte gekennzeichnet (0,34 und 0,38 nm, bzw). Auf Abb. 5.5 zeigt moderne dreidimensionale Modelle von „linkshändigen“ und „rechtshändigen“ DNA-Formen.

Reis. 5.3. schematische Darstellung der Primärstruktur eines Fragments eines doppelsträngigen DNA-Moleküls: A - Adenin; G - Guanin; T - Thymin; C - Cytosin

Reis. 5.4.

Tabelle 5.2

Eigenschaften verschiedener Formen von DNA-Doppelhelixen

RNA-Moleküle werden je nach ihren strukturellen und funktionellen Merkmalen in verschiedene Typen unterteilt: Informations- (Matrix-) RNA (mRNA oder mRNA), ribosomale RNA (rRNA), Transfer-RNA (tRNA), kleine Kern-RNA (snRNA) usw. Im Gegensatz zur DNA sind RNA-Moleküle immer einzelsträngig (Single-Stranded). Sie können jedoch aufgrund der komplementären Verbindung einzelner Abschnitte einer solchen Kette, basierend auf der Wechselwirkung komplementärer stickstoffhaltiger Basen (A-U und G-C), komplexere (sekundäre) Konfigurationen bilden. Betrachten Sie als Beispiel die Kleeblattkonfiguration für das Phenylalanin-Transfer-RNA-Molekül (Abb. 5.6).

Reis. 5.6.

1953 schlugen D. Watson und F. Crick ein Modell der DNA-Struktur vor, das auf den folgenden Postulaten basierte:

1. DNA ist ein Polymer, das aus Nukleotiden besteht, die durch 3"- und 5"-Phosphodiesterbindungen verbunden sind.
2. Die Zusammensetzung von DNA-Nukleotiden gehorcht den Regeln von Chargaff.
3. Das DNA-Molekül hat eine Doppelhelixstruktur, die einer Wendeltreppe ähnelt, wie durch Röntgenstrahlenmuster von DNA-Strängen belegt wird, die zuerst von M. Wilkins und R. Franklin erhalten wurden.
4. Die Struktur des Polymers, wie durch Säure-Base-Titration nativer (natürlicher) DNA gezeigt, wird durch Wasserstoffbrückenbindungen stabilisiert. Die Titration und Erwärmung nativer DNA bewirkt eine merkliche Änderung ihrer physikalischen Eigenschaften, insbesondere der Viskosität, indem sie in eine denaturierte Form umgewandelt wird und kovalente Bindungen nicht zerstört werden.

Inhalt

Die Abkürzung zelluläre DNA ist vielen aus dem Schulbiologiekurs geläufig, aber nur wenige können leicht beantworten, was es damit auf sich hat. Nur eine vage Vorstellung von Vererbung und Genetik bleibt unmittelbar nach dem Abschluss im Gedächtnis. Zu wissen, was DNA ist, welche Auswirkungen sie auf unser Leben hat, kann manchmal sehr notwendig sein.

DNA-Molekül

Biochemiker unterscheiden drei Arten von Makromolekülen: DNA, RNA und Proteine. Desoxyribonukleinsäure ist ein Biopolymer, das dafür verantwortlich ist, Daten über Erbanlagen, Merkmale und die Entwicklung einer Art von Generation zu Generation weiterzugeben. Sein Monomer ist ein Nukleotid. Was sind DNA-Moleküle? Es ist der Hauptbestandteil der Chromosomen und enthält den genetischen Code.

DNA-Struktur

Zuvor stellten sich Wissenschaftler vor, dass das DNA-Strukturmodell periodisch ist, wobei sich die gleichen Gruppen von Nukleotiden (Kombinationen von Phosphat- und Zuckermolekülen) wiederholen. Eine bestimmte Kombination von Nukleotidsequenzen bietet die Möglichkeit, Informationen zu "kodieren". Dank der Forschung stellte sich heraus, dass die Struktur verschiedener Organismen unterschiedlich ist.

Die amerikanischen Wissenschaftler Alexander Rich, David Davis und Gary Felsenfeld sind besonders berühmt dafür, die Frage zu untersuchen, was DNA ist. 1957 präsentierten sie eine Beschreibung einer Drei-Helix-Nukleinsäure. Nach 28 Jahren demonstrierte der Wissenschaftler Maxim Davidovich Frank-Kamenitsky, wie die aus zwei Helices bestehende Desoxyribonukleinsäure zu einer H-förmigen Form aus 3 Strängen gefaltet wird.

Die Struktur der Desoxyribonukleinsäure ist doppelsträngig. Darin werden Nukleotide paarweise zu langen Polynukleotidketten verbunden. Diese Ketten ermöglichen durch Wasserstoffbrückenbindungen die Bildung einer Doppelhelix. Die Ausnahme bilden Viren mit einem einzelsträngigen Genom. Es gibt lineare DNA (einige Viren, Bakterien) und kreisförmige (Mitochondrien, Chloroplasten).

Zusammensetzung der DNA

Ohne zu wissen, woraus die DNA besteht, gäbe es in der Medizin keine Errungenschaften. Jedes Nukleotid besteht aus drei Teilen: einem Pentosezuckerrest, einer stickstoffhaltigen Base und einem Phosphorsäurerest. Basierend auf den Eigenschaften der Verbindung können Säuren als Desoxyribonukleinsäure oder Ribonukleinsäure bezeichnet werden. DNA enthält eine große Anzahl von Mononukleotiden aus zwei Basen: Cytosin und Thymin. Außerdem enthält es Pyrimidinderivate, Adenin und Guanin.

Es gibt eine Definition von DNA in der Biologie - Junk-DNA. Seine Funktion ist noch unbekannt. Eine alternative Version des Namens ist „non-coding“, was nicht stimmt, weil es enthält kodierende Proteine, Transposons, aber auch ihr Zweck ist ein Rätsel. Eine der Arbeitshypothesen besagt, dass eine gewisse Menge dieses Makromoleküls zur strukturellen Stabilisierung des Genoms gegenüber Mutationen beiträgt.

Wo ist

Die Lage innerhalb der Zelle hängt von den Eigenschaften der Art ab. Bei Einzellern befindet sich die DNA in der Membran. Bei anderen Lebewesen befindet es sich im Zellkern, in den Plastiden und in den Mitochondrien. Wenn wir von menschlicher DNA sprechen, dann spricht man von einem Chromosom. Das ist zwar nicht ganz richtig, denn Chromosomen sind ein Komplex aus Chromatin und Desoxyribonukleinsäure.

Rolle im Käfig

Die Hauptaufgabe der DNA in Zellen ist die Übertragung erblicher Gene und das Überleben zukünftiger Generationen. Nicht nur die äußeren Daten des zukünftigen Individuums, sondern auch sein Charakter und seine Gesundheit hängen davon ab. Desoxyribonukleinsäure befindet sich in einem superspiralisierten Zustand, aber für einen qualitativ hochwertigen Prozess muss sie aufgedreht werden. Dabei helfen ihr Enzyme - Topoisomerasen und Helikasen.

Topoisomerasen sind Nukleasen, sie können den Grad der Verdrillung verändern. Eine weitere ihrer Funktionen ist die Teilnahme an Transkription und Replikation (Zellteilung). Helikasen brechen Wasserstoffbrückenbindungen zwischen Basen. Es gibt Ligaseenzyme, die gebrochene Bindungen „vernetzen“, und Polymerasen, die an der Synthese neuer Polynukleotidketten beteiligt sind.

Wie die DNA entschlüsselt wird

Diese Abkürzung für Biologie ist bekannt. Der vollständige Name der DNA lautet Desoxyribonukleinsäure. Das kann nicht jeder beim ersten Mal sagen, daher wird die DNA-Entschlüsselung in der Rede oft weggelassen. Es gibt auch das Konzept der RNA - Ribonukleinsäure, die aus Sequenzen von Aminosäuren in Proteinen besteht. Sie sind direkt miteinander verbunden, wobei RNA das zweitwichtigste Makromolekül ist.

Menschliche DNA

Die menschlichen Chromosomen im Zellkern sind getrennt, was die menschliche DNA zum stabilsten und vollständigsten Informationsträger macht. Bei der genetischen Rekombination werden die Helices getrennt, Stellen ausgetauscht und dann die Verbindung wiederhergestellt. Aufgrund von DNA-Schäden werden neue Kombinationen und Muster gebildet. Der gesamte Mechanismus fördert die natürliche Auslese. Es ist noch unbekannt, wie lange sie für die Übertragung des Genoms verantwortlich ist und wie ihre metabolische Evolution verläuft.

Wer entdeckte

Die erste Entdeckung der DNA-Struktur wird den englischen Biologen James Watson und Francis Crick zugeschrieben, die 1953 die strukturellen Merkmale des Moleküls enthüllten. Gefunden hat es 1869 der Schweizer Arzt Friedrich Miescher. Er untersuchte die chemische Zusammensetzung tierischer Zellen mit Hilfe von Leukozyten, die sich massiv in eitrigen Läsionen ansammeln.

Misher untersuchte Möglichkeiten, Leukozyten, isolierte Proteine, zu waschen, als er entdeckte, dass es außer ihnen noch etwas anderes gab. Während der Verarbeitung bildete sich am Boden des Geschirrs ein flockiger Bodensatz. Nachdem er diese Ablagerungen unter dem Mikroskop untersucht hatte, entdeckte der junge Arzt die Kerne, die nach der Behandlung mit Salzsäure zurückblieben. Es enthielt eine Verbindung, die Friedrich Nuclein (vom lateinischen Nukleus - Kern) nannte.

MOSKAU, 25. April – RIA Nowosti, Tatjana Pichugina. Vor genau 65 Jahren veröffentlichten die britischen Wissenschaftler James Watson und Francis Crick einen Artikel über die Entschlüsselung der DNA-Struktur und legten damit den Grundstein für eine neue Wissenschaft – die Molekularbiologie. Diese Entdeckung hat viel im Leben der Menschheit verändert. RIA Novosti spricht über die Eigenschaften des DNA-Moleküls und warum es so wichtig ist.

In der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts war die Biologie eine sehr junge Wissenschaft. Wissenschaftler fingen gerade an, die Zelle zu untersuchen, und das Konzept der Vererbung, obwohl bereits von Gregor Mendel formuliert, wurde nicht allgemein akzeptiert.

Im Frühjahr 1868 kam ein junger Schweizer Arzt, Friedrich Miescher, an die Universität Tübingen (Deutschland), um wissenschaftlich zu arbeiten. Er wollte herausfinden, aus welchen Stoffen die Zelle besteht. Für Experimente wählte ich Leukozyten, die leicht aus Eiter gewonnen werden können.

Misher trennte den Kern von Protoplasma, Proteinen und Fetten und entdeckte eine Verbindung mit einem hohen Phosphorgehalt. Er nannte dieses Molekül Nuclein ("Kern" auf Latein - Kern).

Diese Verbindung zeigte saure Eigenschaften, daher wurde der Begriff "Nucleinsäure" geprägt. Sein Präfix „Desoxyribo“ bedeutet, dass das Molekül H-Gruppen und Zucker enthält. Dann stellte sich heraus, dass es sich tatsächlich um Salz handelt, aber der Name wurde nicht geändert.

Bereits zu Beginn des 20. Jahrhunderts wussten Wissenschaftler, dass Nuclein ein Polymer ist (d. h. ein sehr langes, flexibles Molekül aus sich wiederholenden Einheiten), die Einheiten bestehen aus vier stickstoffhaltigen Basen (Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin) und Nuclein ist in Chromosomen enthalten – kompakten Strukturen, die in sich teilenden Zellen vorkommen. Ihre Fähigkeit, Erbanlagen zu übertragen, wurde von dem amerikanischen Genetiker Thomas Morgan in Experimenten an Drosophila nachgewiesen.

Das Modell, das Gene erklärt

Doch was Desoxyribonukleinsäure, kurz DNA, im Zellkern macht, war lange Zeit nicht verstanden. Es wurde angenommen, dass es eine strukturelle Rolle in den Chromosomen spielt. Die Einheiten der Vererbung – Gene – wurden der Proteinnatur zugeschrieben. Der Durchbruch gelang dem amerikanischen Forscher Oswald Avery, der experimentell bewies, dass genetisches Material von Bakterium zu Bakterium durch DNA übertragen wird.

Es wurde klar, dass die DNA untersucht werden musste. Aber wie? Damals stand den Wissenschaftlern nur Röntgenstrahlen zur Verfügung. Um durch biologische Moleküle hindurchzuscheinen, mussten sie kristallisiert werden, was schwierig ist. Die Entschlüsselung der Struktur von Proteinmolekülen anhand von Röntgenbildern wurde am Cavendish Laboratory (Cambridge, UK) durchgeführt. Die jungen Forscher James Watson und Francis Crick, die dort arbeiteten, hatten keine eigenen experimentellen Daten zur DNA, also verwendeten sie Röntgenbilder von Maurice Wilkins und Rosalind Franklin, Kollegen am King's College.

Watson und Crick schlugen ein Modell der DNA-Struktur vor, das genau mit Röntgenmustern übereinstimmt: Zwei parallele Stränge sind zu einer rechtsgängigen Helix verdrillt. Jede Kette besteht aus einem willkürlichen Satz stickstoffhaltiger Basen, die an einem Rückgrat aus ihren Zuckern und Phosphaten aneinandergereiht sind und durch Wasserstoffbrücken zwischen den Basen zusammengehalten werden. Außerdem verbindet sich Adenin nur mit Thymin und Guanin mit Cytosin. Diese Regel wird als Prinzip der Komplementarität bezeichnet.

Das Modell von Watson und Crick erklärte die vier Hauptfunktionen der DNA: die Replikation von genetischem Material, ihre Spezifität, die Speicherung von Informationen in einem Molekül und ihre Fähigkeit zur Mutation.

Die Wissenschaftler veröffentlichten ihre Entdeckung am 25. April 1953 in der Zeitschrift Nature. Zehn Jahre später erhielten sie zusammen mit Maurice Wilkins den Nobelpreis für Biologie (Rosalind Franklin starb 1958 im Alter von 37 Jahren an Krebs).

„Heute, mehr als ein halbes Jahrhundert später, kann festgestellt werden, dass die Entdeckung der DNA-Struktur in der Entwicklung der Biologie die gleiche Rolle spielte wie die Entdeckung des Atomkerns in der Physik, die zur Aufklärung der Struktur des Atoms führte die Geburt einer neuen Quantenphysik und die Entdeckung der DNA-Struktur führten zur Geburt einer neuen Molekularbiologie“, schreibt Maxim Frank-Kamenetsky, ein herausragender Genetiker, DNA-Forscher, Autor des Buches „The Most Important Molekül".

Genetischer Code

Nun galt es herauszufinden, wie dieses Molekül funktioniert. Es war bekannt, dass DNA Anweisungen für die Synthese von Zellproteinen enthält, die die ganze Arbeit in der Zelle erledigen. Proteine sind Polymere, die aus sich wiederholenden Sätzen (Sequenzen) von Aminosäuren bestehen. Außerdem gibt es nur zwanzig Aminosäuren. Tierarten unterscheiden sich in der Zusammensetzung der Proteine in den Zellen, also in unterschiedlichen Aminosäuresequenzen. Die Genetik argumentierte, dass diese Sequenzen von Genen festgelegt werden, die, wie man damals glaubte, als die ersten Bausteine des Lebens dienen. Aber was Gene sind, wusste niemand wirklich.

Clarity wurde vom Autor der Theorie des Urknalls, dem Physiker Georgy Gamov, einem Mitarbeiter der George Washington University (USA), eingeführt. Basierend auf dem doppelsträngigen DNA-Helix-Modell von Watson und Crick schlug er vor, dass ein Gen ein Abschnitt der DNA ist, dh eine bestimmte Sequenz von Verknüpfungen - Nukleotiden. Da jedes Nukleotid eine der vier stickstoffhaltigen Basen ist, muss man nur herausfinden, wie vier Elemente für zwanzig kodieren. Das war die Idee hinter dem genetischen Code.

In den frühen 1960er Jahren wurde festgestellt, dass Proteine aus Aminosäuren in Ribosomen synthetisiert werden - einer Art "Fabrik" innerhalb der Zelle. Um die Proteinsynthese zu starten, nähert sich ein Enzym der DNA, erkennt einen bestimmten Bereich am Anfang eines Gens, synthetisiert eine Kopie des Gens in Form einer kleinen RNA (sie wird Matrix genannt), dann wird ein Protein aus Aminosäuren hinein gezüchtet das Ribosom.

Sie fanden auch heraus, dass der genetische Code aus drei Buchstaben besteht. Das bedeutet, dass drei Nukleotide einer Aminosäure entsprechen. Die Codeeinheit wird Codon genannt. Im Ribosom werden Informationen von mRNA Codon für Codon sequentiell gelesen. Und jeder von ihnen entspricht mehreren Aminosäuren. Wie sieht die Chiffre aus?

Diese Frage beantworteten Marshall Nirenberg und Heinrich Mattei aus den USA. 1961 berichteten sie erstmals über ihre Ergebnisse auf einem biochemischen Kongress in Moskau. Bis 1967 war der genetische Code vollständig entschlüsselt. Es erwies sich als universell für alle Zellen aller Organismen, was weitreichende Konsequenzen für die Wissenschaft hatte.

Die Entdeckung der Struktur der DNA und des genetischen Codes hat die biologische Forschung völlig neu ausgerichtet. Die Tatsache, dass jedes Individuum eine einzigartige DNA-Sequenz hat, hat die forensische Wissenschaft dramatisch verändert. Die Entschlüsselung des menschlichen Genoms hat Anthropologen eine völlig neue Möglichkeit gegeben, die Evolution unserer Spezies zu untersuchen. Der kürzlich erfundene CRISPR-Cas-DNA-Editor hat die Gentechnik stark vorangebracht. Offenbar speichert dieses Molekül auch die Lösung für die drängendsten Probleme der Menschheit: Krebs, Erbkrankheiten, Alterung.

Nukleinsäuren sind makromolekulare Substanzen, die aus Mononukleotiden bestehen, die über 3",5"-Phosphodiesterbindungen in einer Polymerkette miteinander verbunden und auf bestimmte Weise in Zellen verpackt sind.

Nukleinsäuren sind Biopolymere zweier Arten: Ribonukleinsäure (RNA) und Desoxyribonukleinsäure (DNA). Jedes Biopolymer besteht aus Nukleotiden, die sich im Kohlenhydratrest (Ribose, Desoxyribose) und einer der stickstoffhaltigen Basen (Uracil, Thymin) unterscheiden. Dementsprechend erhielten Nukleinsäuren ihren Namen.

Struktur der Desoxyribonukleinsäure

Nukleinsäuren haben Primär-, Sekundär- und Tertiärstrukturen.

Primärstruktur der DNA

Die Primärstruktur der DNA ist eine lineare Polynukleotidkette, in der die Mononukleotide durch 3"-5"-Phosphodiesterbindungen verbunden sind. Ausgangsmaterial für den Aufbau einer Nukleinsäurekette in einer Zelle ist das Nukleosid 5'-Triphosphat, das durch die Entfernung von β- und γ-Resten der Phosphorsäure in der Lage ist, das 3'-Kohlenstoffatom eines anderen Nukleosids anzulagern . Somit bindet das 3"-Kohlenstoffatom einer Desoxyribose über einen Phosphorsäurerest kovalent an das 5"-Kohlenstoffatom einer anderen Desoxyribose und bildet eine lineare Nukleinsäure-Polynukleotidkette. Daher der Name: 3", 5"-Phosphodiesterbindungen. Stickstoffbasen nehmen nicht an der Verbindung von Nukleotiden einer Kette teil (Abb. 1.).

Eine solche Verbindung zwischen dem Phosphorsäuremolekül eines Nukleotids und dem Kohlenhydrat eines anderen führt zur Bildung eines Pentose-Phosphat-Rückgrats des Polynukleotidmoleküls, an das nacheinander von der Seite stickstoffhaltige Basen angefügt werden. Ihre Abfolge in den Ketten von Nukleinsäuremolekülen ist streng spezifisch für Zellen verschiedener Organismen, d.h. einen bestimmten Charakter hat (Chargaffsche Regel).

Eine lineare DNA-Kette, deren Länge von der Anzahl der in der Kette enthaltenen Nukleotide abhängt, hat zwei Enden: eines wird als 3"-Ende bezeichnet und enthält ein freies Hydroxyl, und das andere, das 5"-Ende, enthält eine Phosphorsäure Rückstand. Die Schaltung ist polar und kann 5"->3" und 3"->5" sein. Eine Ausnahme ist zirkuläre DNA.

Der genetische „Text“ der DNA besteht aus Code-„Wörtern“ – Tripletts von Nukleotiden, die Codons genannt werden. DNA-Segmente, die Informationen über die Primärstruktur aller Arten von RNA enthalten, werden als Strukturgene bezeichnet.

Polynukleoditische DNA-Ketten erreichen gigantische Größen, sodass sie in der Zelle auf bestimmte Weise verpackt werden.

Beim Studium der DNA-Zusammensetzung stellte Chargaff (1949) wichtige Regelmäßigkeiten bezüglich des Inhalts einzelner DNA-Basen fest. Sie halfen dabei, die Sekundärstruktur der DNA aufzudecken. Diese Muster werden Chargaff-Regeln genannt.

Chargaff-Regeln

die Summe der Purinnukleotide ist gleich der Summe der Pyrimidinnukleotide, d. H. A + G / C + T \u003d 1
der Gehalt an Adenin ist gleich dem Gehalt an Thymin (A = T oder A / T = 1);
der Gehalt an Guanin ist gleich dem Gehalt an Cytosin (G = C oder G/C = 1);
die Anzahl der 6-Aminogruppen ist gleich der Anzahl der 6-Ketogruppen der in der DNA enthaltenen Basen: G + T = A + C;
nur die Summe von A + T und G + C ist variabel.Wenn A + T > G-C, dann ist dies der AT-Typ von DNA; wenn G + C > A + T, dann ist dies der GC-Typ der DNA.

Diese Regeln besagen, dass beim Aufbau von DNA eine ziemlich strenge Übereinstimmung (Paarung) nicht für Purin- und Pyrimidinbasen im Allgemeinen, sondern speziell für Thymin mit Adenin und Cytosin mit Guanin eingehalten werden muss.

Unter anderem auf der Grundlage dieser Regeln schlugen Watson und Crick 1953 ein Modell der Sekundärstruktur der DNA vor, die sogenannte Doppelhelix (Abb.).

Sekundärstruktur der DNA

Die Sekundärstruktur der DNA ist eine Doppelhelix, deren Modell 1953 von D. Watson und F. Crick vorgeschlagen wurde.

Voraussetzungen für die Erstellung eines DNA-Modells

Als Ergebnis erster Analysen war die Idee, dass DNA jeglicher Herkunft alle vier Nukleotide in gleicher molarer Menge enthält. In den 1940er Jahren zeigten E. Chargaff und seine Kollegen jedoch anhand der Analyse von DNA, die aus verschiedenen Organismen isoliert wurde, eindeutig, dass stickstoffhaltige Basen in verschiedenen Mengenverhältnissen in ihnen enthalten sind. Chargaff fand heraus, dass, obwohl diese Verhältnisse für DNA aus allen Zellen derselben Organismenart gleich sind, sich DNA aus verschiedenen Arten im Gehalt bestimmter Nukleotide deutlich unterscheiden kann. Dies legte nahe, dass die Unterschiede im Verhältnis der stickstoffhaltigen Basen mit einem biologischen Code zusammenhängen könnten. Obwohl das Verhältnis einzelner Purin- und Pyrimidinbasen in verschiedenen DNA-Proben nicht gleich war, zeigte sich beim Vergleich der Analyseergebnisse ein bestimmtes Muster: In allen Proben war die Gesamtmenge an Purinen gleich der Gesamtmenge an Pyrimidinen ( A + G = T + C), die Menge an Adenin war gleich der Menge an Thymin (A = T) und die Menge an Guanin - die Menge an Cytosin (G = C). Aus Säugetierzellen isolierte DNA war im Allgemeinen reicher an Adenin und Thymin und relativ ärmer an Guanin und Cytosin, während DNA aus Bakterien reicher an Guanin und Cytosin und relativ ärmer an Adenin und Thymin war. Diese Daten bildeten einen wichtigen Teil des Faktenmaterials, auf dessen Grundlage später das DNA-Strukturmodell von Watson-Crick aufgebaut wurde.

Ein weiterer wichtiger indirekter Hinweis auf die mögliche Struktur der DNA waren L. Paulings Daten über die Struktur von Proteinmolekülen. Pauling zeigte, dass in einem Proteinmolekül mehrere unterschiedliche stabile Konfigurationen der Aminosäurekette möglich sind. Eine der üblichen Konfigurationen der Peptidkette – α-Helix – ist eine regelmäßige helikale Struktur. Mit einer solchen Struktur ist die Bildung von Wasserstoffbindungen zwischen Aminosäuren möglich, die sich auf benachbarten Windungen der Kette befinden. Pauling beschrieb 1950 die α-helikale Konfiguration der Polypeptidkette und schlug vor, dass DNA-Moleküle wahrscheinlich auch eine helikale Struktur haben, die durch Wasserstoffbrückenbindungen fixiert ist.

Die wertvollsten Informationen über die Struktur des DNA-Moleküls lieferten jedoch die Ergebnisse der Röntgenbeugungsanalyse. Röntgenstrahlen, die einen DNA-Kristall passieren, unterliegen einer Beugung, das heißt, sie werden in bestimmte Richtungen abgelenkt. Grad und Art der Ablenkung der Strahlen hängen von der Struktur der Moleküle selbst ab. Das Röntgenbeugungsmuster (Abb. 3) gibt dem erfahrenen Auge eine Reihe indirekter Hinweise auf die Struktur der Moleküle der untersuchten Substanz. Die Analyse von DNA-Röntgenbeugungsmustern führte zu dem Schluss, dass die stickstoffhaltigen Basen (mit einer flachen Form) wie ein Plattenstapel gestapelt sind. Röntgenmuster ermöglichten es, drei Hauptperioden in der Struktur kristalliner DNA zu identifizieren: 0,34, 2 und 3,4 nm.

Watson-Crick-DNA-Modell

Ausgehend von den analytischen Daten von Chargaff, den Röntgenstrahlen von Wilkins und der Forschung von Chemikern, die Informationen über die genauen Abstände zwischen Atomen in einem Molekül, über die Winkel zwischen den Bindungen eines bestimmten Atoms und über die Größe von Atomen lieferten, Watson und Crick begannen, physikalische Modelle einzelner Bestandteile des DNA-Moleküls in einem bestimmten Maßstab zu bauen und sie so aneinander „anzupassen“, dass das resultierende System verschiedenen experimentellen Daten entspricht [zeigen] .

Schon früher war bekannt, dass benachbarte Nukleotide in einer DNA-Kette durch Phosphodiesterbrücken verbunden sind, die das 5'-Kohlenstoffatom der Desoxyribose eines Nukleotids mit dem 3'-Kohlenstoffatom der Desoxyribose des nächsten Nukleotids verbinden. Watson und Crick hatten keinen Zweifel daran, dass eine Periode von 0,34 nm dem Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Nukleotiden in einem DNA-Strang entspricht. Weiterhin könnte angenommen werden, dass die Periode von 2 nm der Dicke der Kette entspricht. Und um zu erklären, welche reale Struktur einer Periode von 3,4 nm entspricht, gingen Watson und Crick sowie zuvor Pauling davon aus, dass die Kette spiralförmig verdreht ist (oder genauer gesagt eine Helix bildet, da die Spirale im engeren Sinne erhält man das Wort, wenn die Windungen eher eine konische als eine zylindrische Fläche im Raum bilden). Dann entspricht die Periode von 3,4 nm dem Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Windungen dieser Spirale. Eine solche Spirale kann sehr dicht oder etwas gestreckt sein, d. h. ihre Windungen können flach oder steil sein. Da die Periode von 3,4 nm genau das 10-fache des Abstands zwischen aufeinanderfolgenden Nukleotiden (0,34 nm) ist, ist klar, dass jede vollständige Windung der Helix 10 Nukleotide enthält. Aus diesen Daten konnten Watson und Crick die Dichte einer Polynukleotidkette berechnen, die zu einer Helix mit einem Durchmesser von 2 nm mit einem Abstand zwischen den Windungen von 3,4 nm verdreht ist. Es stellte sich heraus, dass ein solcher Strang die Hälfte der bereits bekannten DNA-Dichte hätte. Ich musste annehmen, dass das DNA-Molekül aus zwei Ketten besteht – dass es eine Doppelhelix aus Nukleotiden ist.

Die nächste Aufgabe bestand natürlich darin, die räumliche Beziehung zwischen den beiden Strängen, die die Doppelhelix bilden, aufzuklären. Nachdem Watson und Crick eine Reihe von Varianten der Anordnung von Ketten an ihrem physikalischen Modell ausprobiert hatten, fanden sie heraus, dass die beste Anpassung für alle verfügbaren Daten eine ist, bei der zwei Polynukleotidhelices in entgegengesetzte Richtungen gehen; in diesem Fall bilden Ketten aus Zucker- und Phosphatresten die Oberfläche einer Doppelhelix, in deren Inneren sich Purine und Pyrimidine befinden. Die einander gegenüberliegenden Basen, die zu zwei Ketten gehören, sind paarweise durch Wasserstoffbrückenbindungen verbunden; Diese Wasserstoffbrückenbindungen halten die Ketten zusammen und fixieren so die Gesamtkonfiguration des Moleküls.

Die DNA-Doppelhelix kann man sich als spiralförmige Strickleiter vorstellen, bei der die Sprossen horizontal bleiben. Dann entsprechen zwei Längsstränge Ketten aus Zucker- und Phosphatresten, und die Querbalken entsprechen Paaren stickstoffhaltiger Basen, die durch Wasserstoffbrückenbindungen verbunden sind.

Als Ergebnis weiterer Untersuchungen möglicher Modelle kamen Watson und Crick zu dem Schluss, dass jeder „Querbalken“ aus einem Purin und einem Pyrimidin bestehen sollte; bei einer Periode von 2 nm (entspricht dem Durchmesser der Doppelhelix) wäre nicht genug Platz für zwei Purine, und die beiden Pyrimidine könnten nicht nahe genug beieinander sein, um richtige Wasserstoffbrückenbindungen zu bilden. Eine eingehende Untersuchung des detaillierten Modells zeigte, dass Adenin und Cytosin, die eine Kombination der richtigen Größe bilden, immer noch nicht so angeordnet werden konnten, dass sich zwischen ihnen Wasserstoffbrückenbindungen bildeten. Ähnliche Berichte erzwangen auch den Ausschluss der Guanin-Thymin-Kombination, während die Kombinationen Adenin-Thymin und Guanin-Cytosin als durchaus akzeptabel befunden wurden. Die Natur von Wasserstoffbindungen ist so, dass Adenin mit Thymin und Guanin mit Cytosin paart. Dieses Konzept der spezifischen Basenpaarung ermöglichte die Erklärung der „Chargaff-Regel“, nach der in jedem DNA-Molekül die Menge an Adenin immer gleich dem Gehalt an Thymin und die Menge an Guanin immer gleich der Menge an Cytosin ist . Zwischen Adenin und Thymin bilden sich zwei Wasserstoffbrückenbindungen, zwischen Guanin und Cytosin drei. Aufgrund dieser Spezifität bei der Bildung von Wasserstoffbrückenbindungen gegen jedes Adenin in einer Kette befindet sich Thymin in der anderen; ebenso kann jedem Guanin nur Cytosin gegenübergestellt werden. Somit sind die Ketten zueinander komplementär, das heißt, die Sequenz der Nukleotide in einer Kette bestimmt eindeutig ihre Sequenz in der anderen. Die beiden Ketten laufen in entgegengesetzte Richtungen und ihre Phosphat-Endgruppen befinden sich an entgegengesetzten Enden der Doppelhelix.

Als Ergebnis ihrer Forschung schlugen Watson und Crick 1953 ein Modell für die Struktur des DNA-Moleküls vor (Abb. 3), das bis heute relevant ist. Nach dem Modell besteht ein DNA-Molekül aus zwei komplementären Polynukleotidketten. Jeder DNA-Strang ist ein Polynukleotid, das aus mehreren zehntausend Nukleotiden besteht. Darin bilden benachbarte Nukleotide aufgrund der Kombination eines Phosphorsäurerests und Desoxyribose durch eine starke kovalente Bindung ein regelmäßiges Pentose-Phosphat-Rückgrat. Die stickstoffhaltigen Basen einer Polynukleotidkette sind in einer streng definierten Reihenfolge gegenüber den stickstoffhaltigen Basen der anderen angeordnet. Der Wechsel stickstoffhaltiger Basen in der Polynukleotidkette ist unregelmäßig.

Die Anordnung stickstoffhaltiger Basen in der DNA-Kette ist komplementär (von griechisch „Komplement“ – Addition), d.h. gegen Adenin (A) ist immer Thymin (T) und gegen Guanin (G) - nur Cytosin (C). Dies erklärt sich dadurch, dass sowohl A und T als auch G und C streng einander entsprechen, d.h. ergänzen. Diese Entsprechung ist durch die chemische Struktur der Basen gegeben, die die Bildung von Wasserstoffbrückenbindungen in einem Paar aus Purin und Pyrimidin ermöglicht. Zwischen A und T gibt es zwei Bindungen, zwischen G und C - drei. Diese Bindungen sorgen für eine teilweise Stabilisierung des DNA-Moleküls im Raum. Die Stabilität der Doppelhelix ist direkt proportional zur Anzahl der G≡C-Bindungen, die stabiler sind als die A=T-Bindungen.

Die bekannte Sequenz von Nukleotiden in einem DNA-Strang ermöglicht es, durch das Prinzip der Komplementarität die Nukleotide eines anderen Strangs zu bestimmen.

Außerdem wurde festgestellt, dass sich stickstoffhaltige Basen mit aromatischer Struktur in einer wässrigen Lösung übereinander befinden und sozusagen einen Münzstapel bilden. Dieser Prozess der Bildung von Stapeln organischer Moleküle wird Stapeln genannt. Die Polynukleotidketten des DNA-Moleküls des betrachteten Watson-Crick-Modells haben einen ähnlichen physikalisch-chemischen Zustand, ihre stickstoffhaltigen Basen sind in Form eines Stapels von Münzen angeordnet, zwischen deren Ebenen Van-der-Waals-Wechselwirkungen (Stapelwechselwirkungen) auftreten.

Wasserstoffbrückenbindungen zwischen komplementären Basen (horizontal) und Stapelwechselwirkungen zwischen Basenebenen in einer Polynukleotidkette aufgrund von Van-der-Waals-Kräften (vertikal) verleihen dem DNA-Molekül eine zusätzliche Stabilisierung im Raum.

Die Zucker-Phosphat-Rückgrate beider Ketten sind nach außen gerichtet, und die Basen sind nach innen einander zugewandt. Die Richtung der Stränge in der DNA ist antiparallel (einer hat die Richtung 5"->3", der andere - 3"->5", dh das 3"-Ende eines Strangs liegt gegenüber dem 5"-Ende des anderen.). Die Ketten bilden rechte Schraubenlinien mit einer gemeinsamen Achse. Eine Windung der Helix beträgt 10 Nukleotide, die Größe der Windung beträgt 3,4 nm, die Höhe jedes Nukleotids beträgt 0,34 nm, der Durchmesser der Helix beträgt 2,0 nm. Durch die Drehung eines Stranges um den anderen entstehen in der DNA-Doppelhelix eine große Furche (ca. 20 Å Durchmesser) und eine kleine Furche (ca. 12 Å). Diese Form der Watson-Crick-Doppelhelix wurde später B-Form genannt. In Zellen liegt DNA normalerweise in der B-Form vor, die am stabilsten ist.

Funktionen der DNA

Das vorgeschlagene Modell erklärt viele der biologischen Eigenschaften der Desoxyribonukleinsäure, einschließlich der Speicherung genetischer Informationen und der Vielfalt von Genen, die durch eine Vielzahl von aufeinanderfolgenden Kombinationen von 4 Nukleotiden und die Tatsache der Existenz eines genetischen Codes die Fähigkeit zur Verfügung gestellt wird sich selbst reproduzieren und genetische Informationen übertragen, die durch den Replikationsprozess bereitgestellt werden, und die Umsetzung genetischer Informationen in Form von Proteinen sowie anderen Verbindungen, die mit Hilfe von Enzymproteinen gebildet werden.

Grundfunktionen der DNA.

Die DNA ist Träger der genetischen Information, die durch die Existenz des genetischen Codes sichergestellt ist.
Fortpflanzung und Weitergabe genetischer Information in Generationen von Zellen und Organismen. Diese Funktion wird durch den Replikationsprozess bereitgestellt.
Umsetzung genetischer Informationen in Form von Proteinen, sowie alle anderen Verbindungen, die mit Hilfe von Enzymproteinen gebildet werden. Diese Funktion wird durch die Prozesse der Transkription und Translation bereitgestellt.

Organisationsformen doppelsträngiger DNA

DNA kann mehrere Arten von Doppelhelixen bilden (Abb. 4). Derzeit sind bereits sechs Formen bekannt (von A- bis E- und Z-Form).

Strukturformen der DNA, wie sie von Rosalind Franklin festgestellt wurden, hängen von der Sättigung des Nukleinsäuremoleküls mit Wasser ab. Bei Untersuchungen von DNA-Fasern mittels Röntgenbeugungsanalyse wurde gezeigt, dass das Röntgenbeugungsmuster radikal davon abhängt, bei welcher relativen Feuchtigkeit, bei welchem Grad der Wassersättigung dieser Faser das Experiment stattfindet. Wenn die Faser ausreichend mit Wasser gesättigt war, wurde eine Röntgenaufnahme erhalten. Beim Trocknen erschien ein völlig anderes Röntgenmuster, das sich stark von dem Röntgenmuster einer Faser mit hohem Feuchtigkeitsgehalt unterscheidet.

Das Molekül der DNA mit hoher Feuchtigkeit wird als B-Form bezeichnet. Unter physiologischen Bedingungen (niedrige Salzkonzentration, hoher Hydratationsgrad) ist der dominante Strukturtyp der DNA die B-Form (die Hauptform der doppelsträngigen DNA ist das Watson-Crick-Modell). Die Helixsteigung eines solchen Moleküls beträgt 3,4 nm. Es gibt 10 komplementäre Paare pro Runde in Form von verdrehten Stapeln von "Münzen" - stickstoffhaltigen Basen. Die Stapel werden durch Wasserstoffbindungen zwischen zwei gegenüberliegenden "Münzen" der Stapel zusammengehalten und sind mit zwei Bändern des Phosphodiester-Rückgrats "gewunden", die zu einer rechtsgängigen Helix verdreht sind. Die Ebenen der stickstoffhaltigen Basen stehen senkrecht zur Helixachse. Benachbarte Komplementärpaare sind um 36° gegeneinander gedreht. Der Helixdurchmesser beträgt 20 Å, wobei das Purinnukleotid 12 Å einnimmt und das Pyrimidinnukleotid 8 Å einnimmt.

DNA-Moleküle mit geringerer Feuchtigkeit werden als A-Form bezeichnet. Die A-Form wird unter Bedingungen weniger hoher Hydratation und bei einem höheren Gehalt an Na + - oder K + -Ionen gebildet. Diese breitere rechtshändige Konformation hat 11 Basenpaare pro Windung. Die Ebenen stickstoffhaltiger Basen haben eine stärkere Neigung zur Helixachse, sie weichen von der Normalen zur Helixachse um 20° ab. Dies impliziert das Vorhandensein eines inneren Hohlraums mit einem Durchmesser von 5 Å. Der Abstand zwischen benachbarten Nukleotiden beträgt 0,23 nm, die Länge der Spule 2,5 nm und der Durchmesser der Helix 2,3 nm.

Anfangs hielt man die A-Form der DNA für weniger wichtig. Später stellte sich jedoch heraus, dass sowohl die A-Form der DNA als auch die B-Form von großer biologischer Bedeutung sind. Die RNA-DNA-Helix im Matrizen-Samen-Komplex hat die A-Form sowie die RNA-RNA-Helix und RNA-Haarnadelstrukturen (die 2'-Hydroxylgruppe der Ribose erlaubt es RNA-Molekülen nicht, die B-Form zu bilden) . Die A-Form der DNA kommt in Sporen vor. Es wurde festgestellt, dass die A-Form der DNA zehnmal widerstandsfähiger gegen UV-Strahlen ist als die B-Form.

Die A-Form und B-Form werden als kanonische Formen der DNA bezeichnet.

Formen C-E auch rechtshändig, ihre Bildung kann nur in speziellen Experimenten beobachtet werden, und anscheinend existieren sie nicht in vivo. Die C-Form der DNA hat eine ähnliche Struktur wie die B-DNA. Die Anzahl der Basenpaare pro Windung beträgt 9,33 und die Länge der Helix 3,1 nm. Die Basenpaare sind in einem Winkel von 8 Grad gegenüber der senkrechten Position zur Achse geneigt. Die Rillen haben eine ähnliche Größe wie die Rillen von B-DNA. In diesem Fall ist die Hauptrille etwas kleiner und die Nebenrille tiefer. Natürliche und synthetische DNA-Polynukleotide können in die C-Form übergehen.

Tabelle 1. Eigenschaften einiger Arten von DNA-Strukturen
Spiraltyp	EIN	B	Z
Spiralförmige Steigung	0,32 Nanometer	3,38 Nanometer	4,46 Nanometer
Spiraldrehung	Richtig	Richtig	Links
Anzahl der Basenpaare pro Umdrehung	11	10	12
Abstand zwischen Basisebenen	0,256 Nanometer	0,338 Nanometer	0,371 Nanometer
Glykosidische Bindungskonformation	Anti	Anti	Anti-C syn-G
Furanose-Ringkonformation	C3"-endo	C2"-endo	C3"-endo-G C2"-endo-C
Nutbreite klein/groß	1,11/0,22 Nanometer	0,57/1,17 Nanometer	0,2/0,88 Nanometer
Rillentiefe, klein/groß	0,26/1,30 Nanometer	0,82/0,85 Nanometer	1,38/0,37 Nanometer
Spiraldurchmesser	2,3 nm	2,0 Nanometer	1,8 Nanometer

Strukturelemente der DNA
(nicht-kanonische DNA-Strukturen)

Zu den Strukturelementen der DNA gehören ungewöhnliche Strukturen, die durch einige spezielle Sequenzen begrenzt sind:

Z-Form der DNA – wird an Stellen der B-Form der DNA gebildet, wo sich Purine mit Pyrimidinen abwechseln oder in Wiederholungen, die methyliertes Cytosin enthalten.
Palindrome sind Flip-Sequenzen, invertierte Wiederholungen von Basensequenzen, die eine Symmetrie zweiter Ordnung in Bezug auf zwei DNA-Stränge aufweisen und "Haarnadeln" und "Kreuze" bilden.
Die H-Form der DNA und Dreifachhelixe der DNA werden in Gegenwart einer Stelle gebildet, die nur Purine in einem Strang des normalen Watson-Crick-Duplex und im zweiten Strang jeweils dazu komplementäre Pyrimidine enthält.
G-Quadruplex (G-4) ist eine viersträngige DNA-Helix, bei der 4 Guaninbasen aus verschiedenen Strängen G-Quartette (G-Tetraden) bilden, die durch Wasserstoffbrücken zusammengehalten werden, um G-Quadruplexe zu bilden.

Z-Form der DNA wurde 1979 beim Studium des Hexanukleotids d(CG)3 - entdeckt. Es wurde von MIT-Professor Alexander Rich und seinen Mitarbeitern eröffnet. Die Z-Form ist zu einem der wichtigsten Strukturelemente der DNA geworden, da ihre Bildung in DNA-Regionen beobachtet wurde, in denen sich Purine mit Pyrimidinen abwechseln (z. B. 5'-HCHCHC-3'), oder in Wiederholungen 5' -CHCHCH-3', das methyliertes Cytosin enthält. Eine wesentliche Bedingung für die Bildung und Stabilisierung von Z-DNA war das Vorhandensein von Purinnukleotiden in der syn-Konformation, abwechselnd mit Pyrimidinbasen in der anti-Konformation.

Natürliche DNA-Moleküle liegen meistens in der richtigen B-Form vor, es sei denn, sie enthalten Sequenzen wie (CG)n. Wenn solche Sequenzen jedoch Teil der DNA sind, dann können sich diese Regionen, wenn die Ionenstärke der Lösung oder Kationen, die die negative Ladung auf dem Phosphodiester-Rückgrat neutralisieren, in die Z-Form ändern, während andere DNA-Regionen in der Kette darin verbleiben die klassische B-Form. Die Möglichkeit eines solchen Übergangs deutet darauf hin, dass sich die beiden Stränge in der DNA-Doppelhelix in einem dynamischen Zustand befinden und sich relativ zueinander abwickeln können, indem sie von der rechten Form zur linken und umgekehrt übergehen. Die biologischen Folgen dieser Labilität, die Konformationstransformationen der DNA-Struktur ermöglicht, sind noch nicht vollständig verstanden. Es wird angenommen, dass Z-DNA-Regionen eine Rolle bei der Regulation der Expression bestimmter Gene spielen und an der genetischen Rekombination teilnehmen.

Die Z-Form der DNA ist eine linksgängige Doppelhelix, bei der das Phosphodiester-Rückgrat im Zickzack entlang der Molekülachse verläuft. Daher der Name des Moleküls (Zickzack)-DNA. Z-DNA ist die am wenigsten verdrehte (12 Basenpaare pro Windung) und dünnste, die in der Natur bekannt ist. Der Abstand zwischen benachbarten Nukleotiden beträgt 0,38 nm, die Spulenlänge 4,56 nm und der Z-DNA-Durchmesser 1,8 nm. Darüber hinaus zeichnet sich das Erscheinungsbild dieses DNA-Moleküls durch das Vorhandensein einer einzelnen Furche aus.

Die Z-Form der DNA wurde in prokaryotischen und eukaryotischen Zellen gefunden. Bisher wurden Antikörper erhalten, die zwischen der Z-Form und der B-Form der DNA unterscheiden können. Diese Antikörper binden an spezifische Regionen der Riesenchromosomen der Speicheldrüsenzellen von Drosophila (Dr. melanogaster). Die Bindungsreaktion ist aufgrund der ungewöhnlichen Struktur dieser Chromosomen leicht zu verfolgen, in denen dichtere Regionen (Scheiben) mit weniger dichten Regionen (Zwischenscheiben) kontrastieren. Z-DNA-Regionen befinden sich in den Zwischenscheiben. Daraus folgt, dass die Z-Form tatsächlich unter natürlichen Bedingungen existiert, obwohl die Größen der einzelnen Abschnitte der Z-Form noch nicht bekannt sind.

(Shifter) - die bekanntesten und am häufigsten vorkommenden Basensequenzen in der DNA. Ein Palindrom ist ein Wort oder eine Phrase, die auf die gleiche Weise von links nach rechts und umgekehrt gelesen wird. Beispiele für solche Wörter oder Sätze sind: HÜTTE, KOSAK, FLUT UND EINE ROSE FALL AUF AZORS PFOTEN. Auf DNA-Abschnitte angewendet bedeutet dieser Begriff (Palindrom) die gleiche Abfolge von Nukleotiden entlang der Kette von rechts nach links und von links nach rechts (wie die Buchstaben im Wort "Hütte" usw.).

Ein Palindrom ist durch das Vorhandensein von invertierten Wiederholungen von Basensequenzen mit einer Symmetrie zweiter Ordnung in Bezug auf zwei DNA-Stränge gekennzeichnet. Solche Sequenzen sind aus offensichtlichen Gründen selbstkomplementär und neigen dazu, Haarnadel- oder kreuzförmige Strukturen zu bilden (Abb.). Haarnadeln helfen regulatorischen Proteinen, die Stelle zu erkennen, an der der genetische Text der chromosomalen DNA kopiert wird.

In Fällen, in denen im gleichen DNA-Strang eine invertierte Wiederholung vorhanden ist, wird eine solche Sequenz als Spiegelwiederholung bezeichnet. Spiegelrapporte haben keine selbstkomplementären Eigenschaften und sind daher nicht in der Lage, Haarnadel- oder Kreuzstrukturen zu bilden. Sequenzen dieser Art finden sich in fast allen großen DNA-Molekülen und können von wenigen Basenpaaren bis zu mehreren tausend Basenpaaren reichen.

Das Vorhandensein von Palindromen in Form von kreuzförmigen Strukturen in eukaryotischen Zellen wurde nicht nachgewiesen, obwohl eine Reihe von kreuzförmigen Strukturen in vivo in E. coli-Zellen gefunden wurden. Das Vorhandensein selbstkomplementärer Sequenzen in RNA oder einzelsträngiger DNA ist der Hauptgrund für die Faltung der Nukleinkette in Lösungen in eine bestimmte räumliche Struktur, die durch die Bildung vieler "Haarnadeln" gekennzeichnet ist.

H-Form der DNA- Dies ist eine Helix, die aus drei DNA-Strängen gebildet wird - die Dreifachhelix der DNA. Es ist ein Komplex der Watson-Crick-Doppelhelix mit dem dritten einzelsträngigen DNA-Strang, der in seine große Rille passt, unter Bildung des sogenannten Hoogsteen-Paares.

Die Bildung eines solchen Triplex erfolgt durch die Addition der DNA-Doppelhelix in der Weise, dass die Hälfte ihres Abschnitts in Form einer Doppelhelix verbleibt und die zweite Hälfte getrennt wird. In diesem Fall bildet eine der getrennten Spiralen mit der ersten Hälfte der Doppelhelix eine neue Struktur - eine Dreifachhelix, und die zweite erweist sich als unstrukturiert in Form eines Einzelfilamentabschnitts. Ein Merkmal dieses Strukturübergangs ist eine starke Abhängigkeit vom pH-Wert des Mediums, dessen Protonen die neue Struktur stabilisieren. Aufgrund dieses Merkmals wurde die neue Struktur als H-Form der DNA bezeichnet, deren Bildung in supercoiled Plasmiden gefunden wurde, die Homopurin-Homopyrimidin-Regionen enthalten, die eine Spiegelwiederholung sind.

In weiteren Studien wurde die Möglichkeit eines strukturellen Übergangs einiger doppelsträngiger Homopurin-Homopyrimidin-Polynukleotide mit der Bildung einer dreisträngigen Struktur festgestellt, die Folgendes enthält:

ein Homopurin- und zwei Homopyrimidin-Stränge ( Py-Pu-Py-Triplex) [Hoogsteen-Wechselwirkung].
Die konstituierenden Blöcke des Py-Pu-Py-Triplexes sind kanonische isomorphe CGC+- und TAT-Triaden. Die Stabilisierung des Triplex erfordert die Protonierung der CGC+-Triade, daher sind diese Triplexe vom pH-Wert der Lösung abhängig.
ein Homopyrimidin- und zwei Homopurin-Stränge ( Py-Pu-Pu-Triplex) [inverse Hoogsteen-Wechselwirkung].
Die konstituierenden Blöcke des Py-Pu-Pu-Triplexes sind die kanonischen isomorphen CGG- und TAA-Triaden. Eine wesentliche Eigenschaft von Py-Pu-Pu-Triplexen ist die Abhängigkeit ihrer Stabilität von der Anwesenheit doppelt geladener Ionen, und verschiedene Ionen werden benötigt, um Triplexe unterschiedlicher Sequenzen zu stabilisieren. Da die Bildung von Py-Pu-Pu-Triplexen keine Protonierung ihrer konstituierenden Nukleotide erfordert, können solche Triplexe bei neutralem pH existieren.
Hinweis: Die direkte und umgekehrte Hoogsteen-Wechselwirkung wird durch die Symmetrie von 1-Methylthymin erklärt: Eine Drehung um 180 ° führt dazu, dass der Platz des O4-Atoms durch das O2-Atom besetzt wird, während das System der Wasserstoffbrückenbindungen erhalten bleibt.

Es gibt zwei Arten von Tripelhelixen:

parallele Tripelhelixe, bei denen die Polarität des dritten Strangs dieselbe ist wie die der Homopurinkette des Watson-Crick-Duplex
antiparallele Tripelhelixe, bei denen die Polaritäten der dritten und der Homopurinkette entgegengesetzt sind.

Chemisch homologe Ketten sowohl in Py-Pu-Pu- als auch in Py-Pu-Py-Triplexen sind antiparallel orientiert. Dies wurde weiter durch NMR-Spektroskopiedaten bestätigt.

G-Quadruplex- 4-strängige DNA. Eine solche Struktur entsteht, wenn vier Guanine vorhanden sind, die den sogenannten G-Quadruplex bilden - einen Reigen aus vier Guaninen.

Die ersten Hinweise auf die Möglichkeit der Bildung solcher Strukturen wurden lange vor den bahnbrechenden Arbeiten von Watson und Crick erhalten - bereits 1910. Dann entdeckte der deutsche Chemiker Ivar Bang, dass einer der Bestandteile der DNA – Guanosinsäure – in hohen Konzentrationen Gele bildet, während andere Bestandteile der DNA diese Eigenschaft nicht haben.

1962 gelang es, mit der Röntgenbeugungsmethode die Zellstruktur dieses Gels aufzuklären. Es stellte sich heraus, dass es aus vier Guaninresten zusammengesetzt war, die kreisförmig miteinander verbunden waren und ein charakteristisches Quadrat bildeten. In der Mitte wird die Bindung durch ein Metallion (Na, K, Mg) unterstützt. Die gleichen Strukturen können in DNA gebildet werden, wenn sie viel Guanin enthält. Diese flachen Quadrate (G-Quartette) werden gestapelt, um ziemlich stabile, dichte Strukturen (G-Quadruplexe) zu bilden.

Vier getrennte DNA-Stränge können zu viersträngigen Komplexen verwoben werden, aber das ist eher die Ausnahme. Häufiger wird ein einzelner Nukleinsäurestrang einfach zu einem Knoten gebunden und bildet charakteristische Verdickungen (z. B. an den Enden von Chromosomen), oder doppelsträngige DNA bildet einen lokalen Quadruplex an einer Stelle, die reich an Guanin ist.

Am besten untersucht ist die Existenz von Quadruplexen an den Enden von Chromosomen – auf Telomeren und in Oncopromotoren. Ein vollständiges Verständnis der Lokalisierung solcher DNA in menschlichen Chromosomen ist jedoch immer noch nicht bekannt.

All diese ungewöhnlichen DNA-Strukturen in der linearen Form sind im Vergleich zur B-Form der DNA instabil. DNA liegt jedoch oft in einer Ringform mit topologischer Spannung vor, wenn sie eine sogenannte Supercoiling aufweist. Unter diesen Bedingungen werden leicht nicht-kanonische DNA-Strukturen gebildet: Z-Formen, "Kreuze" und "Haarnadeln", H-Formen, Guanin-Quadruplexe und das i-Motiv.

Supercoiled-Form - wird festgestellt, wenn sie aus dem Zellkern ohne Beschädigung des Pentose-Phosphat-Rückgrats freigesetzt wird. Es hat die Form von supertwisted geschlossenen Ringen. Im supertwisted Zustand ist die DNA-Doppelhelix mindestens einmal „auf sich selbst verdreht“, d.h. sie enthält mindestens eine Superspule (nimmt die Form einer Acht an).
Relaxierter Zustand der DNA - beobachtet mit einem einzelnen Bruch (Bruch eines Strangs). In diesem Fall verschwinden die Superspulen und die DNA nimmt die Form eines geschlossenen Rings an.
Die lineare Form der DNA wird beobachtet, wenn zwei Stränge der Doppelhelix gebrochen sind.

Alle drei aufgeführten DNA-Formen lassen sich leicht durch Gelelektrophorese trennen.

Tertiärstruktur der DNA

Tertiärstruktur der DNA entsteht durch zusätzliche Verdrillung eines doppelsträngigen Moleküls im Raum - seine Superwicklung. Supercoiling des DNA-Moleküls in eukaryotischen Zellen erfolgt im Gegensatz zu Prokaryoten in Form von Komplexen mit Proteinen.

Fast die gesamte eukaryotische DNA befindet sich in den Chromosomen der Zellkerne, nur eine kleine Menge davon findet sich in Mitochondrien, in Pflanzen und in Plastiden. Die Hauptsubstanz der Chromosomen eukaryotischer Zellen (einschließlich menschlicher Chromosomen) ist Chromatin, bestehend aus doppelsträngiger DNA, Histon- und Nicht-Histon-Proteinen.

Histonproteine des Chromatins

Histone sind einfache Proteine, die bis zu 50 % des Chromatins ausmachen. In allen untersuchten Zellen von Tieren und Pflanzen wurden fünf Hauptklassen von Histonen gefunden: H1, H2A, H2B, H3, H4, die sich in Größe, Aminosäurezusammensetzung und Ladung (immer positiv) unterscheiden.

Säugetier-Histon H1 besteht aus einer einzelnen Polypeptidkette, die ungefähr 215 Aminosäuren enthält; die Größe anderer Histone variiert von 100 bis 135 Aminosäuren. Alle von ihnen sind spiralisiert und zu einem Kügelchen mit einem Durchmesser von etwa 2,5 nm verdreht, enthalten eine ungewöhnlich große Menge der positiv geladenen Aminosäuren Lysin und Arginin. Histone können acetyliert, methyliert, phosphoryliert, poly(ADP)-ribosyliert werden, und die Histone H2A und H2B können kovalent an Ubiquitin gebunden werden. Welche Rolle solche Modifikationen bei der Bildung der Struktur und Ausführung von Funktionen durch Histone spielen, ist noch nicht vollständig aufgeklärt. Es wird angenommen, dass dies ihre Fähigkeit ist, mit DNA zu interagieren und einen der Mechanismen zur Regulierung der Wirkung von Genen bereitzustellen.

Histone interagieren mit DNA hauptsächlich über ionische Bindungen (Salzbrücken), die zwischen den negativ geladenen Phosphatgruppen der DNA und den positiv geladenen Lysin- und Argininresten der Histone gebildet werden.

Nicht-Histonproteine des Chromatins

Nicht-Histon-Proteine sind im Gegensatz zu Histonen sehr vielfältig. Bis zu 590 verschiedene Fraktionen von DNA-bindenden Nichthistonproteinen wurden isoliert. Sie werden auch saure Proteine genannt, da in ihrer Struktur saure Aminosäuren überwiegen (sie sind Polyanionen). Die spezifische Regulierung der Chromatinaktivität ist mit einer Vielzahl von Nicht-Histon-Proteinen verbunden. Beispielsweise können Enzyme, die für die DNA-Replikation und -Expression essentiell sind, vorübergehend an Chromatin binden. Andere Proteine, beispielsweise solche, die an verschiedenen regulatorischen Prozessen beteiligt sind, binden nur in bestimmten Geweben oder in bestimmten Differenzierungsstadien an DNA. Jedes Protein ist komplementär zu einer bestimmten Sequenz von DNA-Nukleotiden (DNA-Stelle). Zu dieser Gruppe gehören:

eine Familie von ortsspezifischen Zinkfingerproteinen. Jeder „Zinkfinger“ erkennt eine spezifische Stelle, die aus 5 Nukleotidpaaren besteht.
eine Familie ortsspezifischer Proteine - Homodimere. Ein Fragment eines solchen Proteins in Kontakt mit DNA hat eine "Helix-Turn-Helix"-Struktur.
Hochmobilitätsproteine (HMG-Proteine - aus dem Englischen, hochmobile Gelproteine) sind eine Gruppe von Struktur- und Regulationsproteinen, die ständig mit Chromatin assoziiert sind. Sie haben ein Molekulargewicht von weniger als 30 kD und zeichnen sich durch einen hohen Gehalt an geladenen Aminosäuren aus. Aufgrund ihres niedrigen Molekulargewichts sind HMG-Proteine während der Polyacrylamid-Gelelektrophorese sehr mobil.
Enzyme der Replikation, Transkription und Reparatur.

Unter Beteiligung struktureller, regulatorischer Proteine und Enzyme, die an der Synthese von DNA und RNA beteiligt sind, wird der Nukleosomenfaden in einen hochverdichteten Komplex aus Proteinen und DNA umgewandelt. Die resultierende Struktur ist 10.000 Mal kürzer als das ursprüngliche DNA-Molekül.

Chromatin

Chromatin ist ein Komplex von Proteinen mit Kern-DNA und anorganischen Substanzen. Der größte Teil des Chromatins ist inaktiv. Es enthält dicht gepackte, kondensierte DNA. Das ist Heterochromatin. Es gibt konstitutives, genetisch inaktives Chromatin (Satelliten-DNA), das aus nicht exprimierten Regionen besteht, und fakultatives - in mehreren Generationen inaktives, aber unter bestimmten Umständen zur Expression befähigtes Chromatin.

Aktives Chromatin (Euchromatin) ist unkondensiert, d.h. weniger dicht gepackt. In verschiedenen Zellen reicht sein Gehalt von 2 bis 11%. In den Zellen des Gehirns sind es am meisten - 10-11%, in den Zellen der Leber - 3-4 und in den Nieren - 2-3%. Es gibt eine aktive Transkription von Euchromatin. Gleichzeitig ermöglicht es ihre strukturelle Organisation, die gleiche DNA-Erbinformation, die einem bestimmten Organismustyp innewohnt, in spezialisierten Zellen auf unterschiedliche Weise zu nutzen.

Im Elektronenmikroskop sieht das Bild von Chromatin aus wie Kügelchen: etwa 10 nm große, kugelförmige Verdickungen, die durch fadenförmige Brücken getrennt sind. Diese kugelförmigen Verdickungen werden Nukleosomen genannt. Das Nukleosom ist die Struktureinheit des Chromatins. Jedes Nukleosom enthält ein 146 bp langes superspiralisiertes DNA-Segment, das so gewickelt ist, dass es 1,75 linke Windungen pro Nukleosomenkern bildet. Der nukleosomale Kern ist ein Histonoctamer, bestehend aus den Histonen H2A, H2B, H3 und H4, zwei Molekülen von jedem Typ (Abb. 9), das wie eine Scheibe mit einem Durchmesser von 11 nm und einer Dicke von 5,7 nm aussieht. Das fünfte Histon, H1, ist nicht Teil des nukleosomalen Kerns und ist nicht am Prozess der DNA-Windung um das Histon-Oktamer beteiligt. Es kontaktiert die DNA an den Punkten, an denen die Doppelhelix in den nukleosomalen Kern eintritt und aus ihm austritt. Dies sind Intercore- (Linker-) DNA-Abschnitte, deren Länge je nach Zelltyp zwischen 40 und 50 Nukleotidpaaren variiert. Folglich variiert auch die Länge des DNA-Fragments, das Teil der Nukleosomen ist (von 186 bis 196 Nukleotidpaaren).

Das Nukleosom enthält etwa 90 % der DNA, der Rest ist der Linker. Es wird angenommen, dass Nukleosomen Fragmente von "stillem" Chromatin sind, während der Linker aktiv ist. Nukleosomen können sich jedoch entfalten und linear werden. Entfaltete Nukleosomen sind bereits aktives Chromatin. Dies zeigt deutlich die Abhängigkeit der Funktion von der Struktur. Es kann davon ausgegangen werden, dass je mehr Chromatin in der Zusammensetzung globulärer Nukleosomen enthalten ist, desto weniger aktiv ist es. Offensichtlich ist in verschiedenen Zellen der ungleiche Anteil an ruhendem Chromatin mit der Anzahl solcher Nukleosomen verbunden.

Auf elektronenmikroskopischen Aufnahmen kann Chromatin je nach Isolierungsbedingungen und Dehnungsgrad nicht nur als langer Faden mit Verdickungen - "Kügelchen" von Nukleosomen - erscheinen, sondern auch als kürzere und dichtere Fibrille (Faser) mit einem Durchmesser von 30 nm, dessen Bildung während der Wechselwirkung von Histon H1 beobachtet wird, das mit der Linker-Region von DNA und Histon H3 assoziiert ist, was zu einer zusätzlichen Verdrillung der Helix von sechs Nukleosomen pro Windung unter Bildung eines Solenoids mit einem Durchmesser von 30 nm führt . Dabei kann das Histonprotein in die Transkription einer Reihe von Genen eingreifen und so deren Aktivität regulieren.

Durch die oben beschriebenen Wechselwirkungen von DNA mit Histonen wird aus einem Abschnitt der DNA-Doppelhelix von 186 Basenpaaren mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 2 nm und einer Länge von 57 nm eine Helix mit einem Durchmesser von 10 nm und einer Länge von 5nm. Beim anschließenden Komprimieren dieser Helix zu einer Faser mit 30 nm Durchmesser erhöht sich der Kondensationsgrad nochmals um das Sechsfache.

Die Verpackung des DNA-Duplexes mit fünf Histonen führt letztendlich zu einer 50-fachen DNA-Kondensation. Allerdings kann selbst ein so hoher Kondensationsgrad die fast 50.000-100.000-fache DNA-Kompaktierung im Metaphase-Chromosom nicht erklären. Leider sind die Details der weiteren Chromatinpackung bis zum Metaphasenchromosom noch nicht bekannt, daher können nur allgemeine Züge dieses Prozesses betrachtet werden.

Ebenen der DNA-Verdichtung in Chromosomen

Jedes DNA-Molekül ist in ein separates Chromosom verpackt. Diploide menschliche Zellen enthalten 46 Chromosomen, die sich im Zellkern befinden. Die Gesamtlänge der DNA aller Chromosomen einer Zelle beträgt 1,74 m, aber der Durchmesser des Zellkerns, in dem die Chromosomen verpackt sind, ist millionenfach kleiner. Eine solche kompakte Verpackung von DNA in Chromosomen und Chromosomen im Zellkern wird durch eine Vielzahl von Histon- und Nicht-Histon-Proteinen bereitgestellt, die in einer bestimmten Reihenfolge mit DNA wechselwirken (siehe oben). Die Verdichtung von DNA in Chromosomen ermöglicht es, ihre linearen Abmessungen um etwa das 10.000-fache zu reduzieren - bedingt von 5 cm auf 5 Mikrometer. Es gibt mehrere Verdichtungsstufen (Abb. 10).

DNA-Doppelhelix ist ein negativ geladenes Molekül mit einem Durchmesser von 2 nm und einer Länge von mehreren cm.
Nukleosomale Ebene- Chromatin sieht im Elektronenmikroskop aus wie eine Kette von "Perlen" - Nukleosomen - "an einem Faden". Das Nukleosom ist eine universelle Struktureinheit, die sowohl im Euchromatin als auch im Heterochromatin, im Interphase-Kern und in den Metaphase-Chromosomen vorkommt.
Die nukleosomale Verdichtungsebene wird durch spezielle Proteine bereitgestellt - Histone. Acht positiv geladene Histondomänen bilden den Kern (Kern) des Nukleosoms, um den das negativ geladene DNA-Molekül gewunden ist. Dies ergibt eine Verkürzung um den Faktor 7, während der Durchmesser von 2 auf 11 nm zunimmt.
Solenoid-Ebene
Die Solenoid-Ebene der Chromosomenorganisation ist durch die Verdrillung des nukleosomalen Filaments und die Bildung dickerer Fibrillen mit einem Durchmesser von 20-35 nm daraus gekennzeichnet - Solenoide oder Superbide. Der Abstand der Solenoide beträgt 11 nm, und es gibt etwa 6-10 Nukleosomen pro Windung. Solenoidpackungen gelten als wahrscheinlicher als Superbidpackungen, wonach eine Chromatinfibrille mit einem Durchmesser von 20–35 nm eine Kette von Granula oder Superbiden ist, die jeweils aus acht Nukleosomen bestehen. Auf Solenoidebene wird die lineare Größe der DNA um das 6-10-fache reduziert, der Durchmesser steigt auf 30 nm an.
Loop-Ebene
Die Schleifenebene wird durch Nicht-Histon-ortsspezifische DNA-bindende Proteine bereitgestellt, die spezifische DNA-Sequenzen erkennen und daran binden, wodurch Schleifen von etwa 30–300 kb gebildet werden. Die Schleife sorgt für die Genexpression, d. h. für die Genexpression. Die Schleife ist nicht nur eine strukturelle, sondern auch eine funktionelle Formation. Eine Verkürzung auf dieser Ebene erfolgt um das 20-30-fache. Der Durchmesser vergrößert sich auf 300 nm. Schleifenartige "Lampenbürsten"-Strukturen in Amphibien-Oozyten sind auf zytologischen Präparaten zu sehen. Diese Schleifen scheinen supercoiled zu sein und stellen DNA-Domänen dar, die wahrscheinlich Einheiten der Chromatin-Transkription und -Replikation entsprechen. Spezifische Proteine fixieren die Basen der Schleifen und möglicherweise einige ihrer inneren Regionen. Die schleifenartige Domänenorganisation erleichtert die Faltung von Chromatin in Metaphase-Chromosomen zu helikalen Strukturen höherer Ordnung.
Domänenebene
Die Domänenebene der Chromosomenorganisation wurde nicht ausreichend untersucht. Auf dieser Ebene wird die Bildung von Schleifendomänen festgestellt – Strukturen aus Filamenten (Fibrillen) mit einer Dicke von 25–30 nm, die 60 % Protein, 35 % DNA und 5 % RNA enthalten, die in allen Phasen des Zellzyklus praktisch unsichtbar sind Ausnahme der Mitose und sind etwas zufällig über den Zellkern verteilt. Schleifenartige "Lampenbürsten"-Strukturen in Amphibien-Oozyten sind auf zytologischen Präparaten zu sehen.
Schleifendomänen werden mit ihrer Basis an die intranukleäre Proteinmatrix in den sogenannten eingebauten Bindungsstellen, oft bezeichnet als MAR/SAR-Sequenzen (MAR, von der englischen Matrix-assoziierten Region; SAR, von den englischen Scaffold Attachment Regions) befestigt. - DNA-Fragmente mit mehreren hundert Basenpaaren, die sich durch einen hohen Anteil (>65%) an A/T-Basenpaaren auszeichnen. Jede Domäne scheint einen einzigen Replikationsursprung zu haben und fungiert als autonome Supercoiled-Einheit. Jede Schleifendomäne enthält viele Transkriptionseinheiten, deren Funktion wahrscheinlich koordiniert ist – die gesamte Domäne befindet sich entweder in einem aktiven oder inaktiven Zustand.
Auf Domänenebene verringern sich die linearen Abmessungen der DNA infolge der sequentiellen Packung von Chromatin um etwa das 200-fache (700 nm).
Chromosomenebene
Auf chromosomaler Ebene kondensiert das Prophase-Chromosom zu einem Metaphase-Chromosom mit der Kompaktierung von Schleifendomänen um das axiale Gerüst von Nicht-Histon-Proteinen. Dieses Supercoiling wird von einer Phosphorylierung aller H1-Moleküle in der Zelle begleitet. Infolgedessen kann das Metaphase-Chromosom als dicht gepackte Solenoidschleifen dargestellt werden, die zu einer engen Spirale aufgewickelt sind. Ein typisches menschliches Chromosom kann bis zu 2600 Schleifen enthalten. Die Dicke einer solchen Struktur erreicht 1400 nm (zwei Chromatiden), während das DNA-Molekül um das 104-fache verkürzt wird, d.h. von 5 cm gestreckter DNA auf 5 µm.

Funktionen von Chromosomen

Im Zusammenspiel mit extrachromosomalen Mechanismen sorgen Chromosomen für

Speicherung von Erbinformationen
Verwenden dieser Informationen, um eine zellulare Organisation zu erstellen und aufrechtzuerhalten
Regulierung des Lesens von Erbinformationen
Selbstvervielfältigung von genetischem Material
die Übertragung von genetischem Material von einer Mutterzelle auf Tochterzellen.

Es gibt Hinweise darauf, dass bei Aktivierung einer Chromatinregion, d.h. während der Transkription wird zuerst das Histon H1 und dann das Histon-Oktett reversibel entfernt. Dies bewirkt eine Dekondensation des Chromatins, den sukzessiven Übergang einer 30-nm-Chromatin-Fibrille in ein 10-nm-Filament und dessen weitere Entfaltung in freie DNA-Bereiche, d.h. Verlust der nukleosomalen Struktur.

Fast jeder hat von der Existenz von DNA-Molekülen in lebenden Zellen gehört und weiß, dass dieses Molekül für die Übertragung von Erbinformationen verantwortlich ist. Eine riesige Menge unterschiedlicher Filme baut ihre Handlungen bis zu einem gewissen Grad auf den Eigenschaften eines kleinen, aber stolzen, sehr wichtigen Moleküls auf.

Was genau Bestandteil des DNA-Moleküls ist und wie die Prozesse des Ablesens all dieser Informationen über den „Aufbau des Gesamtorganismus“ funktionieren, können jedoch die wenigsten Menschen zumindest annähernd erklären. Nur wenige können bedenkenlos „Desoxyribonukleinsäure“ lesen.

Versuchen wir herauszufinden, woraus es besteht und wie es aussieht, das wichtigste Molekül für jeden von uns.

Die Struktur der strukturellen Verbindung - Nukleotid

Die Zusammensetzung des DNA-Moleküls umfasst viele Struktureinheiten, da es sich um ein Biopolymer handelt. Ein Polymer ist ein Makromolekül, das aus vielen kleinen, sich wiederholenden Fragmenten besteht, die in Reihe geschaltet sind. So wie eine Kette aus Gliedern besteht.

Die Struktureinheit des DNA-Makromoleküls ist das Nukleotid. Die Zusammensetzung der Nukleotide des DNA-Moleküls umfasst die Überreste von drei Substanzen - Phosphorsäure, Saccharid (Desoxyribose) und eine der vier möglichen stickstoffhaltigen Basen.

Die Zusammensetzung des DNA-Moleküls umfasst stickstoffhaltige Basen: Adenin (A), Guanin (G), Cytosin (C) und Thymin (T).

Die Zusammensetzung der Nukleotidkette wird durch den Wechsel der darin enthaltenen Basen angezeigt: -AAGCGTTAGCACGT- usw. Die Reihenfolge kann beliebig sein. Dies bildet einen einzelnen DNA-Strang.

Helikales Molekül. Das Phänomen der Komplementarität

Die Größe des menschlichen DNA-Moleküls ist ungeheuer groß (natürlich im Maßstab anderer Moleküle)! Das Genom einer einzelnen Zelle (46 Chromosomen) enthält ungefähr 3,1 Milliarden Basenpaare. Die Länge der DNA-Kette, die aus einer solchen Anzahl von Gliedern besteht, beträgt ungefähr zwei Meter. Es ist schwer vorstellbar, wie ein so sperriges Molekül in einer winzigen Zelle untergebracht werden kann.

Aber die Natur hat für eine kompaktere Verpackung und den Schutz ihres Genoms gesorgt – zwei Ketten sind durch stickstoffhaltige Basen miteinander verbunden und bilden die bekannte Doppelhelix. So ist es möglich, die Länge des Moleküls um fast das Sechsfache zu reduzieren.

Die Reihenfolge der Wechselwirkung stickstoffhaltiger Basen wird streng durch das Phänomen der Komplementarität bestimmt. Adenin kann nur an Thymin binden, während Cytosin nur an Guanin binden kann. Diese komplementären Paare passen zusammen wie Schlüssel und Schloss, wie Puzzleteile.

Lassen Sie uns nun berechnen, wie viel Speicher in einem Computer (na ja, oder auf einem Flash-Laufwerk) alle Informationen über dieses kleine (im Maßstab unserer Welt) Molekül belegen sollten. Die Anzahl der Basenpaare beträgt 3,1 x 10 9 . Es gibt insgesamt 4 Werte, was bedeutet, dass 2 Bits an Informationen für ein Paar (2 2 Werte) ausreichen. Wir multiplizieren das alles miteinander und erhalten 6200000000 Bit oder 775000000 Byte oder 775000 Kilobyte oder 775 Megabyte. Das entspricht in etwa der Kapazität einer CD oder dem Volumen einiger 40-minütiger Filmreihen in durchschnittlicher Qualität.

Chromosomenbildung. Bestimmung des menschlichen Genoms

Neben der Spiralisierung wird das Molekül immer wieder einer Kompaktierung unterzogen. Die Doppelhelix beginnt sich wie ein Fadenknäuel zu winden – dieser Vorgang wird als Supercoiling bezeichnet und geschieht mit Hilfe eines speziellen Histonproteins, auf das sich die Kette wie eine Spirale wickelt.

Dieser Prozess reduziert die Länge des Moleküls um das weitere 25-30-fache. Ein DNA-Molekül, das mehreren weiteren Verpackungsstufen unterzogen und immer kompakter wird, bildet zusammen mit Hilfsproteinen ein Chromosom.

Alle Informationen, die Form, Art und Merkmale der Funktionsweise unseres Körpers betreffen, werden von einer Reihe von Genen bestimmt. Ein Gen ist ein genau definierter Abschnitt eines DNA-Moleküls. Es besteht aus einer unveränderten Sequenz von Nukleotiden. Darüber hinaus ist das Gen nicht nur durch seine Zusammensetzung, sondern auch durch seine Position relativ zu anderen Teilen der Kette starr bestimmt.

Ribonukleinsäure und ihre Rolle bei der Proteinsynthese

Neben DNA gibt es noch andere Arten von Nukleinsäuren – Boten-, Transport- und ribosomale RNA (Ribonukleinsäure). RNA-Ketten sind viel kleiner und kürzer, wodurch sie die Kernmembran durchdringen können.

Auch das RNA-Molekül ist ein Biopolymer. Seine strukturellen Fragmente ähneln denen, die Teil der DNA sind, mit einer kleinen Ausnahme des Saccharids (Ribose anstelle von Desoxyribose). Es gibt vier Arten von stickstoffhaltigen Basen: uns bekannte A, G, C und Uracil (U) anstelle von Thymin. Das Bild oben zeigt dies alles deutlich.

Ein DNA-Makromolekül ist in der Lage, Informationen in unverdrillter Form an RNA zu übertragen. Das Abwickeln der Helix erfolgt mit Hilfe eines speziellen Enzyms, das die Doppelhelix in einzelne Ketten trennt - wie die Hälften eines Reißverschlusses.

Gleichzeitig entsteht parallel zur DNA-Kette eine komplementäre RNA-Kette. Nachdem die Information kopiert und aus dem Zellkern in die Umgebung der Zelle gelangt ist, initiiert die RNA-Kette die Prozesse der Synthese des vom Gen codierten Proteins. Die Proteinsynthese findet in speziellen Zellorganellen – Ribosomen – statt.

Das Ribosom bestimmt beim Lesen der Kette, in welcher Reihenfolge die Aminosäuren hintereinander verbunden werden müssen – indem Informationen in die RNA eingelesen werden. Dann nimmt die synthetisierte Aminosäurekette eine bestimmte 3D-Form an.

Dieses voluminöse Strukturmolekül ist ein Protein, das in der Lage ist, die verschlüsselten Funktionen von Enzymen, Hormonen, Rezeptoren und Baustoffen zu erfüllen.

Schlussfolgerungen

Für jedes Lebewesen ist Protein (Eiweiß) das Endprodukt jedes Gens. Es sind Proteine, die die ganze Vielfalt an Formen, Eigenschaften und Qualitäten bestimmen, die in unseren Zellen verschlüsselt sind.

Liebe Blog-Leser, wissen Sie, wo sich die DNA befindet, hinterlassen Sie Kommentare oder Bewertungen, die Sie gerne wissen möchten. Jemand wird das sehr nützlich finden!