구조와 기능의 DNA 분자 특징. DNA 구조: 기능, 계획

유기체에서 유전 정보의 운반자로서의 DNA의 역할에 대한 첫 번째 증거는 핵산 연구에 큰 관심을 불러일으켰습니다. 1869년 F. Misher는 세포의 핵에서 핵이라는 특별한 물질을 분리했습니다. 20년 후, 이 이름은 용어로 대체되었습니다. 핵산. 1924년에 R. Felgen은 특정 염색을 통해 핵산을 세포학적으로 인식하는 방법을 개발했으며 DNA는 세포 핵에, RNA는 세포질에 국한되어 있음을 보여주었습니다. 1936년 A.N. 벨로저스키와 I.I. Dubrovskaya는 식물 세포의 핵에서 순수한 형태의 DNA를 분리했습니다. 1930년대 초. 핵산의 당 구조에 대한 기본 화학 원리가 밝혀졌고 1953년 DNA의 구조 모델이 만들어졌습니다.

핵산의 기본 구조 단위는 뉴클레오티드, 공유 결합으로 연결된 3개의 화학적으로 다른 부분으로 구성됩니다(그림 5.2).

쌀. 5.2. 구조식: ㅏ- 뉴클레오티드; 비- DNA; V - RNA(110페이지 참조)

쌀. 5.2. 종결. 구조식: ㅏ- 뉴클레오티드; 6 - DNA; V- RNA

첫 번째 부분은 5개의 탄소 원자를 포함하는 설탕입니다. 데옥시리보스 DNA와 리보스 RNA에서.

뉴클레오타이드의 두 번째 부분인 퓨린 또는 피리미딘 질소 염기는 당의 첫 번째 탄소 원자에 공유 결합되어 뉴클레오사이드. DNA에는 퓨린 염기가 포함되어 있습니다. 아데닌(A) 그리고 구아닌(D) - 및 피리미딘 염기 - 티민(티) 그리고 시토신(씨). 상응하는 뉴클레오시드는 데옥시아데노신, 데옥시구아노신, 데옥시티미딘 및 데옥시시티딘이라고 합니다. RNA는 DNA와 동일한 퓨린 염기, 피리미딘 염기를 포함합니다. 시토신, 그리고 티민 대신에 우라실(와이); 해당 뉴클레오사이드는 아데노신, 구아노신, 우리딘 및 시티딘이라고 합니다.

뉴클레오티드의 세 번째 부분은 한 당의 5-탄소 원자와 다른 당의 3" 탄소 원자 사이의 포스포디에스테르 결합을 통해 인접한 뉴클레오시드를 중합체 사슬로 연결하는 인산염 그룹입니다(그림 5.2, b, V). 뉴클레오티드당의 3"- 또는 5-탄소 원자에 에스테르 결합에 의해 부착된 하나 이상의 포스페이트 기를 갖는 뉴클레오사이드라고 합니다. 뉴클레오타이드의 합성은 각각 핵산의 합성에 선행하며, 뉴클레오타이드는 핵산의 화학적 또는 효소적 가수분해의 산물입니다.

핵산은 5- 및 3'-포스포디에스테르 결합으로 연결된 모노뉴클레오티드로 구성된 매우 긴 중합체 사슬입니다. 온전한 DNA 분자는 유기체의 유형에 따라 수천에서 수백만 개의 뉴클레오티드, 온전한 RNA 분자(100에서 10만 또는 그 이상의 뉴클레오티드)를 포함합니다.

E. Chargaff가 수행한 다양한 종의 DNA의 뉴클레오티드 구성 분석 결과, 다양한 질소 염기(아데닌, 구아닌, 티민, 시토신)의 분자 비율이 넓은 범위 내에서 변하는 것으로 나타났습니다. 결과적으로, DNA는 40년대에 가정된 것과 같은 동일한 테트라뉴클레오타이드로 구성된 모노톤 폴리머가 전혀 아님이 입증되었습니다. XX 세기, 그리고 그것은 특정 염기서열의 형태로 유전 정보를 보존하고 전달하는 데 필요한 복잡성을 완전히 가지고 있습니다.

E. Chargaff의 연구는 또한 모든 DNA 분자에 내재된 특징을 밝혔습니다. 아데닌의 몰 함량은 티민의 함량과 같고 구아닌의 몰 함량은 시토신의 함량과 같습니다. 이러한 등식을 Chargaff 등가 규칙이라고 합니다. [A] = [T], [G] = [C]; 퓨린의 양은 피리미딘의 양과 같습니다. 종에 따라 비율([A] + [T]) / ([G] + [C])만 변경됩니다(표 5.1).

	기지의 구성				태도		어울리지 않음
					근거
							(A + T) / (G + C)
동물
거북이
바다 게
성게
식물, 버섯
밀배아
버섯 아스페르길루스 니제르
박테리아
대장균
황색포도상구균
클로스트리디움 퍼프린젠스
브루셀라 아보투스
사르시나 루테아
박테리오파지
FH 174(바이러스 형태)
FH 174(복제형)

기본 관계의 이름은 뉴클레오티드 계수(종) 특성. Chargaff의 발견에서 DNA의 중요한 구조적 특징이 공식화되었으며, 이는 나중에 J. Watson과 F. Crick(1953)에 의해 DNA의 구조적 모델에 반영되었습니다. 분자 DNA를 형성할 수 있는 서로 다른 염기서열의 가능한 조합 수.

뉴클레오타이드 특이성에 대한 규정은 생물학의 새로운 분과의 기초를 형성했습니다. 유전학, 유기체의 자연 시스템을 구축하기 위해 핵산의 구성과 구조를 비교함으로써 작동합니다.

Watson-Crick 모델에 따르면 DNA 분자는 상보적 원리(한 사슬의 아데닌은 티민과 2개의 수소 결합으로 연결됨)에 따라 질소 염기 사이의 횡방향 수소 결합을 사용하여 서로 연결된 두 개의 폴리뉴클레오티드 사슬(가닥, 가닥)로 구성됩니다. 반대 사슬의 구아닌과 다른 사슬의 시토신은 세 개의 수소 결합으로 서로 연결되어 있습니다. 이 경우, 한 분자의 두 폴리뉴클레오티드 사슬은 역평행입니다. 즉, 한 사슬의 3" 말단은 다른 사슬의 5" 말단이고 그 반대도 마찬가지입니다(그림 5.3). 그러나 일부 바이러스의 유전 물질은 단일 가닥(단일 가닥) DNA 분자로 표시된다는 현대 데이터를 염두에 두어야 합니다. DNA의 X선 구조 분석 데이터를 기반으로 J. Watson과 F. Crick은 이중 가닥 분자가 왼쪽에서 오른쪽으로 꼬인 나선 형태의 2차 구조를 가지고 있다는 결론을 내렸습니다. 5-형태(그림 5.4). 현재까지 가장 일반적인 5 형태 외에도 오른손잡이(형태 ㅏ, C), 오른쪽에서 왼쪽으로 꼬임(왼손잡이 또는 Z자 모양)(그림 5.4). 이러한 형태의 DNA 2차 구조 사이에는 일정한 차이가 있습니다(표 5.2). 따라서 예를 들어 5-형태 및 Z-형태에 대해 나노미터(nm)로 표시되는 이중 가닥 나선에서 질소 염기의 두 인접 쌍 사이의 거리는 다른 값(0.34 및 0.38 nm, 각기). 그림에서. 5.5는 "왼손잡이" 및 "오른손잡이" 형태의 DNA의 현대 체적 모델을 보여줍니다.

쌀. 5.3. 이중 가닥 DNA 분자 단편의 1차 구조에 대한 개략도: A - 아데닌; G - 구아닌; T-티민; C - 시토신

쌀. 5.4.

표 5.2

다양한 형태의 DNA 이중 나선의 특성

RNA 분자는 구조적 및 기능적 특성에 따라 정보(매트릭스) RNA(mRNA 또는 mRNA), 리보솜 RNA(rRNA), 수송 RNA(tRNA), 작은 핵 RNA(snRNA) 등 여러 유형으로 나뉩니다. DNA에서 RNA 분자는 항상 단일 가닥(single-stranded)입니다. 그러나 상보적인 질소 염기(A-U 및 G-C)의 상호 작용을 기반으로 하는 이러한 사슬의 개별 섹션의 상보적 연결로 인해 더 복잡한(2차) 구성을 형성할 수 있습니다. 예를 들어, 페닐알라닌 수송 RNA 분자에 대한 "클로버 잎" 형태의 구성을 고려할 수 있습니다(그림 5.6).

쌀. 5.6.

1953년 D. Watson과 F. Crick은 다음 가정에 기반한 DNA 구조 모델을 제안했습니다.

• 1. DNA는 3"- 및 5"-포스포디에스테르 결합으로 연결된 뉴클레오티드로 구성된 중합체입니다.
• 2. DNA 뉴클레오티드의 구성은 Chargaff의 규칙을 따릅니다.
• 3. DNA 분자는 M. Wilkins와 R. Franklin이 처음으로 얻은 DNA 가닥의 X선 회절 패턴에서 알 수 있듯이 나선형 계단과 유사한 이중 나선 구조를 가지고 있습니다.
• 4. 천연(천연) DNA의 산-염기 적정에 의해 나타난 고분자의 구조는 수소결합에 의해 안정화된다. 천연 DNA의 적정 및 가열은 물리적 특성, 특히 점도에 현저한 변화를 일으켜 변성된 형태로 전환하고 공유 결합이 파괴되지 않습니다.

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세포 DNA의 약어는 생물학 학교 과정에서 많은 사람들에게 친숙하지만 그것이 무엇인지 쉽게 대답할 수 있는 사람은 거의 없습니다. 유전과 유전학에 대한 막연한 생각만이 졸업 직후 기억에 남습니다. DNA가 무엇인지, 그것이 우리 삶에 어떤 영향을 미치는지 아는 것은 때때로 매우 필요할 수 있습니다.

DNA 분자

생화학자는 DNA, RNA 및 단백질의 세 가지 유형의 거대 분자를 구별합니다. Deoxyribonucleic acid는 유전 형질, 특성 및 종의 발달에 대한 데이터를 세대에서 세대로 전달하는 역할을 하는 생체 고분자입니다. 그것의 단량체는 뉴클레오티드입니다. DNA 분자는 무엇입니까? 그것은 염색체의 주요 구성 요소이며 유전 코드를 포함합니다.

DNA 구조

이전에 과학자들은 동일한 뉴클레오티드 그룹(인산염과 당 분자의 조합)이 반복되는 DNA 구조 모델이 주기적이라고 상상했습니다. 뉴클레오티드 서열의 특정 조합은 정보를 "암호화"하는 능력을 제공합니다. 연구 덕분에 다른 유기체의 구조가 다르다는 것이 밝혀졌습니다.

미국 과학자 Alexander Rich, David Davis 및 Gary Felsenfeld는 DNA가 무엇인지에 대한 연구에서 특히 유명합니다. 1957년에 그들은 3개의 나선이 있는 핵산에 대한 설명을 제시했습니다. 28년 후, 과학자 Maxim Davidovich Frank-Kamenitsky는 2개의 나선으로 구성된 디옥시리보핵산이 3개의 가닥의 H자 모양으로 접히는 방법을 보여주었습니다.

데옥시리보핵산의 구조는 이중 가닥입니다. 그것에서 뉴클레오티드는 쌍으로 긴 폴리뉴클레오티드 사슬로 연결됩니다. 수소 결합을 사용하는 이러한 사슬은 이중 나선의 형성을 가능하게 합니다. 단일 가닥 게놈을 가진 바이러스는 예외입니다. 선형 DNA(일부 바이러스, 박테리아)와 원형(미토콘드리아, 엽록체)이 있습니다.

DNA 구성

DNA가 무엇으로 구성되어 있는지 알지 못하면 의학적 발전이 없을 것입니다. 각 뉴클레오티드는 5탄당 잔기, 질소 염기 및 인산 잔기의 세 부분으로 구성됩니다. 화합물의 특성에 따라 산은 디옥시리보핵산 또는 리보핵산으로 불릴 수 있습니다. DNA는 시토신과 티민이라는 두 가지 염기에서 얻은 수많은 모노뉴클레오티드를 포함합니다. 또한, 그것은 피리미딘 유도체, 아데닌 및 구아닌을 포함합니다.

생물학에는 정크 DNA라는 정의가 있습니다. 그 기능은 아직 알려져 있지 않습니다. 이름의 대체 버전은 "비코딩"이며 사실이 아닙니다. 그것은 코딩 단백질, 트랜스포존을 포함하지만 그 목적도 미스터리입니다. 작업 가설 중 하나는 이 거대분자의 일정량이 돌연변이에 대한 게놈의 구조적 안정화에 기여한다는 것을 시사합니다.

어디에

케이지 내부의 위치는 종의 특성에 따라 다릅니다. 단세포 생물에서 DNA는 막에 있습니다. 다른 생물에서는 핵, 색소체 및 미토콘드리아에 있습니다. 우리가 인간 DNA에 대해 이야기하면 염색체라고합니다. 사실, 이것은 염색체가 염색질과 디옥시리보핵산의 복합체이기 때문에 완전히 사실이 아닙니다.

새장에서의 역할

세포에서 DNA의 주요 역할은 유전 유전자의 전달과 미래 세대의 생존입니다. 미래 개인의 외부 데이터뿐만 아니라 성격과 건강도 의존합니다. Deoxyribonucleic acid는 supercoiled 상태이지만 고품질의 삶의 과정을 위해서는 꼬이지 않아야합니다. 효소는 토포이소머라제와 헬리카제를 도와줍니다.

토포이소머레이스는 뉴클레아제이며, 컬의 정도를 변경할 수 있습니다. 그들의 기능 중 다른 하나는 전사 및 복제(세포 분열)에 참여하는 것입니다. 헬리카제는 염기 사이의 수소 결합을 끊습니다. 끊어진 결합을 "가교"하는 리가아제 효소와 새로운 폴리뉴클레오티드 사슬의 합성에 관여하는 폴리머라아제가 있습니다.

DNA의 약자

생물학의 이 약어는 익숙합니다. DNA의 전체 이름은 데옥시리보핵산입니다. 모든 사람이 이것을 처음으로 말할 수 있는 것은 아니므로 DNA 해독은 종종 연설에서 생략됩니다. 단백질의 아미노산 서열로 구성된 RNA - 리보핵산의 개념도 있습니다. 그들은 직접 연결되어 있으며 RNA는 두 번째로 중요한 거대 분자입니다.

인간 DNA

인간의 염색체는 핵 내부에서 분리되어 인간의 DNA를 가장 안정적이고 완전한 정보 전달자로 만듭니다. 유전자 재조합 과정에서 나선이 분리되고 영역이 교환된 후 결합이 회복됩니다. DNA 손상으로 인해 새로운 조합과 패턴이 형성됩니다. 전체 메커니즘은 자연 선택을 촉진합니다. 그녀가 얼마나 오랫동안 게놈 전달을 담당했는지, 그녀의 대사 진화는 무엇인지는 아직 알려지지 않았습니다.

누가 열었는가

DNA 구조의 첫 번째 발견은 1953년 분자의 구조적 특징을 발견한 영국 생물학자인 James Watson과 Francis Crick에 기인합니다. 1869년 스위스 의사인 프리드리히 미셔(Friedrich Mischer)가 발견했습니다. 그는 화농성 병변에 대량으로 축적되는 백혈구를 사용하여 동물 세포의 화학적 구성을 연구했습니다.

Misher는 백혈구, 분리된 단백질을 씻어내는 방법을 연구하던 중 그 외에 다른 것이 있다는 것을 발견했습니다. 처리하는 동안 접시 바닥에 형성된 플레이크 침전물. 이 퇴적물을 현미경으로 연구한 젊은 의사는 염산으로 치료한 후에도 남아 있는 핵을 발견했습니다. 그것은 Frederick이 nuclein(라틴어 핵에서 유래)이라고 부르는 화합물을 포함하고 있습니다.

모스크바, 4월 25일 - RIA Novosti, Tatyana Pichugina.정확히 65년 전, 영국 과학자 James Watson과 Francis Crick은 DNA 구조 해독에 관한 기사를 발표하여 새로운 과학인 분자 생물학의 토대를 마련했습니다. 이 발견은 인류의 삶에 많은 변화를 가져왔습니다. RIA Novosti는 DNA 분자의 특성과 그것이 왜 중요한지에 대해 설명합니다.

19세기 후반에 생물학은 아주 젊은 과학이었습니다. 과학자들은 세포 연구를 막 시작했고 유전의 개념은 이미 그레고르 멘델이 공식화했지만 널리 받아들여지지 않았습니다.

1868년 봄, 스위스의 젊은 의사 프리드리히 미셔(Friedrich Miescher)는 과학 연구를 하기 위해 독일 튀빙겐 대학에 왔습니다. 그는 세포가 어떤 물질로 구성되어 있는지 알아내고자 했습니다. 실험을 위해 고름에서 쉽게 얻을 수 있는 백혈구를 선택했습니다.

Misher는 원형질, 단백질 및 지방에서 핵을 분리하여 인 함량이 높은 화합물을 발견했습니다. 그는 이 분자를 핵(라틴어로 "핵"은 핵이다)이라고 불렀다.

이 화합물은 산성 특성을 나타내므로 "핵산"이라는 용어가 만들어졌습니다. 접두사 "deoxyribo"는 분자에 H 그룹과 당이 포함되어 있음을 의미합니다. 그러다가 사실은 소금인 줄 알았지만 이름은 바뀌지 않았다.

20세기 초에 과학자들은 핵이 고분자(즉, 반복 단위의 매우 긴 유연한 분자)이고 단위가 4개의 질소 염기(아데닌, 티민, 구아닌 및 시토신)로 구성되어 있으며, 핵은 세포 분열에서 발생하는 조밀한 구조인 염색체에 포함되어 있습니다. 유전적 특성을 전달하는 능력은 초파리에 대한 실험에서 미국 유전학자인 Thomas Morgan에 의해 입증되었습니다.

유전자를 설명하는 모델

그러나 deoxyribonucleic acid, 줄여서 DNA가 세포핵에서 하는 일은 오랫동안 이해되지 않았습니다. 염색체에서 일종의 구조적 역할을 하는 것으로 생각되었습니다. 유전의 단위인 유전자는 단백질의 성질에 기인합니다. 유전 물질이 DNA를 통해 박테리아에서 박테리아로 전달된다는 것을 실험적으로 증명한 미국 연구원 오스왈드 에이버리(Oswald Avery)가 돌파구를 마련했습니다.

DNA를 연구해야 한다는 것이 분명해졌습니다. 하지만 어떻게? 그 당시 과학자들은 X선만 사용할 수 있었습니다. 그것들을 통해 생물학적 분자를 빛나게 하기 위해서는 결정화되어야 하는데, 이것은 어렵습니다. X-선 회절 패턴에 의한 단백질 분자의 구조 해독은 Cavendish Laboratory(Cambridge, Great Britain)에서 수행되었습니다. 그곳에서 일했던 젊은 연구원 James Watson과 Francis Crick은 DNA에 대한 자체 실험 데이터가 없었기 때문에 King's College Maurice Wilkins와 Rosalind Franklin의 동료들의 방사선 사진을 사용했습니다.

Watson과 Crick은 X선 회절 패턴과 정확히 일치하는 DNA 구조 모델을 제안했습니다. 두 개의 평행한 가닥이 오른쪽 나선으로 꼬여 있습니다. 각 사슬은 임의의 질소 염기 세트에 의해 접혀 있고, 당과 인산염의 골격에 연결되어 있으며 염기 사이에 뻗어 있는 수소 결합으로 함께 고정되어 있습니다. 또한 아데닌은 티민과만 결합하고 구아닌은 시토신과 결합합니다. 이 규칙을 상보성의 원칙이라고 합니다.

Watson과 Crick 모델은 DNA의 네 가지 주요 기능인 유전 물질 복제, 특이성, 분자 내 정보 저장, 돌연변이 능력을 설명했습니다.

과학자들은 1953년 4월 25일 네이처 저널에 그들의 발견을 발표했습니다. 10년 후, 그와 모리스 윌킨스(Maurice Wilkins)는 노벨 생물학상을 수상했습니다(Rosalind Franklin은 1958년 37세의 나이로 암으로 사망했습니다).

"반세기 이상이 지난 지금 우리는 DNA 구조의 발견이 생물학의 발전에 물리학의 원자핵 발견과 같은 역할을 했다고 말할 수 있습니다. 새로운 양자 물리학의 탄생과 DNA 구조의 발견은 새로운 분자 생물학의 탄생으로 이어졌다. 가장 중요한 분자 ".

유전자 코드

이제 이 분자가 어떻게 작동하는지 알아내는 일만 남았습니다. DNA에는 세포에서 모든 작업을 수행하는 세포 단백질 합성에 대한 지침이 포함되어 있는 것으로 알려져 있습니다. 단백질은 아미노산의 반복 세트(서열)로 구성된 중합체입니다. 또한 아미노산은 20개에 불과합니다. 동물 종은 세포의 단백질 세트, 즉 아미노산의 다른 서열에 따라 서로 다릅니다. 유전학은 이러한 서열이 유전자에 의해 주어진다고 주장했으며, 이는 당시 생명의 첫 번째 구성 요소로 여겨졌습니다. 그러나 유전자가 무엇인지 정확히 아는 사람은 아무도 없었습니다.

빅뱅이론의 저자이자 미국 조지워싱턴대 직원인 물리학자 조지 가모프(Georgy Gamov)는 이를 분명히 했다. Watson과 Crick의 이중 가닥 DNA 나선 모델을 기반으로 그는 유전자가 DNA 조각, 즉 특정 연결 시퀀스인 뉴클레오티드라고 제안했습니다. 각 뉴클레오티드는 4개의 질소 염기 중 하나이기 때문에 4개의 요소가 20개를 암호화하는 방법을 알아내면 됩니다. 이것이 유전자 코드의 이면에 있는 아이디어였습니다.

1960년대 초까지 단백질이 세포 내부의 일종의 "공장"인 리보솜의 아미노산에서 합성된다는 것이 확인되었습니다. 단백질 합성을 시작하기 위해 효소는 DNA에 접근하여 유전자 시작 부분의 특정 부위를 인식하고 작은 RNA(주형 RNA라고 함) 형태로 유전자 사본을 합성한 다음 아미노산으로부터 단백질을 성장시킵니다. 리보솜에서.

그들은 또한 유전자 코드가 세 글자라는 것을 발견했습니다. 이것은 3개의 뉴클레오티드가 하나의 아미노산에 해당한다는 것을 의미합니다. 코드의 단위를 코돈이라고 합니다. 리보솜에서 mRNA의 정보는 코돈별로 순차적으로 읽혀집니다. 그리고 그들 각각은 여러 아미노산에 해당합니다. 암호는 어떻게 생겼습니까?

이 질문은 미국의 Marshall Nirenberg와 Heinrich Mattei가 답변했습니다. 1961년 그들은 모스크바에서 열린 생화학 회의에서 처음으로 결과를 발표했습니다. 1967년까지 유전자 코드는 완전히 해독되었습니다. 그것은 과학에 광범위한 결과를 가져온 모든 유기체의 모든 세포에 보편적인 것으로 밝혀졌습니다.

DNA 구조와 유전 암호의 발견은 생물학적 연구의 방향을 완전히 바꿔 놓았습니다. 각 개인이 고유한 DNA 서열을 갖고 있다는 사실은 법의학을 근본적으로 변화시켰습니다. 인간 게놈 해독은 인류학자들에게 우리 종의 진화를 연구하는 완전히 새로운 방법을 제공했습니다. 최근에 발명된 DNA 편집기 CRISPR-Cas는 유전 공학을 크게 발전시켰습니다. 분명히 이 분자는 인류의 가장 시급한 문제인 암, 유전병, 노화에 대한 해결책을 저장하고 있습니다.

핵산은 3", 5"-포스포디에스테르 결합을 사용하여 고분자 사슬로 서로 연결되어 있는 모노뉴클레오타이드로 구성된 고분자 물질로 세포에 일정한 방식으로 채워져 있습니다.

핵산은 리보핵산(RNA)과 데옥시리보핵산(DNA)의 두 가지 유형의 생체 고분자입니다. 각 생체 고분자는 탄수화물 잔기(리보스, 디옥시리보스)와 질소 염기(우라실, 티민) 중 하나가 다른 뉴클레오티드로 구성됩니다. 이러한 차이점에 따라 핵산은 이름을 얻었습니다.

데옥시리보핵산 구조

핵산은 1차, 2차, 3차 구조를 가지고 있습니다.

1차 DNA 구조

DNA의 1차 구조는 모노뉴클레오타이드가 3", 5" -포스포디에스테르 결합으로 연결된 선형 폴리뉴클레오타이드 사슬이라고 합니다. 세포에서 핵산 사슬의 조립을 위한 출발 물질은 β 및 γ 인산 잔기의 제거의 결과로 다른 뉴클레오시드의 3" 탄소 원자를 부착할 수 있는 뉴클레오시드 5"-트리포스페이트입니다. . 따라서, 한 데옥시리보스의 3" 탄소 원자는 하나의 인산 잔기를 통해 다른 데옥시리보스의 5" 탄소 원자에 공유적으로 결합하고 선형 폴리뉴클레오티드 핵산 사슬을 형성합니다. 따라서 이름: 3 ", 5" -포스포디에스테르 결합. 질소 염기는 한 사슬의 뉴클레오티드 조합에 참여하지 않습니다(그림 1).

한 뉴클레오타이드의 나머지 인산 분자와 다른 뉴클레오타이드의 탄수화물 사이의 이러한 연결은 폴리뉴클레오타이드 분자의 오탄당-인산염 골격의 형성으로 이어지며 질소 염기가 측면에 하나씩 부착됩니다. 핵산 분자 사슬의 배열 순서는 다른 유기체의 세포에 대해 엄격하게 특이적입니다. 특정한 성질을 갖는다(Chargaff의 법칙).

길이가 사슬에 포함된 뉴클레오티드 수에 따라 달라지는 선형 DNA 사슬에는 두 개의 끝이 있습니다. 잔여 물. 사슬은 극성이 있고 5 "-> 3" 및 3 "-> 5"의 방향을 가질 수 있습니다. 예외는 원형 DNA입니다.

DNA의 유전적 "텍스트"는 코드 "단어"(코돈이라고 하는 뉴클레오티드의 삼중항)로 구성됩니다. 모든 유형의 RNA의 기본 구조에 대한 정보를 포함하는 DNA 영역을 구조 유전자라고 합니다.

Polynucleodite DNA 사슬은 거대한 크기에 도달하므로 세포에서 특정 방식으로 포장됩니다.

Chargaff(1949)는 DNA 구성을 연구하여 개별 DNA 염기의 함량에 관한 중요한 법칙을 확립했습니다. 그들은 DNA의 2차 구조를 밝히는 데 도움을 주었습니다. 이러한 패턴을 Chargaff 규칙이라고 합니다. 샤가프 규칙 퓨린 뉴클레오티드의 합은 피리미딘 뉴클레오티드의 합과 같습니다. 즉, A + G / C + T = 1 아데닌 함량은 티민 함량과 동일합니다(A = T 또는 A/T = 1). 구아닌 함량은 시토신 함량과 동일합니다(G = C 또는 G/C = 1). 6-아미노 그룹의 수는 DNA에 포함된 염기의 6-케토 그룹 수와 동일합니다. G + T = A + C; A + T와 G + C의 합만 변경할 수 있습니다. A + T> G-C이면 이것은 AT 유형의 DNA입니다. G + C> A + T이면 이것은 GC 유형의 DNA입니다. 이러한 규칙은 DNA를 구축할 때 일반적으로 퓨린과 피리미딘 염기 사이에 상당히 엄격한 일치(짝짓기)가 관찰되어서는 안 되며 특히 티민과 아데닌 및 시토신과 구아닌 사이에 관찰되어야 함을 나타냅니다. 1953년을 포함하여 이러한 규칙에 기초하여 Watson과 Crick은 이중 나선이라고 하는 DNA의 2차 구조 모델을 제안했습니다(그림).

DNA의 2차 구조

DNA의 2차 구조는 1953년 D. Watson과 F. Crick이 제안한 이중 나선 구조입니다.

DNA 모델 생성을 위한 전제 조건

초기 분석은 모든 기원의 DNA가 동일한 몰량으로 4개의 뉴클레오티드를 모두 포함한다는 인상을 주었습니다. 그러나 1940년대 E. Chargaff와 그의 동료들은 다양한 유기체에서 분리된 DNA를 분석한 결과 질소 염기가 다양한 정량적 비율로 포함되어 있음을 분명히 보여주었습니다. Chargaff는 이러한 비율이 동일한 유형의 유기체의 모든 세포에서 추출된 DNA에 대해 동일하지만 다른 종의 DNA는 특정 뉴클레오티드의 함량에서 현저하게 다를 수 있음을 발견했습니다. 이것은 질소 염기 비율의 차이가 일종의 생물학적 암호와 관련이 있을 수 있음을 시사했습니다. 서로 다른 DNA 샘플에서 개별 퓨린과 피리미딘 염기의 비율이 다른 것으로 밝혀졌지만 분석 결과를 비교할 때 특정 패턴이 나타났습니다. 모든 샘플에서 퓨린의 총량은 피리미딘의 총량(A + G = T + C), 아데닌의 양은 티민의 양(A = T)과 같았고 구아닌의 양은 시토신의 양(G = C)이었다. 포유류 세포에서 분리된 DNA는 일반적으로 아데닌과 티민이 풍부하고 구아닌과 시토신이 상대적으로 열악한 반면, 박테리아의 DNA는 구아닌과 시토신이 풍부하고 아데닌과 티민이 상대적으로 열악했습니다. 이 데이터는 나중에 Watson-Crick DNA 구조 모델이 구축된 기초 자료의 중요한 부분을 형성했습니다.

DNA의 가능한 구조에 대한 또 다른 중요한 간접적 표시는 단백질 분자의 구조에 대한 L. Pauling의 데이터였습니다. Pauling은 단백질 분자에서 아미노산 사슬의 여러 가지 다른 안정적인 배열이 가능함을 보여주었습니다. 펩티드 사슬의 일반적인 구성 중 하나인 α-나선은 규칙적인 나선 구조입니다. 이러한 구조로 사슬의 인접한 회전에 위치한 아미노산 사이에 수소 결합이 형성될 수 있습니다. Pauling은 1950년에 폴리펩타이드 사슬의 α-나선 구조를 설명하고 DNA 분자도 아마도 수소 결합에 의해 고정된 나선 구조를 가질 것이라고 제안했습니다.

그러나 DNA 분자의 구조에 대한 가장 가치 있는 정보는 X선 구조 분석 결과에 의해 제공되었습니다. DNA 결정을 통과하는 X선은 회절을 겪습니다. 즉, 특정 방향으로 편향됩니다. 광선의 편향 정도와 특성은 분자 자체의 구조에 따라 다릅니다. X-선 회절 패턴(그림 3)은 경험 있는 눈에 조사된 물질의 분자 구조에 관한 많은 간접적인 표시를 제공합니다. DNA의 X선 회절 패턴을 분석한 결과 질소 염기(평평한 모양을 가짐)가 판처럼 쌓여 있다는 결론이 나왔습니다. X선 회절 패턴은 결정질 DNA의 구조에서 0.34, 2 및 3.4nm의 세 가지 주요 주기를 나타냅니다.

왓슨-크릭 DNA 모델

Chargaff의 분석 데이터를 기반으로 Wilkins가 얻은 X선 회절 패턴과 분자 내 원자 사이의 정확한 거리, 주어진 원자의 결합과 원자 크기 사이의 각도에 대한 정보를 제공한 화학자 연구, Watson과 Crick은 특정 규모의 DNA 분자의 개별 구성 부분에 대한 물리적 모델을 구축하기 시작했으며 결과 시스템이 다른 실험 데이터에 해당하는 방식으로 서로 "맞춤"되었습니다. [보여 주다] .

DNA 사슬의 인접한 뉴클레오티드는 한 뉴클레오티드의 데옥시리보스의 5'-탄소 원자와 다음 뉴클레오티드의 데옥시리보스의 3'-탄소 원자를 연결하는 포스포디에스테르 다리에 의해 연결된다는 것은 훨씬 더 일찍 알려져 있었습니다. Watson과 Crick은 0.34nm 주기가 DNA 사슬의 연속적인 뉴클레오티드 사이의 거리에 해당한다는 것을 의심하지 않았습니다. 또한, 2nm의 주기는 체인 두께에 해당한다고 가정할 수 있다. 그리고 어떤 실제 구조가 3.4nm의 주기에 해당하는지 설명하기 위해 이전 Pauling과 마찬가지로 Watson과 Crick은 사슬이 나선 형태로 꼬여 있다고 제안했습니다. 엄밀한 의미의 나선(spiral)은 회전이 공간에서 원통형 표면이 아닌 원뿔형을 형성할 때 얻어집니다. 그러면 3.4nm의 주기는 이 나선의 연속적인 회전 사이의 거리에 해당합니다. 이러한 나선은 매우 조밀하거나 다소 늘어날 수 있습니다. 즉, 회전이 완만하거나 가파르게 될 수 있습니다. 3.4 nm의 주기는 연속된 뉴클레오티드 사이의 거리(0.34 nm)의 정확히 10배이므로 나선의 각 완전한 회전에는 10개의 뉴클레오티드가 포함되어 있음이 분명합니다. 이 데이터로부터 Watson과 Crick은 3.4nm의 회전 간격으로 직경 2nm의 나선으로 꼬인 폴리뉴클레오타이드 사슬의 밀도를 계산할 수 있었습니다. 그러한 사슬의 밀도는 이미 알려진 DNA의 실제 밀도의 절반이 될 것이라는 것이 밝혀졌습니다. 나는 DNA 분자가 두 가닥으로 구성되어 있다고 가정해야 했습니다. 그것은 뉴클레오티드의 이중 나선입니다.

물론 다음 과제는 이중 나선을 형성하는 두 회로 사이의 공간적 관계를 명확히 하는 것이었다. 물리적 모델에서 여러 사슬 레이아웃을 테스트한 후 Watson과 Crick은 사용 가능한 모든 데이터가 두 개의 폴리뉴클레오티드 나선이 반대 방향으로 실행되는 변형에 가장 잘 맞는다는 것을 발견했습니다. 이 경우 설탕과 인산염 잔기로 구성된 사슬이 이중 나선의 표면을 형성하고 퓨린과 피리미딘이 내부에 있습니다. 두 개의 사슬에 속하는 서로 반대편에 위치한 염기는 수소 결합으로 쌍으로 연결됩니다. 사슬을 함께 유지하여 분자의 전체 구성을 고정시키는 것은 이러한 수소 결합입니다.

DNA의 이중 나선은 가로대가 수평 위치에 유지되도록 나선 모양의 로프 사다리로 상상할 수 있습니다. 그런 다음 두 개의 세로 로프는 설탕과 인산염 잔기의 사슬에 해당하고 크로스바는 수소 결합으로 연결된 질소 염기 쌍에 해당합니다.

가능한 모델에 대한 추가 연구의 결과로 Watson과 Crick은 각 "바"가 하나의 퓨린과 하나의 피리미딘으로 구성되어야 한다고 결론지었습니다. 2nm의 주기(이중 나선의 직경에 해당)로 두 개의 퓨린이 들어갈 공간이 충분하지 않고 두 개의 피리미딘이 적절한 수소 결합을 형성하기에 충분히 가깝지 않을 것입니다. 상세한 모델에 대한 심층 연구는 크기가 적절한 조합을 구성하는 아데닌과 시토신이 여전히 그들 사이에 수소 결합을 형성하는 방식으로 위치할 수 없다는 것을 보여주었습니다. 유사한 보고에서는 구아닌-티민 조합의 제외를 강요했지만, 아데닌-티민 및 구아닌-시토신 조합은 상당히 수용 가능했습니다. 수소 결합의 성질은 아데닌이 티민과 쌍을 이루고 구아닌이 시토신과 쌍을 이루는 것과 같습니다. 특정 염기쌍의 개념은 DNA 분자에서 아데닌의 양은 항상 티민의 함량과 같고 구아닌의 양은 시토신의 양과 같다는 "샤가프 법칙"을 설명하는 것을 가능하게 했습니다. 아데닌과 티민 사이에는 두 개의 수소 결합이 형성되고 구아닌과 시토신 사이에는 세 개의 수소 결합이 형성됩니다. 한 사슬의 각 아데닌에 대한 수소 결합 형성의 이러한 특이성으로 인해 티민은 다른 사슬에서 발견됩니다. 마찬가지로 모든 구아닌에 대해 시토신만 찾을 수 있습니다. 따라서 사슬은 서로 상보적입니다. 즉, 한 사슬의 뉴클레오티드 서열이 다른 사슬의 서열을 고유하게 결정합니다. 두 개의 사슬은 반대 방향으로 진행되며 말단 인산염 그룹은 이중 나선의 반대쪽 끝에 있습니다.

연구 결과로 1953년 Watson과 Crick은 오늘날에도 여전히 유효한 DNA 분자 구조 모델을 제안했습니다(그림 3). 이 모델에 따르면 DNA 분자는 두 개의 상보적인 폴리뉴클레오티드 사슬로 구성됩니다. 각 DNA 가닥은 수만 개의 뉴클레오티드로 구성된 폴리뉴클레오티드입니다. 그것에서 인접한 뉴클레오티드는 인산 잔기와 데옥시리보스가 강한 공유 결합으로 연결되어 규칙적인 오탄당-인산 골격을 형성합니다. 이 경우, 한 폴리뉴클레오티드 사슬의 질소 염기는 다른 폴리뉴클레오티드 사슬의 질소 염기에 대해 엄격하게 정의된 순서로 배열됩니다. 폴리뉴클레오티드 사슬에서 질소 염기의 교대는 불규칙합니다.

DNA 사슬에서 질소 염기의 위치는 상보적입니다(그리스어 "보체"-추가에서). 아데닌(A)에 대해서는 항상 티민(T)이 있고 구아닌(G)에 대해서는 시토신(C)만 있습니다. 이것은 A와 T, G와 C가 서로 엄격하게 대응한다는 사실 때문입니다. 서로 보완합니다. 이 대응은 염기의 화학 구조에 의해 주어지며, 이는 퓨린과 피리미딘 쌍에서 수소 결합을 형성할 수 있습니다. A와 T 사이에는 두 개의 연결이 있고 G와 C 사이에는 세 개의 연결이 있습니다. 이 결합은 공간에서 DNA 분자의 부분적인 안정화를 제공합니다. 이 경우 이중나선의 안정성은 G≡C 결합의 수에 정비례하며, 이는 A=T 결합에 비해 더 안정적이다.

한 DNA 가닥에 있는 뉴클레오티드 배열의 알려진 서열은 상보성의 원리에 따라 다른 가닥의 뉴클레오티드를 확립하는 것을 가능하게 합니다.

또한, 수용액에서 방향족 구조를 갖는 질소성 염기가 서로 위에 위치하여 마치 동전 더미를 형성하는 것으로 밝혀졌습니다. 이러한 유기 분자의 스택을 형성하는 과정을 스태킹(stacking)이라고 합니다. 고려중인 Watson-Crick 모델의 DNA 분자의 폴리 뉴클레오티드 사슬은 유사한 물리 화학적 상태를 가지며 질소 염기는 반 데르 발스 상호 작용 (스태킹 상호 작용)이 발생하는 평면 사이에 동전 스택 형태로 위치합니다.

상보적 염기(수평) 사이의 수소 결합과 반 데르 발스 힘(수직)으로 인한 폴리뉴클레오타이드 사슬의 염기 평면 사이의 적층 상호작용은 공간에서 추가적인 안정화를 DNA 분자에 제공합니다.

두 사슬의 당-인산 백본은 서로를 향하여 바깥쪽을 향하고 염기는 안쪽을 향하고 있습니다. DNA에서 사슬의 방향은 역평행입니다(그 중 하나는 방향이 5 "-> 3"이고 다른 하나는 - 3 "-> 5"입니다. 즉, 한 사슬의 3" 끝이 다른 사슬의 5" 끝과 반대입니다. .). 사슬은 공통 축으로 오른쪽 나선을 형성합니다. 나선의 한 바퀴는 10개의 뉴클레오티드이고, 코일의 크기는 3.4 nm이고, 각 뉴클레오티드의 높이는 0.34 nm이고, 나선의 직경은 2.0 nm입니다. 한 가닥이 다른 가닥을 중심으로 회전하면 DNA 이중 나선의 큰 홈(직경 약 20Å)과 작은 홈(약 12Å)이 형성됩니다. 이 형태의 Watson-Crick 이중 나선은 나중에 B 형태라고 불렸습니다. 세포에서 DNA는 일반적으로 가장 안정적인 B형으로 존재합니다.

DNA 기능

제안된 모델은 유전 정보의 저장 및 4개의 뉴클레오티드의 다양한 순차적 조합에 의해 제공되는 유전자의 다양성, 유전 코드의 존재, 자가 복제 능력 등을 포함하여 데옥시리보핵산의 많은 생물학적 특성을 설명했습니다. 복제 과정에 의해 제공되는 유전 정보와 유전 정보의 구현을 단백질 형태로 전달하는 것은 물론, 효소 단백질의 도움으로 형성된 기타 화합물도 포함합니다.

DNA의 기본 기능.

1. DNA는 유전 정보의 운반자이며 유전 코드가 존재한다는 사실에 의해 보장됩니다.
2. 세포와 유기체의 세대에서 유전 정보의 재생산 및 전달. 이 기능은 복제 프로세스에서 제공됩니다.
3. 단백질 형태의 유전 정보 및 단백질 효소의 도움으로 형성된 다른 화합물의 실현. 이 기능은 전사 및 번역 프로세스에 의해 제공됩니다.

이중 가닥 DNA의 조직 형태

DNA는 여러 유형의 이중 나선을 형성할 수 있습니다(그림 4). 현재 6가지 형태가 이미 알려져 있습니다(A에서 E 및 Z 형태로).

로잘린드 프랭클린이 확립한 DNA의 구조적 형태는 핵산 분자의 물의 포화도에 달려 있습니다. X선 구조 분석을 사용한 DNA 섬유 연구에서 X선 ​​회절 패턴은 이 섬유의 상대 습도, 수분 포화도에서 실험이 발생하는 데 근본적으로 의존하는 것으로 나타났습니다. 섬유가 물로 충분히 포화되면 하나의 X-선이 얻어집니다. 건조시 고수분 섬유의 X-ray 패턴과 매우 다른 완전히 다른 X-ray 패턴이 나타났다.

고습도 DNA 분자를 B형이라고 합니다.... 생리학적 조건(낮은 염 농도, 높은 수화도)에서 DNA의 지배적인 구조적 유형은 B-형태입니다(이중 가닥 DNA의 주요 형태는 Watson-Crick 모델임). 이러한 분자의 나선 피치는 3.4 nm입니다. "동전"(질소 기반)의 꼬인 스택 형태로 회전당 10개의 상호 보완적인 쌍이 있습니다. 스택은 스택의 반대되는 두 "동전" 사이의 수소 결합으로 유지되며 오른쪽 나선으로 꼬인 두 개의 포스포디에스테르 골격 리본으로 "포장"됩니다. 질소 염기의 평면은 나선의 축에 수직입니다. 인접한 보완 쌍은 서로에 대해 36 ° 회전됩니다. 나선의 직경은 20 Å이고 퓨린 뉴클레오티드는 12 Å이고 피리미딘 뉴클레오티드는 8 Å입니다.

습도가 낮은 DNA 분자를 A형이라고 합니다.... A형은 수화율이 낮고 Na + 또는 K + 이온 함량이 높은 조건에서 형성됩니다. 이 더 넓은 오른손잡이 구조에는 턴당 11개의 염기쌍이 있습니다. 질소 기반의 평면은 나선형 축에 대해 더 강한 기울기를 가지며 수직에서 나선형 축에 대해 20 ° 편향됩니다. 따라서 직경 5 Å의 내부 공극이 존재합니다. 인접한 뉴클레오티드 사이의 거리는 0.23 nm, 코일 길이는 2.5 nm, 나선 직경은 2.3 nm입니다.

원래 A형 DNA는 덜 중요하다고 생각되었습니다. 그러나 나중에 B형과 마찬가지로 A형 DNA가 생물학적 중요성이 크다는 것이 분명해졌습니다. 주형-프라이머 복합체의 RNA-DNA 나선은 A-형태뿐만 아니라 RNA-RNA 나선 및 RNA 헤어핀 구조를 가지고 있습니다(리보스의 2'-히드록실 그룹은 RNA 분자가 B-형태를 형성하는 것을 허용하지 않음) . A형 DNA가 논란이 되고 있다. DNA의 A형은 B형보다 자외선에 10배 더 강한 것으로 밝혀졌다.

A형과 B형을 표준형 DNA라고 합니다.

양식 C-E또한 오른손잡이로, 그들의 형성은 특별한 실험에서만 관찰될 수 있으며, 분명히 그들은 생체 내에서 존재하지 않습니다. C-form DNA는 B-DNA와 유사한 구조를 가지고 있습니다. 회전당 염기쌍의 수는 9.33이고 나선의 길이는 3.1nm입니다. 기본 쌍은 축에 대한 수직 위치에 대해 8도 각도로 기울어져 있습니다. 홈은 B-DNA 홈과 크기가 비슷합니다. 이 경우 메인 홈은 다소 얕고 보조 홈은 더 깊습니다. 천연 및 합성 DNA 폴리뉴클레오티드는 C-형태로 전달될 수 있습니다.

표 1. 일부 유형의 DNA 구조 특성
나선형 유형	ㅏ	비	지
나선형 계단	0.32nm	3.38nm	4.46nm
나선형 트위스트	오른쪽	오른쪽	왼쪽
턴당 기본 쌍	11	10	12
기본 평면 사이의 거리	0.256nm	0.338nm	0.371nm
배당체 결합 구조	안티	안티	안티-C 신지
후라노오스 주기 구조	C3 "-엔도	C2 "-엔도	C3 "-엔도-G C2 "-엔도-c
홈폭 대/소	1.11/0.22nm	0.57 / 1.17nm	0.2 / 0.88nm
홈 깊이, 소형/대형	0.26 / 1.30nm	0.82 / 0.85nm	1.38 / 0.37nm
나선형 직경	2.3nm	2.0nm	1.8nm

DNA의 구조적 요소
(비정규 DNA 구조)

DNA의 구조적 요소에는 다음과 같은 특수한 서열에 의해 제한되는 특이한 구조가 포함됩니다.

Z-형태의 DNA - 퓨린이 피리미딘과 교대하거나 메틸화된 시토신을 포함하는 반복에서 B-형태의 DNA 대신 형성됩니다. 회문은 2개의 DNA 가닥에 대해 2차 대칭을 갖고 "머리핀"과 "십자가"를 형성하는 염기서열의 역 반복인 역전된 서열입니다. H형 DNA와 DNA 삼중 나선은 정상적인 Watson-Crick 이중 가닥의 한 가닥에 퓨린만 포함하는 영역이 있고 두 번째 가닥에 상보적인 피리미딘이 있는 영역이 있을 때 형성됩니다. G-quadruplex(G-4)는 서로 다른 가닥의 4개 구아닌 염기가 G-quartets(G-tetrads)를 형성하고, 수소 결합으로 G-quadruplexes를 형성하는 4가닥 DNA 나선입니다.

Z자형 DNA 1979년 헥사뉴클레오타이드 d(CG) 3 연구 중 발견 -. 그것은 MIT 교수 Alexander Rich와 그의 동료들에 의해 발견되었습니다. Z형은 퓨린이 피리미딘과 교대하는 DNA 영역(예: 5'-HCGCH-3') 또는 5'의 반복에서 관찰된다는 사실 때문에 DNA의 가장 중요한 구조 요소 중 하나가 되었습니다. -CHCH-3' 메틸화 시토신 함유. Z-DNA의 형성 및 안정화를 위한 필수 조건은 syn-conformation에서 purine nucleotides가 존재하고, anti-conformation에서 pyrimidine 염기와 교대로 존재하는 것입니다.

천연 DNA 분자는 (CH) n 유형의 서열을 포함하지 않는 경우 일반적으로 올바른 B-형태로 존재합니다. 그러나 이러한 서열이 DNA에 포함되어 있으면 포스포디에스테르 골격의 음전하를 중화하는 양이온 또는 용액의 이온 강도가 변할 때 이들 영역이 Z-형태로 변형될 수 있는 반면 사슬의 다른 DNA 영역은 그대로 남아 있습니다. 고전적인 B형. 그러한 전환의 가능성은 DNA 이중 나선의 두 사슬이 동적 상태에 있고 서로에 대해 풀리면서 오른쪽 형태에서 왼쪽 형태로 또는 그 반대로 통과할 수 있음을 나타냅니다. DNA 구조의 구조적 변형을 허용하는 그러한 불안정성의 생물학적 결과는 아직 완전히 이해되지 않았습니다. Z-DNA 영역은 일부 유전자의 발현 조절에 역할을 하고 유전적 재조합에 관여하는 것으로 여겨집니다.

Z-형태의 DNA는 phosphodiester 백본이 분자의 축을 따라 지그재그 방식으로 위치하는 왼손잡이 이중 나선입니다. 따라서 분자의 이름(지그재그) -DHK. Z-DNA는 가장 덜 꼬인(회전당 12개의 염기쌍)이며 자연에서 알려진 가장 얇습니다. 인접한 뉴클레오티드 사이의 거리는 0.38 nm, 코일 길이는 4.56 nm, Z-DNA 직경은 1.8 nm입니다. 또한이 DNA 분자의 모양은 단일 홈의 존재로 구별됩니다.

Z-형태의 DNA는 원핵 및 진핵 세포에서 발견되었습니다. 현재, Z-형과 B-형 DNA를 구별할 수 있는 항체가 얻어졌다. 이 항체는 Drosophila (Dr. melanogaster)의 침샘 세포의 거대 염색체의 특정 영역에 결합합니다. 결합 반응은 밀도가 높은 영역(디스크)이 밀도가 낮은 영역(간디스크)과 대조되는 이 염색체의 특이한 구조로 인해 따르기 쉽습니다. Z-DNA 영역은 인터밴드에 있습니다. 이로부터 Z-형태의 개별 섹션의 크기는 아직 알려지지 않았지만 Z-형태는 실제로 자연 조건에서 존재합니다.

(shifter)는 DNA에서 가장 잘 알려져 있고 자주 발견되는 염기서열입니다. 회문은 같은 방식으로 왼쪽에서 오른쪽으로 또는 그 반대로 읽는 단어 또는 구입니다. 이러한 단어 또는 구의 예는 다음과 같습니다. SHALASH, KAZAK, POTOP 및 ROSE FALLED ON AZOR'S Paw. DNA 영역에 적용할 때 이 용어(회문)는 사슬을 따라 오른쪽에서 왼쪽으로, 왼쪽에서 오른쪽으로 동일한 뉴클레오티드 교대를 의미합니다(단어 "hut"의 문자 등).

회문은 2개의 DNA 가닥에 대해 2차 대칭을 갖는 염기 서열의 역 반복의 존재를 특징으로 한다. 완전히 이해할 수 있는 이유로 이러한 시퀀스는 자체 보완적이며 머리핀 또는 십자형 구조를 형성하는 경향이 있습니다(그림). 머리핀은 조절 단백질이 염색체 DNA의 유전 텍스트가 기록된 위치를 인식하는 데 도움이 됩니다.

동일한 DNA 가닥에 역반복이 존재하는 경우, 이 서열을 거울반복이라고 한다. 미러 반복은 자기 보완적 특성을 갖지 않으므로 헤어핀 또는 십자형 구조를 형성할 수 없습니다. 이 유형의 서열은 거의 모든 큰 DNA 분자에서 발견되며 단지 몇 개의 염기쌍에서 수천 개의 염기쌍에 이르기까지 다양합니다.

E. coli 세포에서 많은 십자형 구조가 생체 내에서 발견되었지만 진핵 세포에서 십자형 구조 형태의 회문의 존재는 입증되지 않았습니다. RNA 또는 단일 가닥 DNA에 자기 상보적 서열이 존재한다는 것은 용액의 핵산 사슬이 많은 "헤어핀"의 형성을 특징으로 하는 특정 공간 구조로 접히는 주된 이유입니다.

H형 DNA는 세 개의 DNA 가닥으로 구성된 나선입니다 - DNA 삼중 나선. 그것은 소위 Hoogsteen 쌍의 형성과 함께 큰 홈에 맞는 세 번째 단일 가닥 DNA 가닥이 있는 Watson-Crick 이중 나선의 복합체입니다.

이러한 삼중체의 형성은 단면의 절반이 이중 나선 형태로 남아 있고 나머지 절반이 분리되는 방식으로 DNA 이중 나선의 접힘의 결과로 발생합니다. 이 경우 연결이 끊어진 나선 중 하나는 이중 나선의 전반부인 삼중 나선으로 새로운 구조를 형성하고 두 번째 나선은 단일 가닥 섹션의 형태로 구조화되지 않은 것으로 판명되었습니다. 이 구조적 전환의 특징은 매질의 pH에 ​​대한 급격한 의존성이며, 이의 양성자는 새로운 구조를 안정화시킵니다. 이 특징으로 인해 새로운 구조는 H-형태의 DNA로 명명되었으며, 그 형성은 미러 반복인 호모퓨린-호모피리미딘 영역을 포함하는 초나선형 플라스미드에서 발견되었습니다.

추가 연구에서 다음을 포함하는 3가닥 구조의 형성과 함께 일부 호모퓨린-호모피리미딘 이중 가닥 폴리뉴클레오타이드의 구조적 전이 가능성:

• 하나의 호모퓨린과 두 개의 호모피리미딘 가닥( 파이-푸-파이 삼중) [후그스틴 상호작용].

  Py-Pu-Py 삼중체의 구성 블록은 CGC + 및 TAT와 동형인 표준 트라이어드입니다. 삼중체의 안정화는 CGC + 삼극성의 양성자화를 필요로 하므로 이러한 삼중체는 용액의 pH에 ​​따라 달라집니다.

• 하나의 호모피리미딘과 두 개의 호모퓨린 가닥( 파이푸푸 삼중) [역 Hoogsteen 상호 작용].

  Py-Pu-Pu 삼중체의 구성 블록은 CGG 및 TAA 삼합체에 대한 표준 동형입니다. Py-Pu-Pu 삼중체의 본질적인 특성은 이중 하전 이온의 존재에 대한 안정성의 의존성이며, 서로 다른 서열의 삼중체를 안정화하려면 서로 다른 이온이 필요합니다. Py-Pu-Pu 삼중체의 형성은 구성 뉴클레오티드의 양성자화를 필요로 하지 않기 때문에 이러한 삼중체는 중성 pH에서 존재할 수 있습니다.

  참고: 직접 및 역 Hoogsteen 상호 작용은 1-메틸티민의 대칭으로 설명됩니다. 180° 회전은 O4 원자가 O2 원자로 대체되고 수소 결합 시스템은 보존된다는 사실로 이어집니다.

삼중 나선에는 두 가지 유형이 있습니다.

1. 세 번째 가닥의 극성이 Watson-Crick 이중체의 호모퓨린 사슬의 극성과 일치하는 평행 삼중 나선
2. 세 번째와 호모퓨린 사슬의 극성이 반대인 역평행 삼중 나선.

Py-Pu-Pu 및 Py-Pu-Py 삼중체 모두에서 화학적으로 상동인 사슬은 역평행 방향입니다. 이것은 NMR 분광법의 데이터에 의해 추가로 확인되었다.

G-쿼드러플렉스- 4가닥 DNA. 이러한 구조는 4개의 구아닌이 동그랗게 춤을 추는 이른바 G-quadruplex를 형성하는 4개의 구아닌이 있는 경우에 형성됩니다.

그러한 구조의 형성 가능성에 대한 첫 번째 힌트는 1910년 Watson과 Crick의 획기적인 연구보다 오래 전에 받았습니다. 그런 다음 독일 화학자 Ivar Bang은 DNA의 구성 요소 중 하나인 구아노신산이 고농도에서 겔을 형성하지만 DNA의 다른 구성 요소에는 이러한 특성이 없음을 발견했습니다.

1962년에 X선 회절법을 사용하여 이 겔의 세포 구조를 확립하는 것이 가능했습니다. 그것은 4개의 구아닌 잔기로 구성되어 원형으로 서로 연결되고 특징적인 사각형을 형성하는 것으로 밝혀졌습니다. 중앙에서 결합은 금속 이온(Na, K, Mg)에 의해 지지됩니다. DNA에 구아닌이 많이 포함되어 있으면 동일한 구조가 DNA에서 형성될 수 있습니다. 이 평평한 정사각형(G-quartets)은 상당히 안정적이고 조밀한 구조(G-quadruplexes)를 형성하기 위해 쌓입니다.

4개의 분리된 DNA 가닥이 4개의 가닥 복합체로 얽힐 수 있지만 이것은 오히려 예외입니다. 더 자주, 핵산의 단일 가닥은 매듭으로 연결되어 특징적인 비후를 형성하거나(예: 염색체의 끝에서), 이중 가닥 DNA는 일부 구아닌이 풍부한 영역에서 국부적 사중체를 형성합니다.

가장 많이 연구된 것은 염색체 말단(텔로미어 및 종양 촉진자)에 사중체의 존재입니다. 그러나 지금까지 인간 염색체에서 그러한 DNA의 위치에 대한 완전한 이해는 알려져 있지 않습니다.

선형 형태의 이러한 특이한 DNA 구조는 모두 B형 DNA에 비해 불안정합니다. 그러나 DNA는 슈퍼코일링(supercoiling)이라고 불리는 현상이 있을 때 토폴로지 응력의 원형 형태로 존재하는 경우가 많습니다. 이러한 조건에서 Z-형태, 십자가 및 머리핀, H-형태, 구아닌 사중체 및 i-모티프와 같은 비정규 DNA 구조가 쉽게 형성됩니다.

• Supercoiled 형태 - 오탄당-인산염 백본을 손상시키지 않고 세포 핵에서 분리되었을 때 나타납니다. 그것은 슈퍼 트위스트 닫힌 링의 모양을 가지고 있습니다. 슈퍼 코일 상태에서 DNA 이중 나선은 적어도 한 번 "그 자체로 꼬여 있습니다". 즉, 적어도 하나의 슈퍼 코일을 포함합니다(8자 형태).
• DNA의 이완된 상태는 단일 절단(한 가닥의 절단)으로 관찰됩니다. 이 경우 슈퍼코일이 사라지고 DNA가 닫힌 고리 형태를 취합니다.
• 선형 형태의 DNA - 이중 나선의 두 가닥이 끊어졌을 때 관찰됩니다.

이 세 가지 형태의 DNA는 모두 겔 전기영동으로 쉽게 분리됩니다.

DNA 3차 구조

DNA 3차 구조이중 가닥 분자의 공간에서 추가 비틀림의 결과로 형성됩니다. 원핵 세포와 달리 진핵 세포에서 DNA 분자의 슈퍼 코일 링은 단백질과의 복합체 형태로 수행됩니다.

거의 모든 진핵생물의 DNA는 핵의 염색체에서 발견되며 미토콘드리아, 식물 및 색소체에는 소량만 포함되어 있습니다. 진핵 세포(인간 염색체 포함)의 염색체의 주요 물질은 이중 가닥 DNA, 히스톤 및 비히스톤 단백질로 구성된 염색질입니다.

염색질 히스톤 단백질

히스톤은 염색질의 최대 50%를 구성하는 단순한 단백질입니다. 연구된 모든 동물 및 식물 세포에서 5가지 주요 히스톤 부류가 발견되었습니다: H1, H2A, H2B, H3, H4, 크기, 아미노산 구성 및 전하 값이 다릅니다(항상 양수).

포유류 히스톤 H1은 약 215개 아미노산의 단일 폴리펩타이드 사슬로 구성됩니다. 다른 히스톤의 크기는 100~135개의 아미노산으로 다양합니다. 그들 모두는 약 2.5 nm의 직경을 가진 구형으로 나선형으로 꼬여 있으며 비정상적으로 많은 양의 양전하를 띤 아미노산 라이신과 아르기닌을 함유하고 있습니다. 히스톤은 아세틸화, 메틸화, 인산화, 폴리(ADP)-리보실화될 수 있으며 히스톤 H2A 및 H2B는 유비퀴틴에 공유적으로 연결됩니다. 구조의 형성과 히스톤에 의한 기능의 수행에서 이러한 변형의 역할은 아직 완전히 밝혀지지 않았습니다. 이것은 DNA와 상호 작용하고 유전자의 작용을 조절하는 메커니즘 중 하나를 제공하는 능력이라고 가정합니다.

히스톤은 주로 DNA의 음으로 하전된 인산염 그룹과 히스톤의 양으로 하전된 라이신 및 아르기닌 잔기 사이에 형성된 이온 결합(염 다리)을 통해 DNA와 상호 작용합니다.

비히스톤 염색질 단백질

히스톤과 달리 비히스톤 단백질은 매우 다양합니다. 최대 590개의 서로 다른 DNA 결합 비히스톤 단백질 분획이 분리되었습니다. 산성 아미노산이 구조에서 우세하기 때문에 산성 단백질이라고도 합니다(다음이온). 염색질 활성의 특정 조절은 다양한 비히스톤 단백질과 관련이 있습니다. 예를 들어, DNA 복제 및 발현에 필요한 효소는 일시적으로 염색질에 결합할 수 있습니다. 예를 들어 다양한 조절 과정에 참여하는 다른 단백질은 특정 조직 또는 특정 분화 단계에서만 DNA에 결합합니다. 각 단백질은 특정 DNA 염기 서열(DNA 부위)에 상보적입니다. 이 그룹에는 다음이 포함됩니다.

• 부위 특이적 징크 핑거 단백질 계열. 각 징크 핑거는 5개의 뉴클레오티드 쌍으로 구성된 특정 부위를 인식합니다.
• 부위 특이적 단백질 계열 - 동종이량체. DNA와 접촉하는 그러한 단백질의 단편은 나선-회전-나선 구조를 갖는다.
• 고 이동성 겔 단백질(HMG 단백질)은 염색질과 지속적으로 연관되는 구조 및 조절 단백질 그룹입니다. 분자량이 30kDa 미만이고 하전된 아미노산 함량이 높은 것이 특징입니다. HMG 단백질은 분자량이 낮기 때문에 폴리아크릴아미드 겔 전기영동 동안 이동성이 높습니다.
• 복제, 전사 및 수리의 효소.

DNA 및 RNA 합성에 관여하는 구조적 조절 단백질 및 효소의 참여로 뉴클레오솜 가닥은 단백질과 DNA의 고도로 축합된 복합체로 전환됩니다. 결과 구조는 원래 DNA 분자보다 10,000배 더 짧습니다.

염색질

염색질은 핵 DNA 및 무기 물질과 단백질의 복합체입니다. 염색질의 대부분은 비활성입니다. 촘촘하게 압축된 DNA가 들어 있습니다. 이질염색질입니다. 발현되지 않은 영역으로 구성된 구성적이고 유전적으로 비활성인 염색질(위성 DNA)과 여러 세대에서 비활성이지만 특정 상황에서 발현할 수 있는 선택적 영역을 구별합니다.

활성 염색질(euchromatin)은 응축되지 않습니다. 덜 단단하게 포장됩니다. 다른 셀에서 그 함량은 2 ~ 11%입니다. 뇌 세포에서는 무엇보다도 10-11%, 간 세포에서는 3-4%, 신장에서는 2-3%입니다. euchromatin의 활성 전사가 주목됩니다. 동시에, 그것의 구조적 조직은 주어진 유형의 유기체에 고유한 하나의 동일한 DNA 유전 정보가 특수화된 세포에서 다른 방식으로 사용될 수 있도록 합니다.

전자현미경에서 염색질의 이미지는 구슬과 유사합니다. 약 10nm 크기의 구형이 두꺼워지고 실 모양의 다리로 분리되어 있습니다. 이러한 구형 비후를 뉴클레오솜이라고 합니다. 뉴클레오솜은 염색질의 구조 단위입니다. 각 뉴클레오솜은 길이가 146개 염기쌍인 초나선형 DNA 세그먼트를 포함하며, 뉴클레오솜 코어에 1.75개의 좌회전이 형성되어 감겨 있습니다. 뉴클레오솜 코어는 히스톤 H2A, H2B, H3 및 H4로 구성된 히스톤 팔량체이며, 각 유형의 두 분자(그림 9)는 직경 11nm, 두께 5.7nm의 원반처럼 보입니다. 다섯 번째 히스톤인 H1은 뉴클레오솜 코어의 일부가 아니며 히스톤 팔량체에 DNA가 감기는 과정에 관여하지 않습니다. 이중 나선이 뉴클레오솜 코어에 들어가고 나가는 DNA와 접촉합니다. 이들은 피질간(링커) DNA 영역으로, 길이는 세포 유형에 따라 40~50개 염기쌍으로 다양합니다. 결과적으로 뉴클레오솜에 포함된 DNA 단편의 길이도 다양합니다(186~196개의 뉴클레오타이드 쌍).

뉴클레오솜은 DNA의 약 90%를 포함하고 나머지는 링커입니다. 뉴클레오솜은 "침묵" 염색질의 단편이며 링커가 활성인 것으로 믿어집니다. 그러나 뉴클레오솜은 펼쳐져 선형이 될 수 있습니다. 펼쳐진 뉴클레오솜은 이미 활성 염색질입니다. 이것은 구조에 대한 기능의 의존성이 명확하게 나타나는 방법입니다. 구상 뉴클레오솜의 구성에 염색질이 많을수록 덜 활성적이라고 가정할 수 있습니다. 분명히, 다른 세포에서 휴식 염색질의 불균등한 비율은 그러한 뉴클레오솜의 수와 관련이 있습니다.

전자 현미경 사진에서 분리 조건과 늘어나는 정도에 따라 염색질은 두꺼워진 긴 실(뉴클레오솜의 "구슬")로 보일 뿐만 아니라 직경이 30인 더 짧고 밀도가 높은 원섬유(섬유)로 보일 수 있습니다. nm, 그 형성은 DNA와 히스톤 H3의 링커 영역에 결합된 히스톤 H1이 상호작용하는 동안 관찰되며, 이는 직경 30 nm의 솔레노이드 형성과 함께 회전당 6개의 뉴클레오솜 나선의 추가 비틀림을 초래합니다. 이 경우 히스톤 단백질은 여러 유전자의 전사를 방해하여 활성을 조절할 수 있습니다.

위에서 설명한 DNA와 히스톤의 상호작용의 결과로 평균 직경 2nm, 길이 57nm인 186개 염기쌍의 DNA 이중 나선 부분이 직경 10nm 및 5nm의 길이. 직경이 30 nm인 섬유로 이 나선형을 연속적으로 압축하면 응축 정도가 6배 증가합니다.

궁극적으로 5개의 히스톤으로 DNA 이중체를 패키징하면 50배 DNA 응축이 발생합니다. 그러나 이러한 높은 정도의 축합으로도 중기 염색체의 DNA가 거의 50,000~100,000배에 달하는 고밀도화를 설명할 수 없습니다. 불행히도 중기 염색체까지의 추가 염색질 패킹에 대한 자세한 내용은 아직 알려져 있지 않으므로 이 과정의 일반적인 특징만 고려할 수 있습니다.

염색체의 DNA 압축 수준

각 DNA 분자는 별도의 염색체에 포장되어 있습니다. 인간 이배체 세포는 세포 핵에 위치한 46개의 염색체를 포함합니다. 세포의 모든 염색체 DNA의 총 길이는 1.74m이지만 염색체가 들어있는 핵의 지름은 수백만 배 작습니다. 염색체에 있는 DNA와 세포 핵에 있는 염색체의 이러한 압축 패킹은 특정 서열에서 DNA와 상호작용하는 다양한 히스톤 및 비-히스톤 단백질에 의해 제공됩니다(위 참조). 염색체에서 DNA를 압축하면 선형 치수를 약 10,000배(일반적으로 5cm에서 5미크론)로 줄일 수 있습니다. 압축에는 여러 수준이 있습니다(그림 10).

• DNA 이중 나선은 직경이 2 nm이고 길이가 수 cm인 음전하를 띤 분자입니다.
• 뉴클레오솜 수준- 염색질은 전자현미경에서 "구슬" - 뉴클레오솜 - "끈 위"의 사슬로 보입니다. 뉴클레오솜은 진염색질과 이질염색질 모두에서, 간기 핵과 중기 염색체에서 발견되는 보편적인 구조 단위입니다.

  압축의 뉴클레오솜 수준은 특수 단백질인 히스톤에 의해 제공됩니다. 8개의 양으로 하전된 히스톤 도메인은 음으로 하전된 DNA 분자가 감겨 있는 뉴클레오솜의 코어(코어)를 형성합니다. 그 결과 직경이 2nm에서 11nm로 증가하는 동안 7배 단축됩니다.

• 솔레노이드 레벨

  염색체 조직의 솔레노이드 수준은 nucleosomal 필라멘트의 비틀림과 솔레노이드 또는 수퍼비드(superbids)에서 직경 20-35 nm의 더 두꺼운 원섬유의 형성을 특징으로 합니다. 솔레노이드의 피치는 11nm이며 회전당 약 6-10개의 뉴클레오솜이 있습니다. 솔레노이드 패킹은 직경이 20-35 nm인 염색질 원섬유가 8개의 뉴클레오솜으로 구성된 과립 사슬 또는 수퍼비드인 초비드보다 가능성이 더 높은 것으로 간주됩니다. 솔레노이드 수준에서 DNA의 선형 크기는 6-10배 감소하고 직경은 30nm로 증가합니다.

• 루프 레벨

  루프 수준은 약 30-300kb의 루프를 형성하는 특정 DNA 서열을 인식하고 이에 결합하는 비히스톤 부위 특이적 DNA 결합 단백질에 의해 제공됩니다. 루프는 유전자 발현을 제공합니다. 즉, E. 루프는 구조적일 뿐만 아니라 기능적 형성이기도 합니다. 이 수준에서 단축은 20-30회 발생합니다. 직경이 300nm로 증가합니다. 양서류 난모세포에서 "램프 브러시" 유형의 루프형 구조는 세포학적 제제에서 볼 수 있습니다. 이 루프는 분명히 초나선 모양이며 염색질 전사 및 복제 단위에 해당하는 DNA 도메인을 나타냅니다. 특정 단백질은 고리의 염기와 아마도 내부 영역의 일부를 고정합니다. 루프 모양의 도메인 조직은 중기 염색체의 염색질이 고차 나선 구조로 접히는 것을 촉진합니다.

• 도메인 수준

  염색체 조직의 도메인 수준은 충분히 연구되지 않았습니다. 이 수준에서 루프 도메인의 형성이 주목됩니다. 60%의 단백질, 35%의 DNA 및 5%의 RNA를 포함하는 25-30nm 두께의 실(피브릴) 구조는 세포의 모든 단계에서 실질적으로 보이지 않습니다. 유사분열을 제외하고 주기이며 세포 핵에 다소 무작위로 분포합니다. 양서류 난모세포에서 "램프 브러시" 유형의 루프형 구조는 세포학적 제제에서 볼 수 있습니다.

  루프 도메인은 종종 MAR/SAR 서열이라고 하는 소위 내장된 부착 부위에서 핵내 단백질 기질에 염기를 부착합니다(MAR, 영국 기질 결합 영역의; SAR, 영국 스캐폴드 부착 영역) - DNA 단편 여러 개 높은 함량(> 65%) A/T 염기쌍을 특징으로 하는 100개의 염기쌍 길이. 각 도메인은 단일 복제 오리진을 갖고 있는 것으로 보이며 독립형 슈퍼코일 유닛으로 기능합니다. 모든 루프 도메인은 많은 전사 단위를 포함하며, 그 기능은 아마도 조정될 것입니다. 전체 도메인은 활성 또는 비활성 상태에 있습니다.

  도메인 수준에서 염색질의 순차적 패킹의 결과로 DNA의 선형 치수는 약 200배(700nm) 감소합니다.

• 염색체 수준

  염색체 수준에서, 비-히스톤 단백질의 축 구조 주위에 루프 도메인의 압축으로 중기 염색체로의 의상 염색체의 응축이 발생한다. 이 슈퍼코일링은 세포의 모든 H1 분자의 인산화를 동반합니다. 결과적으로, 중기 염색체는 촘촘한 나선형으로 감긴 촘촘하게 채워진 솔레노이드 루프로 묘사될 수 있습니다. 일반적인 인간 염색체는 최대 2600개의 루프를 포함할 수 있습니다. 이러한 구조의 두께는 1400nm(2개의 염색분체)에 도달하는 반면, DNA 분자는 104배, 즉 104배 단축됩니다. 5cm의 늘어난 DNA로 5μm.

염색체 기능

염색체 외 기전과 상호 작용하여 염색체는 다음을 제공합니다.

1. 유전 정보의 저장
2. 이 정보를 사용하여 셀룰러 조직을 만들고 유지 관리
3. 유전 정보 읽기 규제
4. 유전 물질의 자기 배가
5. 모세포에서 딸에게 유전 물질 전달.

염색질 영역이 활성화될 때 즉, 전사하는 동안 히스톤 H1이 먼저 가역적으로 제거된 다음 히스톤 옥텟이 제거됩니다. 이것은 염색질 축합, 즉 30나노미터 염색질 원섬유가 10나노미터 필라멘트로 순차적으로 전환되고 자유 DNA 영역으로 추가로 펼쳐지는 현상을 일으킵니다. nucleosomal 구조의 손실.

거의 모든 사람들은 살아있는 세포에 DNA 분자가 있다는 것을 들어봤고 이 분자가 유전 정보 전달을 담당한다는 것을 알고 있습니다. 서로 다른 많은 영화들이 어느 정도는 작지만 자랑스럽고 매우 중요한 분자의 특성에 기반을 두고 있습니다.

그러나 정확히 DNA 분자의 일부가 무엇이며 "전체 유기체의 구조"에 대한 이 전체 정보를 읽는 과정이 어떻게 기능하는지 대략적으로 설명할 수 있는 사람은 거의 없습니다. "데옥시리보핵산"을 망설임 없이 읽을 수 있는 사람은 극소수에 불과합니다.

우리 각자에게 가장 중요한 분자가 무엇이며 어떻게 생겼는지 알아 내려고합시다.

구조적 연결의 구조 - 뉴클레오티드

DNA 분자는 생체 고분자이기 때문에 많은 구조 단위를 포함합니다. 폴리머는 여러 개의 작고 순차적으로 연결된 반복적인 단편으로 구성된 거대 분자입니다. 사슬이 연결고리로 이루어진 것처럼.

DNA 거대 분자의 구조 단위는 뉴클레오티드입니다. DNA 분자의 뉴클레오티드에는 인산, 당류(데옥시리보스) 및 4가지 가능한 질소 함유 염기 중 하나의 3가지 물질이 남아 있습니다.

DNA 분자는 아데닌(A), 구아닌(G), 시토신(C) 및 티민(T)과 같은 질소 염기를 포함합니다.

뉴클레오티드 사슬의 구성은 여기에 포함된 염기의 교대로 표시됩니다: -AAGCGTTAGCACGT- 등. 순서는 무엇이든 될 수 있습니다. 이것은 단일 가닥의 DNA가 형성되는 방식입니다.

분자의 나선형. 상보성 현상

인간 DNA 분자의 크기는 엄청나게 거대합니다(물론 다른 분자의 규모로도)! 단일 세포의 게놈(염색체 46개)에는 약 31억 개의 염기쌍이 있습니다. 이러한 수의 연결로 구성된 DNA 사슬의 길이는 약 2미터입니다. 어떻게 그런 부피가 큰 분자가 작은 세포 안에 수용될 수 있는지 상상하기 어렵습니다.

그러나 자연은 게놈의 더 컴팩트한 포장과 보호를 처리했습니다. 두 사슬은 질소 염기로 연결되어 잘 알려진 이중 나선을 형성합니다. 따라서 분자의 길이를 거의 6배까지 줄일 수 있습니다.

질소 염기의 상호 작용 순서는 상보성 현상에 의해 엄격하게 결정됩니다. 아데닌은 티민과만 결합할 수 있는 반면 시토신은 구아닌과만 상호작용합니다. 이 보완적인 쌍은 퍼즐 조각처럼 열쇠와 자물쇠처럼 함께 맞습니다.

이제 컴퓨터(또는 플래시 드라이브)에 있는 이 작은(당신과 함께 하는 세상의 규모) 분자에 대한 모든 정보가 얼마나 많은 메모리를 수용해야 하는지 계산해 보겠습니다. 뉴클레오티드 쌍의 수는 3.1x10 9입니다. 총 4개의 값이 있으므로 한 쌍에 2비트의 정보(2개의 값)이면 충분합니다. 이 모든 것을 서로 곱하면 620,000,000비트 또는 775,000,000바이트 또는 775,000킬로바이트 또는 775메가바이트가 됩니다. 이는 대략 CD 디스크의 용량 또는 평균 품질의 영화 40분 분량의 분량에 해당합니다.

염색체 형성. 인간 게놈의 정의

나선화 외에도 분자는 반복적으로 압축됩니다. 이중 나선은 실 공처럼 꼬이기 시작합니다. 이 과정을 슈퍼 코일링이라고 하며 사슬이 코일처럼 감겨 있는 특수 히스톤 단백질의 도움으로 발생합니다.

이 과정은 분자의 길이를 25-30배 더 단축시킵니다. 여러 단계의 패킹을 거쳐 점점 더 조밀해지면 하나의 DNA 분자가 보조 단백질과 함께 염색체를 형성합니다.

우리 몸의 모양, 유형 및 기능과 관련된 모든 정보는 유전자 세트에 의해 결정됩니다. 유전자는 DNA 분자의 엄격하게 정의된 부분입니다. 그것은 뉴클레오티드의 일정한 서열로 구성됩니다. 더욱이, 유전자는 그 구성뿐만 아니라 사슬의 다른 부분과 관련된 위치에 의해 엄격하게 결정됩니다.

리보핵산과 단백질 합성에서의 역할

DNA 외에도 기질, 수송 및 리보솜 RNA(리보핵산)와 같은 다른 유형의 핵산이 있습니다. RNA 사슬은 훨씬 더 작고 짧기 때문에 핵막을 관통할 수 있습니다.

RNA 분자는 또한 생체 고분자입니다. 그것의 구조적 단편은 당류(디옥시리보스 대신 리보스)를 약간 제외하고 DNA의 일부인 것과 유사합니다. 질소 염기에는 4가지 유형이 있습니다. 친숙한 A, G, C 및 티민 대신 우라실(U)입니다. 위의 그림은 이 모든 것을 명확하게 보여줍니다.

DNA 거대분자는 RNA 정보를 꼬이지 않은 형태로 전달할 수 있습니다. 나선의 풀림은 이중 나선을 별도의 사슬로 나누는 특수 효소의 도움으로 발생합니다(지퍼의 반쪽이 열린 것처럼).

동시에 상보적 RNA 가닥이 DNA 가닥과 평행하게 생성됩니다. 정보를 복사하고 핵에서 세포 환경으로 이동한 후 RNA 사슬은 게놈에 의해 암호화된 단백질 합성을 시작합니다. 단백질 합성은 특수 세포 소기관인 리보솜에서 발생합니다.

리보솜은 사슬을 읽을 때 RNA에서 정보를 읽을 때 아미노산을 차례로 결합해야 하는 순서를 결정합니다. 그러면 합성된 아미노산 사슬이 특정 3차원 모양을 취합니다.

이 부피가 큰 구조 분자는 효소, 호르몬, 수용체 및 건축 자재의 암호화된 기능을 수행할 수 있는 단백질입니다.

결론

모든 생명체에게 있어 각 유전자의 최종 산물은 단백질(단백질)이다. 우리 세포에 암호화된 다양한 형태, 특성 및 품질을 결정하는 것은 단백질입니다.

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