Značilnosti strukture in delovanja molekule DNK. Struktura DNK: značilnosti, shema

Prvi dokaz o vlogi DNK kot nosilca dednih informacij v organizmih je pritegnil veliko pozornost pri študiju nukleinskih kislin. Leta 1869 je F. Misher iz jeder celic izoliral posebno snov, ki jo je imenoval nuklein. Po 20 letih je to ime zamenjal izraz nukleinska kislina. Leta 1924 je R. Felgen razvil metodo za citološko prepoznavanje nukleinskih kislin s pomočjo njihovega specifičnega obarvanja in pokazal, da je DNK lokalizirana v jedrih celic, RNA pa v citoplazmi. Leta 1936 je A.N. Belozersky in I.I. Dubrovskaya je izolirala DNK v čisti obliki iz jeder rastlinskih celic. Do začetka tridesetih let 20. stoletja. pojasnjeni so bili osnovni kemijski principi zgradbe sladkorjev nukleinskih kislin in leta 1953 je nastal strukturni model DNK.

Osnovna strukturna enota nukleinskih kislin je nukleotid, ki je sestavljen iz treh kemično različnih delov, povezanih s kovalentnimi vezmi (slika 5.2).

riž. 5.2. Strukturne formule: a- nukleotidi; b- DNK; v - RNA (glej tudi str. 110)

riž. 5.2. Konec. Strukturne formule: a- nukleotidi; 6 - DNK; v- RNA

Prvi del je sladkor, ki vsebuje pet ogljikovih atomov: deoksiriboza v DNK in riboza v RNA.

Drugi del nukleotida, purinska ali pirimidinska dušikova baza, je kovalentno vezan na prvi ogljikov atom sladkorja, da tvori strukturo, imenovano nukleozid. DNK vsebuje purinske baze - adenin(A) in gvanin(D) - in pirimidinske baze - timina(T) in citozin(C). Ustrezni nukleozidi se imenujejo deoksiadenozin, deoksigvanozin, deoksitimidin in deoksicitidin. RNA vsebuje enake purinske baze kot DNK, pirimidinska baza citozin, namesto timina pa vsebuje uracil(Y); ustrezni nukleozidi se imenujejo adenozin, gvanozin, uridin in citidin.

Tretji del nukleotida je fosfatna skupina, ki povezuje sosednje nukleozide v polimerno verigo preko fosfodiesterskih vezi med 5-ogljikovim atomom enega sladkorja in 3" ogljikovim atomom drugega (slika 5.2, b, v). Nukleotidi imenujemo nukleozidi z eno ali več fosfatnimi skupinami, vezanimi z estrskimi vezmi na 3 "- ali 5-ogljikove atome sladkorja. Sinteza nukleotidov je pred sintezo nukleinskih kislin, nukleotidi so produkti kemične ali encimske hidrolize nukleotidov.

Nukleinske kisline so zelo dolge polimerne verige, sestavljene iz mononukleotidov, povezanih s 5- in 3'-fosfodiesterskimi vezmi. Neokrnjena molekula DNK vsebuje, odvisno od vrste organizma, od nekaj tisoč do več milijonov nukleotidov, nedotaknjena molekula RNA - od 100 do 100 tisoč ali več nukleotidov.

Rezultati analiz nukleotidne sestave DNK različnih vrst, ki jih je opravil E. Chargaff, so pokazali, da se molekulsko razmerje različnih dušikovih baz - adenina, gvanina, timina, citozina - spreminja v širokih mejah. Posledično se je izkazalo, da DNK sploh ni monoton polimer, sestavljen iz istih tetranukleotidov, kot so domnevali v 40. letih. XX stoletja in da ima v celoti kompleksnost, potrebno za ohranjanje in prenos dednih informacij v obliki določenega zaporedja nukleotidnih baz.

Študije E. Chargaffa so razkrile tudi lastnost, ki je neločljivo povezana z vsemi molekulami DNK: molska vsebnost adenina je enaka vsebnosti timina, molska vsebnost gvanina pa je enaka vsebnosti citozina. Te enakosti imenujemo Chargaffovo ekvivalenčno pravilo: [A] = [T], [G] = [C]; količina purinov je enaka količini pirimidinov. Odvisno od vrste se spreminja le razmerje ([A] + [T]) / ([G] + [C]) (tabela 5.1).

	Sestava baz	Odnos	Asimetrija
		razlogov	Asimetrija
			(A + T) / (G + C)
Živali



Želva

Morski rak
Morski ježek

Rastline, gobe
Pšenični kalčki

Goba Aspergillus niger
bakterije
Escherichia coli
zlati stafilokok
Clostridium perfringens
Brucela abortus
Sarcina lutea
Bakteriofagi


FH 174 (virusna oblika)
FH 174 (replikativna oblika)

Osnovna relacija je poimenovana razmerje nukleotidov(vrsta) specifičnost. Pri odkritju Chargaffa je bila oblikovana pomembna strukturna značilnost DNK, ki se je kasneje odrazila v strukturnem modelu DNK J. Watsona in F. Cricka (1953), ki sta dejansko pokazala, da Chargaffova pravila ne nalagajo nikakršnih omejitev za možno število kombinacij različnih baznih zaporedij, ki lahko tvorijo molekule DNK.

Določba o specifičnosti nukleotidov je bila osnova za novo vejo biologije - genosistematika, ki deluje tako, da primerja sestavo in strukturo nukleinskih kislin za izgradnjo naravnega sistema organizmov.

Po modelu Watson-Crick je molekula DNK sestavljena iz dveh polinukleotidnih verig (verig, verig), ki sta med seboj povezani s prečnimi vodikovimi vezmi med dušikovimi bazami po komplementarnem principu (adenin ene verige je povezan z dvema vodikovima vezma s timinom nasprotne verige, gvanin in citozin različnih verig pa sta med seboj povezana s tremi vodikovimi vezmi). V tem primeru sta dve polinukleotidni verigi ene molekule protivzporedni, torej nasproti 3 "koncu ene verige je 5" konec druge verige in obratno (slika 5.3). Vendar je treba upoštevati sodobne podatke, da genetski material nekaterih virusov predstavljajo enoverižne (enoverižne) molekule DNK. J. Watson in F. Crick sta na podlagi podatkov rentgenske strukturne analize DNK tudi ugotovila, da ima njena dvoverižna molekula sekundarno strukturo v obliki vijačnice, zavite od leve proti desni, ki je kasneje postala znana kot 5-oblika (slika 5.4). Do danes je bilo dokazano, da je poleg najpogostejše 5-oblike mogoče najti regije DNK z drugačno konfiguracijo – kot desničarske (oblike A, C), in zasukani od desne proti levi (levičar ali Z-oblika) (slika 5.4). Med temi oblikami sekundarne strukture DNK obstajajo določene razlike (tabela 5.2). Tako je na primer razdalja med dvema sosednjima paroma dušikovih baz v dvoverižni vijačnici, izražena v nanometrih (nm), za 5-obliko in Z-obliko značilne različne vrednosti (0,34 in 0,38 nm, oziroma). Na sl. 5.5 prikazuje sodobne volumetrične modele "levičarskih" in "desničarskih" oblik DNK.

riž. 5.3. shematski prikaz primarne strukture fragmenta dvoverižne molekule DNK: A - adenin; G - gvanin; T - timin; C - citozin

riž. 5.4.

Tabela 5.2

Lastnosti različnih oblik dvojnih vijačnic DNK

Molekule RNA so glede na njihove strukturne in funkcionalne značilnosti razdeljene na več vrst: informacijska (matrična) RNA (mRNA ali mRNA), ribosomska RNA (rRNA), transportna RNA (tRNA), majhna jedrska RNA (snRNA) itd. iz DNK so molekule RNA vedno enoverižne (enoverižne). Lahko pa tvorijo kompleksnejše (sekundarne) konfiguracije zaradi komplementarne povezave posameznih odsekov takšne verige na podlagi interakcije komplementarnih dušikovih baz (A-U in G-C). Kot primer si lahko ogledamo konfiguracijo v obliki "deteljnega lista" za molekulo transportne RNA fenilalanina (slika 5.6).

riž. 5.6.

Leta 1953 sta D. Watson in F. Crick predlagala model strukture DNK, ki je temeljil na naslednjih postulatih:

1. DNK je polimer, sestavljen iz nukleotidov, povezanih s 3 "- in 5" -fosfodiesterskimi vezmi.
2. Sestava nukleotidov DNK ustreza Chargaffovim pravilom.
3. Molekula DNK ima strukturo dvojne vijačnice, ki spominja na spiralno stopnišče, kar dokazujejo rentgenski difrakcijski vzorci verig DNK, ki sta jih prva pridobila M. Wilkins in R. Franklin.
4. Struktura polimera, kot je prikazana s kislinsko-bazično titracijo naravne (naravne) DNK, je stabilizirana z vodikovimi vezmi. Titracija in segrevanje naravne DNK povzroči opazno spremembo njenih fizikalnih lastnosti, zlasti viskoznosti, ki jo pretvori v denaturirano obliko, kovalentne vezi pa se ne uničijo.

Vsebina

Okrajšava celična DNK je mnogim poznana iz šolskega tečaja biologije, le malokdo pa zlahka odgovori, kaj je. Le nejasna ideja o dednosti in genetiki ostane v spominu takoj po diplomi. Vedeti, kaj je DNK, kakšen vpliv ima na naše življenje, je včasih lahko zelo potrebno.

molekula DNK

Biokemiki razlikujejo tri vrste makromolekul: DNK, RNA in beljakovine. Deoksiribonukleinska kislina je biopolimer, ki je odgovoren za prenos podatkov o dednih lastnostih, značilnostih in razvoju vrste iz roda v rod. Njegov monomer je nukleotid. Kaj so molekule DNK? Je glavna sestavina kromosomov in vsebuje genetsko kodo.

Struktura DNK

Prej so si znanstveniki predstavljali, da je model strukture DNK periodičen, kjer se ponavljajo iste skupine nukleotidov (kombinacije molekul fosfata in sladkorja). Specifična kombinacija nukleotidnih zaporedij zagotavlja sposobnost "kodiranja" informacij. Zahvaljujoč raziskavam se je izkazalo, da je struktura različnih organizmov različna.

Ameriški znanstveniki Alexander Rich, David Davis in Gary Felsenfeld so še posebej znani pri preučevanju vprašanja, kaj je DNK. Leta 1957 so predstavili opis nukleinske kisline s tremi spiralami. 28 let pozneje je znanstvenik Maxim Davidovich Frank-Kamenitsky pokazal, kako se deoksiribonukleinska kislina, ki je sestavljena iz dveh spiral, zloži v obliki črke H iz 3 pramenov.

Struktura deoksiribonukleinske kisline je dvoverižna. V njem so nukleotidi povezani v parih v dolge polinukleotidne verige. Te verige z uporabo vodikovih vezi omogočajo nastanek dvojne vijačnice. Izjema so virusi z enoverižnim genomom. Obstaja linearna DNK (nekateri virusi, bakterije) in krožna (mitohondriji, kloroplasti).

Sestava DNK

Če ne bi vedeli, iz česa je sestavljena DNK, ne bi bilo medicinskega napredka. Vsak nukleotid je sestavljen iz treh delov: ostanka pentoznega sladkorja, dušikove baze in ostanka fosforne kisline. Glede na značilnosti spojine lahko kisline imenujemo deoksiribonukleinska ali ribonukleinska. DNK vsebuje ogromno mononukleotidov iz dveh baz: citozina in timina. Poleg tega vsebuje derivate pirimidina, adenin in gvanin.

V biologiji obstaja definicija DNK - junk DNK. Njegove funkcije še niso znane. Alternativna različica imena je "nekodiranje", kar ni res, saj vsebuje kodirne beljakovine, transpozone, vendar je tudi njihov namen skrivnost. Ena od delovnih hipotez kaže, da določena količina te makromolekule prispeva k strukturni stabilizaciji genoma pred mutacijami.

Kje je

Lokacija v kletki je odvisna od značilnosti vrste. V enoceličnih organizmih se DNK nahaja v membrani. Pri drugih živih bitjih se nahaja v jedru, plastidih in mitohondrijih. Če govorimo o človeški DNK, potem se imenuje kromosom. Res je, to ni povsem res, saj so kromosomi kompleks kromatina in deoksiribonukleinske kisline.

Vloga v kletki

Glavna vloga DNK v celicah je prenos dednih genov in preživetje prihodnjih generacij. Od tega niso odvisni le zunanji podatki bodočega posameznika, temveč tudi njegov značaj in zdravje. Deoksiribonukleinska kislina je v superzvitem stanju, vendar jo je treba za kakovosten življenjski proces razviti. Pri tem ji pomagajo encimi – topoizomeraze in helikaze.

Topoizomeraze so nukleaze, ki lahko spremenijo stopnjo zvitosti. Druga njihova funkcija je sodelovanje pri transkripciji in replikaciji (delitev celic). Helikaze prekinejo vodikove vezi med bazami. Obstajajo encimi ligaza, ki "navzkrižno povezujejo" pretrgane vezi, in polimeraze, ki sodelujejo pri sintezi novih polinukleotidnih verig.

Kako DNK pomeni

Ta kratica za biologijo je znana. Polno ime DNK je deoksiribonukleinska kislina. Tega ne more vsak povedati prvič, zato je dekodiranje DNK v govoru pogosto izpuščeno. Obstaja tudi koncept RNA - ribonukleinska kislina, ki je sestavljena iz zaporedij aminokislin v beljakovinah. So neposredno povezani, RNA pa je druga najpomembnejša makromolekula.

Človeška DNK

Človeški kromosomi so ločeni znotraj jedra, zaradi česar je človeška DNK najbolj stabilen in popoln nosilec informacij. Med genetsko rekombinacijo se vijačnice ločijo, regije zamenjajo, nato pa se vez obnovi. Zaradi poškodb DNK nastajajo nove kombinacije in vzorci. Celoten mehanizem spodbuja naravno selekcijo. Še vedno ni znano, kako dolgo je bila odgovorna za prenos genoma in kakšen je njen metabolični razvoj.

Kdo je odprl

Prvo odkritje strukture DNK pripisujejo angleškim biologom Jamesu Watsonu in Francisu Cricku, ki sta leta 1953 odkrila strukturne značilnosti molekule. Odkril jo je leta 1869 švicarski zdravnik Friedrich Mischer. Preučeval je kemično sestavo živalskih celic z uporabo levkocitov, ki se množično kopičijo v gnojnih lezijah.

Misher je preučeval načine za izpiranje levkocitov, izoliranih beljakovin, ko je odkril, da poleg njih obstaja še nekaj. Med obdelavo na dnu posode nastane oborina iz kosmičev. Po preučevanju teh usedlin pod mikroskopom je mladi zdravnik odkril jedra, ki so ostala po zdravljenju s klorovodikovo kislino. Vseboval je spojino, ki jo je Frederick imenoval nuklein (iz latinskega nucleus - jedro).

MOSKVA, 25. aprila - RIA Novosti, Tatjana Pičugina. Pred natanko 65 leti sta britanska znanstvenika James Watson in Francis Crick objavila članek o dešifriranju strukture DNK in postavila temelje za novo znanost – molekularno biologijo. To odkritje je veliko spremenilo v življenju človeštva. RIA Novosti govori o lastnostih molekule DNK in zakaj je tako pomembna.

V drugi polovici 19. stoletja je bila biologija zelo mlada znanost. Znanstveniki so celico šele začeli preučevati in koncept dednosti, čeprav jih je že oblikoval Gregor Mendel, ni dobil širokega sprejema.

Spomladi 1868 je mladi švicarski zdravnik Friedrich Miescher prišel na univerzo v Tübingenu (Nemčija) za znanstveno delo. Nameraval je ugotoviti, iz katerih snovi je celica. Za poskuse sem izbral levkocite, ki jih je enostavno dobiti iz gnoja.

Z ločitvijo jedra od protoplazme, beljakovin in maščob je Misher odkril spojino z visoko vsebnostjo fosforja. To molekulo je imenoval nuklein ("jedro" v latinščini je jedro).

Ta spojina je pokazala kislinske lastnosti, zato je bil skovan izraz "nukleinska kislina". Njegova predpona "deoksiribo" pomeni, da molekula vsebuje skupine H in sladkorje. Potem se je izkazalo, da je v resnici sol, a imena niso spremenili.

Na začetku 20. stoletja so znanstveniki že vedeli, da je nuklein polimer (to je zelo dolga fleksibilna molekula ponavljajočih se enot), enote so sestavljene iz štirih dušikovih baz (adenin, timin, gvanin in citozin) in nuklein je vsebovan v kromosomih - kompaktnih strukturah, ki nastanejo v celicah, ki se delijo. Njihovo sposobnost prenosa dednih lastnosti je v poskusih na sadnih muh dokazal ameriški genetik Thomas Morgan.

Model, ki pojasnjuje gene

Toda kaj počne deoksiribonukleinska kislina ali skrajšano DNK v celičnem jedru, dolgo niso razumeli. Menili so, da igra nekakšno strukturno vlogo v kromosomih. Enote dednosti - geni - so bile pripisane naravi beljakovin. Preboj je naredil ameriški raziskovalec Oswald Avery, ki je eksperimentalno dokazal, da se genski material z bakterij na bakterije prenaša prek DNK.

Postalo je jasno, da je treba DNK preučiti. Ampak kako? Takrat so bili znanstvenikom na voljo le rentgenski žarki. Da bi skoznje zasijale biološke molekule, so se morale kristalizirati, kar je težko. Dešifriranje strukture beljakovinskih molekul z rentgenskimi difrakcijskimi vzorci smo izvedli v Cavendish Laboratory (Cambridge, Velika Britanija). Mlada raziskovalca James Watson in Francis Crick, ki sta delala tam, nista imela svojih eksperimentalnih podatkov o DNK, zato sta uporabila radiografije kolegov s King's Collegea Mauricea Wilkinsa in Rosalind Franklin.

Watson in Crick sta predlagala model strukture DNK, ki natančno ustreza vzorcem rentgenske difrakcije: dve vzporedni verigi sta zasukani v desno vijačnico. Vsaka veriga je zložena s poljubnim nizom dušikovih baz, ki so nanizane na hrbtenico njihovih sladkorjev in fosfatov in jih držijo vodikove vezi, raztegnjene med bazami. Poleg tega se adenin kombinira samo s timinom, gvanin pa s citozinom. To pravilo se imenuje načelo komplementarnosti.

Model Watson in Crick je razložil štiri glavne funkcije DNK: replikacijo genskega materiala, njegovo specifičnost, shranjevanje informacij v molekuli in njeno sposobnost mutacije.

Znanstveniki so svoje odkritje objavili v reviji Nature 25. aprila 1953. Deset let pozneje sta bila z Mauriceom Wilkinsom nagrajena z Nobelovo nagrado za biologijo (Rosalind Franklin je umrla leta 1958 zaradi raka v starosti 37 let).

"Zdaj, več kot pol stoletja pozneje, lahko trdimo, da je odkritje strukture DNK imelo pri razvoju biologije enako vlogo kot odkritje atomskega jedra v fiziki. Razjasnitev strukture atoma je privedla do rojstvo nove kvantne fizike in odkritje strukture DNK sta privedla do rojstva nove, molekularne biologije, "- piše Maxim Frank-Kamenetsky, izjemni genetik, raziskovalec DNK, avtor knjige "The Najpomembnejša molekula".

Genetska koda

Zdaj je ostalo le še ugotoviti, kako deluje ta molekula. Znano je bilo, da DNK vsebuje navodila za sintezo celičnih beljakovin, ki opravljajo vse delo v celici. Beljakovine so polimeri, sestavljeni iz ponavljajočih se nizov (zaporedij) aminokislin. Poleg tega obstaja le dvajset aminokislin. Živalske vrste se med seboj razlikujejo po naboru beljakovin v celicah, torej po različnih zaporedjih aminokislin. Genetika je trdila, da te sekvence dajejo geni, za katere se je takrat verjelo, da služijo kot prvi gradniki življenja. Toda kakšni so geni, nihče ni natančno vedel.

Avtor teorije velikega poka, fizik Georgy Gamov, uslužbenec univerze George Washington (ZDA), je jasno povedal. Na podlagi modela dvoverižne DNK vijačnice Watsona in Cricka je predlagal, da je gen del DNK, torej določeno zaporedje povezav – nukleotidov. Ker je vsak nukleotid ena od štirih dušikovih baz, morate samo ugotoviti, kako štirje elementi kodirajo dvajset. To je bila ideja za genetsko kodo.

V zgodnjih šestdesetih letih prejšnjega stoletja je bilo ugotovljeno, da se beljakovine sintetizirajo iz aminokislin v ribosomih - nekakšnih "tovarnah" znotraj celice. Za začetek sinteze beljakovin se encim približa DNK, prepozna določeno mesto na začetku gena, sintetizira kopijo gena v obliki majhne RNK (imenovana je šablona), nato se iz aminokislina zraste protein. kisline v ribosomu.

Ugotovili so tudi, da je genetska koda tričrka. To pomeni, da trije nukleotidi ustrezajo eni aminokislini. Enota kode se je imenovala kodon. V ribosomu se informacije iz mRNA berejo kodon za kodonom, zaporedno. In vsak od njih ustreza več aminokislinam. Kako izgleda šifra?

Na to vprašanje sta odgovorila Marshall Nirenberg in Heinrich Mattei iz ZDA. Leta 1961 so svoje rezultate prvič predstavili na biokemičnem kongresu v Moskvi. Do leta 1967 je bila genetska koda popolnoma dešifrirana. Izkazalo se je, da je univerzalen za vse celice vseh organizmov, kar je imelo daljnosežne posledice za znanost.

Odkritje strukture DNK in genetske kode je popolnoma preusmerilo biološke raziskave. Dejstvo, da ima vsak posameznik edinstveno zaporedje DNK, je temeljito spremenilo forenzično znanost. Dešifriranje človeškega genoma je antropologom dalo popolnoma novo metodo preučevanja evolucije naše vrste. Nedavno izumljeni urejevalnik DNK CRISPR-Cas je genski inženiring popeljal veliko naprej. Očitno ta molekula shranjuje rešitev za najbolj pereče probleme človeštva: rak, genetske bolezni, staranje.

Nukleinske kisline so visokomolekularne snovi, sestavljene iz mononukleotidov, ki so med seboj povezani v polimerno verigo s pomočjo 3 ", 5" - fosfodiesterskih vezi in so na določen način pakirani v celicah.

Nukleinske kisline so biopolimeri dveh vrst: ribonukleinska kislina (RNA) in deoksiribonukleinska kislina (DNK). Vsak biopolimer je sestavljen iz nukleotidov, ki se razlikujejo po ostanku ogljikovih hidratov (riboza, deoksiriboza) in eni od dušikovih baz (uracil, timin). Glede na te razlike so nukleinske kisline dobile svoje ime.

Struktura deoksiribonukleinske kisline

Nukleinske kisline imajo primarno, sekundarno in terciarno strukturo.

Primarna struktura DNK

Primarna struktura DNK se imenuje linearna polinukleotidna veriga, v kateri so mononukleotidi povezani s 3 ", 5" -fosfodiesterskimi vezmi. Izhodni material za sestavljanje verige nukleinske kisline v celici je nukleozid 5"-trifosfat, ki je zaradi odstranitve ostankov β in γ fosforne kisline sposoben pritrditi 3" ogljikov atom drugega nukleozida. . Tako se 3 "ogljikov atom ene deoksiriboze kovalentno veže na 5" ogljikov atom druge deoksiriboze preko enega ostanka fosforne kisline in tvori linearno polinukleotidno verigo nukleinske kisline. Od tod tudi ime: 3 ", 5" -fosfodiesterske vezi. Dušikove baze ne sodelujejo pri kombinaciji nukleotidov ene verige (slika 1.).

Takšna povezava med preostankom molekule fosforne kisline enega nukleotida in ogljikovim hidratom drugega vodi do tvorbe pentozno-fosfatnega skeleta polinukleotidne molekule, na katero so eno za drugo na strani pritrjene dušikove baze. Njihovo zaporedje razporeditve v verigah molekul nukleinskih kislin je strogo specifično za celice različnih organizmov, t.j. je posebne narave (Chargaffovo pravilo).

Linearna veriga DNK, katere dolžina je odvisna od števila nukleotidov, vključenih v verigo, ima dva konca: eden se imenuje 3 "konec in vsebuje prosti hidroksil, drugi, 5" konec, pa vsebuje fosforno kislino. ostanek. Veriga je polarizirana in ima lahko smer 5 "-> 3" in 3 "-> 5". Izjema je krožna DNK.

Genetsko "besedilo" DNK je sestavljeno iz kodnih "besed" - trojčkov nukleotidov, imenovanih kodoni. Regije DNK, ki vsebujejo informacije o primarni strukturi vseh vrst RNA, se imenujejo strukturni geni.

Polinukleoditne DNK verige dosegajo velikanske velikosti, zato so na določen način pakirane v celici.

Chargaff (1949) je s preučevanjem sestave DNK vzpostavil pomembne zakonitosti glede vsebine posameznih baz DNK. Pomagali so odkriti sekundarno strukturo DNK. Ti vzorci se imenujejo Chargaffova pravila.

Chargaff pravila

vsota purinskih nukleotidov je enaka vsoti pirimidinskih nukleotidov, t.j. A + G / C + T = 1
vsebnost adenina je enaka vsebnosti timina (A = T ali A / T = 1);
vsebnost gvanina je enaka vsebnosti citozina (G = C ali G / C = 1);
število 6-amino skupin je enako številu 6-keto skupin baz, ki jih vsebuje DNK: G + T = A + C;
spremenljiva je le vsota A + T in G + C. Če je A + T> G-C, potem je to AT-tip DNK; če je G + C> A + T, potem je to GC-tip DNK.

Ta pravila kažejo, da pri gradnji DNK ne bi smeli upoštevati dokaj strogega ujemanja (združevanja) med purinskimi in pirimidinskimi bazami na splošno, temveč zlasti timinom z adeninom in citozinom z gvaninom.

Na podlagi teh pravil, vključno z leta 1953, sta Watson in Crick predlagala model sekundarne strukture DNK, imenovan dvojna vijačnica (slika).

Sekundarna struktura DNK

Sekundarna struktura DNK je dvojna vijačnica, katere model sta leta 1953 predlagala D. Watson in F. Crick.

Predpogoji za izdelavo modela DNK

Začetne analize so dale vtis, da DNK katerega koli izvora vsebuje vse štiri nukleotide v enakih molskih količinah. Vendar so v štiridesetih letih prejšnjega stoletja E. Chargaff in njegovi sodelavci kot rezultat analize DNK, izolirane iz različnih organizmov, jasno pokazali, da so v njih dušikove baze v različnih količinskih razmerjih. Chargaff je ugotovil, da čeprav so ta razmerja enaka za DNK iz vseh celic iste vrste organizma, se lahko DNK različnih vrst izrazito razlikuje v vsebnosti določenih nukleotidov. To je nakazovalo, da so razlike v razmerju dušikovih baz lahko povezane z nekakšno biološko kodo. Čeprav se je izkazalo, da je razmerje posameznih purinskih in pirimidinskih baz v različnih vzorcih DNK različno, se je pri primerjavi rezultatov analize pojavil določen vzorec: v vseh vzorcih je bila skupna količina purinov enaka skupni količini pirimidinov (A + G = T + C), je bila količina adenina enaka količini timina (A = T), količina gvanina pa količini citozina (G = C). DNK, izolirana iz celic sesalcev, je bila na splošno bogatejša z adeninom in timinom ter razmeroma revnejša z gvaninom in citozinom, medtem ko je bila pri bakterijah DNK bogatejša z gvaninom in citozinom ter razmeroma revnejša z adeninom in timinom. Ti podatki so predstavljali pomemben del dejanskega gradiva, na podlagi katerega je bil kasneje zgrajen model strukture Watson-Crickove DNK.

Druga pomembna posredna indikacija možne strukture DNK so bili podatki L. Paulinga o strukturi beljakovinskih molekul. Pauling je pokazal, da je možnih več različnih stabilnih konfiguracij verige aminokislin v proteinski molekuli. Ena od pogostih konfiguracij peptidne verige, α-vijačnica, je pravilna spiralna struktura. S takšno strukturo je možna tvorba vodikovih vezi med aminokislinami, ki se nahajajo na sosednjih zavojih verige. Pauling je leta 1950 opisal α-vijačno konfiguracijo polipeptidne verige in predlagal, da imajo tudi molekule DNK verjetno spiralno strukturo, fiksirano z vodikovimi vezmi.

Najbolj dragocene informacije o strukturi molekule DNK pa so dobili rezultati rentgenske strukturne analize. Rentgenski žarki, ki prehajajo skozi kristal DNK, so podvrženi difrakciji, to je, da se odklonijo v določenih smereh. Stopnja in narava odklona žarkov sta odvisni od strukture samih molekul. Rentgenski difrakcijski vzorec (slika 3) daje izkušenemu očesu številne posredne indikacije glede strukture molekul preiskovane snovi. Analiza rentgenskih difrakcijskih vzorcev DNK je privedla do zaključka, da so dušikove baze (ki imajo ravno obliko) zložene kot kup plošč. Rentgenski difrakcijski vzorci so razkrili tri glavna obdobja v strukturi kristalne DNK: 0,34, 2 in 3,4 nm.

Watson-Crickov DNK model

Na podlagi Chargaffovih analitičnih podatkov, vzorcev rentgenske difrakcije, ki jih je pridobil Wilkins, in raziskav kemikov, ki so zagotovili informacije o natančnih razdaljah med atomi v molekuli, o kotih med vezmi danega atoma in velikosti atomov, Watson in Crick sta začela graditi fizične modele posameznih sestavnih delov molekule DNK v določenem merilu in jih "prilagati" drug drugemu na način, da bi nastali sistem ustrezal različnim eksperimentalnim podatkom. [pokaži] .

Že prej je bilo znano, da so sosednji nukleotidi v verigi DNK povezani s fosfodiesterskimi mostovi, ki povezujejo 5'-ogljikov atom deoksiriboze enega nukleotida s 3'-ogljikovim atomom deoksiriboze naslednjega nukleotida. Watson in Crick nista dvomila, da obdobje 0,34 nm ustreza razdalji med zaporednimi nukleotidi v verigi DNK. Nadalje bi lahko domnevali, da obdobje 2 nm ustreza debelini verige. In da bi pojasnili, katera resnična struktura ustreza obdobju 3,4 nm, sta Watson in Crick, tako kot Pauling prej, predlagala, da je veriga zavita v obliki spirale (ali, natančneje, tvori spiralno črto, saj spirala v ožjem pomenu te besede dobimo, ko zavoji tvorijo stožčasto in ne valjasto površino v prostoru). Potem bo obdobje 3,4 nm ustrezalo razdalji med zaporednimi zavoji te spirale. Takšna spirala je lahko zelo gosta ali nekoliko raztegnjena, to pomeni, da so njeni zavoji lahko nežni ali strmi. Ker je obdobje 3,4 nm natančno 10-kratna razdalja med zaporednimi nukleotidi (0,34 nm), je jasno, da vsak popoln obrat vijačnice vsebuje 10 nukleotidov. Iz teh podatkov sta Watson in Crick lahko izračunala gostoto polinukleotidne verige, zvite v vijačnico s premerom 2 nm z razdaljo med zavoji, ki je enaka 3,4 nm. Izkazalo se je, da bi bila gostota takšne verige polovica dejanske gostote DNK, ki je bila že znana. Moral sem domnevati, da je molekula DNK sestavljena iz dveh verig – da gre za dvojno vijačnico nukleotidov.

Naslednja naloga je bila seveda razjasniti prostorsko razmerje med obema vezjema, ki tvorita dvojno vijačnico. Po testiranju številnih verižnih postavitev na svojem fizičnem modelu sta Watson in Crick ugotovila, da se vsi razpoložljivi podatki najbolje ujemajo z različico, pri kateri dve polinukleotidni vijačnici potekata v nasprotnih smereh; v tem primeru verige, sestavljene iz ostankov sladkorja in fosfata, tvorijo površino dvojne vijačnice, znotraj pa se nahajajo purini in pirimidini. Osnove, ki se nahajajo ena nasproti druge, pripadajo dvema verigama, so povezane v parih z vodikovimi vezmi; te vodikove vezi držijo verige skupaj in tako fiksirajo celotno konfiguracijo molekule.

Dvojno vijačnico DNK si lahko predstavljamo kot spiralno oblikovano vrvno lestev, tako da njene prečke ostanejo v vodoravnem položaju. Nato bosta dve vzdolžni vrvi ustrezali verigam ostankov sladkorja in fosfata, prečke pa parom dušikovih baz, povezanih z vodikovimi vezmi.

Kot rezultat nadaljnjega preučevanja možnih modelov sta Watson in Crick sklenila, da mora biti vsaka "palica" sestavljena iz enega purina in enega pirimidina; s periodo 2 nm (kar ustreza premeru dvojne vijačnice) ne bi bilo dovolj prostora za oba purina in dva pirimidina ne bi bila dovolj blizu drug drugemu, da bi tvorila ustrezne vodikove vezi. Poglobljena študija podrobnega modela je pokazala, da adenin in citozin, ki sestavljata po velikosti primerno kombinacijo, še vedno ni mogoče locirati tako, da bi med njima tvorila vodikove vezi. Podobna poročila so prisilila k izključitvi kombinacije gvanin-timin, medtem ko so bile kombinacije adenin-timin in gvanin-citozin povsem sprejemljive. Narava vodikovih vezi je taka, da adenin tvori par s timinom, gvanin pa s citozinom. Ta koncept specifičnega združevanja baz je omogočil razlago "Chargaffovega pravila", po katerem je v kateri koli molekuli DNK količina adenina vedno enaka vsebnosti timina, količina gvanina pa je enaka količini citozina. Med adeninom in timinom nastaneta dve vodikovi vezi, med gvaninom in citozinom pa tri vodikove vezi. Zaradi te specifičnosti pri tvorbi vodikovih vezi proti vsakemu adeninu v eni verigi najdemo timin v drugi; prav tako lahko proti vsakemu gvaninu najdemo le citozin. Tako so verige medsebojno komplementarne, to pomeni, da zaporedje nukleotidov v eni verigi enolično določa njihovo zaporedje v drugi. Dve verigi potekata v nasprotnih smereh, njuni končni fosfatni skupini pa sta na nasprotnih koncih dvojne vijačnice.

Kot rezultat svojih raziskav sta Watson in Crick leta 1953 predlagala model strukture molekule DNK (slika 3), ki ostaja aktualen še danes. Po modelu je molekula DNK sestavljena iz dveh komplementarnih polinukleotidnih verig. Vsaka veriga DNK je polinukleotid iz več deset tisoč nukleotidov. V njej sosednji nukleotidi tvorijo pravilno pentozo-fosfatno hrbtenico zaradi povezave ostanka fosforne kisline in deoksiriboze z močno kovalentno vezjo. V tem primeru so dušikove baze ene polinukleotidne verige razporejene v strogo določenem vrstnem redu proti dušikovim bazam druge. Menjava dušikovih baz v polinukleotidni verigi je nepravilna.

Lokacija dušikovih baz v verigi DNK je komplementarna (iz grškega "komplementa" - dodajanje), t.j. proti adeninu (A) je vedno timin (T), proti gvaninu (G) pa samo citozin (C). To je posledica dejstva, da se A in T, pa tudi G in C strogo ujemata drug drugemu, t.j. se dopolnjujejo. To korespondenco daje kemična struktura baz, ki omogoča tvorbo vodikovih vezi v paru purina in pirimidina. Med A in T sta dve povezavi, med G in C tri. Te vezi zagotavljajo delno stabilizacijo molekule DNK v vesolju. V tem primeru je stabilnost dvojne vijačnice neposredno sorazmerna s številom G≡C vezi, ki so bolj stabilne v primerjavi z vezmi A = T.

Znano zaporedje razporeditve nukleotidov v eni verigi DNK omogoča po načelu komplementarnosti vzpostavitev nukleotidov druge verige.

Poleg tega je bilo ugotovljeno, da se dušikove baze z aromatično strukturo v vodni raztopini nahajajo ena nad drugo in tvorijo tako rekoč kup kovancev. Ta proces oblikovanja skladov organskih molekul se imenuje zlaganje. Polinukleotidne verige molekule DNK obravnavanega modela Watson-Crick imajo podobno fizikalno-kemijsko stanje, njihove dušikove baze se nahajajo v obliki sklada kovancev, med ravninami katerih nastanejo van der Waalsove interakcije (interakcije zlaganja).

Vodikove vezi med komplementarnimi bazami (horizontalno) in interakcija z zlaganjem med ravninami baz v polinukleotidni verigi zaradi van der Waalsovih sil (navpično) zagotavljajo molekuli DNK dodatno stabilizacijo v prostoru.

Sladkorno-fosfatne hrbtenice obeh verig so obrnjene navzven, baze pa navznoter, druga proti drugi. Smer verig v DNK je antiparalelna (ena od njih ima smer 5 "-> 3", druga - 3 "-> 5", tj. 3 "konec ene verige je nasproti 5" konca druge .). Verige tvorijo desne spirale s skupno osjo. En obrat vijačnice je 10 nukleotidov, velikost tuljave je 3,4 nm, višina vsakega nukleotida je 0,34 nm, premer vijačnice pa 2,0 nm. Zaradi vrtenja ene verige okoli druge nastaneta velik utor (približno 20 Å v premeru) in majhen utor (približno 12 Å) dvojne vijačnice DNK. Ta oblika Watson-Crickove dvojne vijačnice je bila kasneje imenovana B-oblika. V celicah DNK običajno obstaja v obliki B, ki je najbolj stabilna.

Funkcije DNK

Predlagani model je pojasnil številne biološke lastnosti deoksiribonukleinske kisline, vključno s shranjevanjem genetskih informacij in raznolikostjo genov, ki jih zagotavlja široka paleta zaporednih kombinacij 4 nukleotidov in dejstvo obstoja genetske kode, sposobnost samoreprodukcije. in prenos genetskih informacij, ki jih zagotavlja proces replikacije, in implementacija genetskih informacij v obliki beljakovin, kot tudi vseh drugih spojin, ki nastanejo s pomočjo encimskih proteinov.

Osnovne funkcije DNK.

DNK je nosilec genetske informacije, kar zagotavlja dejstvo obstoja genetske kode.
Reprodukcija in prenos genetskih informacij v generacijah celic in organizmov. To funkcionalnost zagotavlja postopek replikacije.
Uresničitev genetskih informacij v obliki beljakovin, pa tudi vseh drugih spojin, ki nastanejo s pomočjo beljakovin-encimov. To funkcijo zagotavljajo postopki transkripcije in prevajanja.

Oblike organizacije dvoverižne DNK

DNK lahko tvori več vrst dvojnih vijačnic (slika 4). Trenutno je znanih že šest oblik (od A do E in Z-oblika).

Strukturne oblike DNK, kot je ugotovila Rosalind Franklin, so odvisne od nasičenosti vode v molekuli nukleinske kisline. V študijah vlaken DNK z uporabo rentgenske strukturne analize se je pokazalo, da je vzorec rentgenske difrakcije radikalno odvisen od tega, pri kakšni relativni vlažnosti, pri kakšni stopnji nasičenosti tega vlakna z vodo se eksperiment izvaja. Če je bilo vlakno dovolj nasičeno z vodo, dobimo en rentgenski žarek. Pri sušenju se je pojavil popolnoma drugačen rentgenski vzorec, zelo drugačen od rentgenskega vzorca vlaken z visoko vlažnostjo.

Molekula DNK z visoko vlažnostjo se imenuje B-oblika... V fizioloških pogojih (nizka koncentracija soli, visoka stopnja hidracije) je prevladujoči strukturni tip DNK B-oblika (glavna oblika dvoverižne DNK je Watson-Crickov model). Nagib vijačnice takšne molekule je 3,4 nm. Na zavoj je 10 komplementarnih parov v obliki zvitih kupov "kovancev" - dušikovih baz. Skladovnice držijo vodikove vezi med dvema nasprotnima "kovancema" sklada in so "zavite" v dva trakova fosfodiesterskega okostja, zvitega v desno spiralo. Ravnine dušikovih baz so pravokotne na os spirale. Sosednji komplementarni pari se zasukajo drug glede na drugega za 36 °. Premer vijačnice je 20 Å, pri čemer je purinski nukleotid 12 Å, pirimidinski nukleotid pa 8 Å.

Molekula DNK z nižjo vlažnostjo se imenuje A-oblika... A-oblika nastane v pogojih manj visoke hidratacije in z večjo vsebnostjo ionov Na + ali K +. Ta širša desničarska konformacija ima 11 baznih parov na zavoj. Ravnine dušikovih baz imajo močnejši naklon do spiralne osi, od normale do spiralne osi so odmaknjene za 20 °. Zato sledi prisotnost notranje praznine s premerom 5 Å. Razdalja med sosednjimi nukleotidi je 0,23 nm, dolžina tuljave je 2,5 nm, premer vijačnice pa 2,3 nm.

Prvotno je bila A-oblika DNK manj pomembna. Vendar je pozneje postalo jasno, da imata oblika A DNK, pa tudi B-oblika, ogromen biološki pomen. Vijačnica RNA-DNA v kompleksu šablona-primer ima obliko A, pa tudi vijačnico RNA-RNA in RNA lasne strukture (2'-hidroksilna skupina riboze ne omogoča, da molekule RNA tvorijo obliko B) . A-oblika DNK je bila ugotovljena v polemikah. Ugotovljeno je bilo, da je A-oblika DNK 10-krat bolj odporna na UV-žarke kot B-oblika.

A-oblika in B-oblika se imenujeta kanonski obliki DNK.

Obrazci C-E tudi desničarji, njihovo tvorbo lahko opazujemo le v posebnih poskusih in očitno ne obstajajo in vivo. DNK v obliki C ima strukturo, podobno B-DNK. Število baznih parov na zavoj je 9,33, dolžina vijačnice je 3,1 nm. Osnovni pari so nagnjeni pod kotom 8 stopinj glede na pravokotno lego na os. Žlebovi so po velikosti podobni utorom B-DNK. Pri tem je glavni utor nekoliko plitvi, manjši pa globlji. Naravni in sintetični polinukleotidi DNK lahko preidejo v obliko C.

Tabela 1. Značilnosti nekaterih vrst struktur DNK
Spiralni tip	A	B	Z
Spiralni korak	0,32 nm	3,38 nm	4,46 nm
Spiralni zavoj	Prav	Prav	levo
Osnovni pari na zavoj	11	10	12
Razdalja med osnovnimi ravninama	0,256 nm	0,338 nm	0,371 nm
Konformacija glikozidne vezi	proti	proti	anti-C sin-g
Konformacija furanoznega cikla	C3 "-endo	C2 "-endo	C3 "-endo-G C2 "-endo-c
Širina utora majhna / velika	1,11 / 0,22 nm	0,57 / 1,17 nm	0,2 / 0,88 nm
Globina utora, majhna / velika	0,26 / 1,30 nm	0,82 / 0,85 nm	1,38 / 0,37 nm
Premer spirale	2,3 nm	2,0 nm	1,8 nm

Strukturni elementi DNK
(nekanonske strukture DNK)

Strukturni elementi DNK vključujejo nenavadne strukture, omejene z nekaterimi posebnimi zaporedji:

Z-oblika DNK - nastane na mestih B-oblike DNK, kjer se purini izmenjujejo s pirimidini ali v ponovitvah, ki vsebujejo metiliran citozin.
Palindromi so obrnjene sekvence, obrnjene ponovitve baznih zaporedij, ki imajo simetrijo drugega reda glede na dve verigi DNK in tvorijo "lasnice" in "križe".
H-oblika DNK in DNK trojna spirala nastaneta, ko je v eni verigi normalnega Watson-Crickovega dupleksa območje, ki vsebuje samo purine, v drugi verigi pa komplementarne pirimidine.
G-kvadrupleks (G-4) je štiriverižna DNK vijačnica, kjer 4 gvaninske baze iz različnih verig tvorijo G-kvartete (G-tetrade), ki so povezane z vodikom, da tvorijo G-kvadruplekse.

DNK v obliki črke Z je bil odkrit leta 1979 med preučevanjem heksanukleotida d (CG) 3 -. Odkrili so ga profesor MIT Alexander Rich in njegovi sodelavci. Z-oblika je postala eden najpomembnejših strukturnih elementov DNK zaradi dejstva, da so njeno tvorbo opazili v regijah DNK, kjer se purini izmenjujejo s pirimidini (na primer 5'-HCGCH-3') ali v ponovitvah 5' -CHCH-3', ki vsebuje metiliran citozin. Bistven pogoj za nastanek in stabilizacijo Z-DNA je bila prisotnost purinskih nukleotidov v sin-konformaciji, ki se izmenjujejo s pirimidinskimi bazami v antikonformaciji.

Naravne molekule DNK običajno obstajajo v pravi B-oblici, če ne vsebujejo zaporedij tipa (CH) n. Če pa so taka zaporedja vključena v DNK, se te regije, ko se spremeni ionska moč raztopine ali kationi, ki nevtralizirajo negativni naboj na hrbtenici fosfodiestra, lahko preoblikujejo v Z-obliko, medtem ko druge regije DNK v verigi ostanejo v klasična oblika B. Možnost takšnega prehoda kaže, da sta dve verigi v dvojni vijačnici DNK v dinamičnem stanju in se lahko odvijata druga glede na drugo ter prehajata iz desne oblike v levo in obratno. Biološke posledice takšne labilnosti, ki omogoča konformacijske transformacije strukture DNK, še niso povsem razumljene. Menijo, da imajo regije Z-DNA vlogo pri regulaciji izražanja nekaterih genov in so vključene v genetsko rekombinacijo.

Z-oblika DNK je leva dvojna vijačnica, v kateri se fosfodiesterska hrbtenica nahaja cikcak vzdolž osi molekule. Od tod tudi ime molekule (cikcak) -DHK. Z-DNK je najmanj zvita (12 baznih parov na zavoj) in najtanjša znana v naravi. Razdalja med sosednjimi nukleotidi je 0,38 nm, dolžina tuljave je 4,56 nm, premer Z-DNK pa 1,8 nm. Poleg tega videz te molekule DNK odlikuje prisotnost enega samega utora.

Z-obliko DNK so našli v prokariontskih in evkariontskih celicah. Trenutno so pridobljena protitelesa, ki lahko razlikujejo Z-obliko od B-oblike DNK. Ta protitelesa se vežejo na specifične predele velikanskih kromosomov celic žlez slinavk Drosophile (Dr. melanogaster). Reakcijo vezave je enostavno slediti zaradi nenavadne strukture teh kromosomov, pri kateri gostejša področja (diski) v nasprotju z manj gostimi regijami (interdiski). Regije Z-DNA se nahajajo v medpasovih. Iz tega sledi, da Z-oblika dejansko obstaja v naravnih razmerah, čeprav velikosti posameznih odsekov Z-oblike še niso znane.

(shifters) so najbolj znane in pogosto najdene bazne sekvence v DNK. Palindrom je beseda ali besedna zveza, ki se bere od leve proti desni in obratno na enak način. Primeri takih besed ali besednih zvez so: SHALASH, KAZAK, POTOP IN ROSE FALLED ON AZOR'S Paw. Ko se uporablja za regije DNK, ta izraz (palindrom) pomeni enako izmenjavo nukleotidov vzdolž verige od desne proti levi in od leve proti desni (kot črke v besedi "koča" itd.).

Za palindrom je značilna prisotnost obrnjenih ponovitev baznih sekvenc, ki imajo simetrijo drugega reda glede na dve verigi DNK. Takšna zaporedja so iz povsem razumljivega razloga samokomplementarna in težijo k oblikovanju lasnih ali križnih struktur (slika). Sponke pomagajo regulativnim proteinom prepoznati mesto, kjer je odpisano genetsko besedilo kromosomske DNK.

V primerih, ko je na isti verigi DNK prisotna obrnjena ponovitev, se to zaporedje imenuje zrcalna ponovitev. Zrcalne ponovitve nimajo lastnosti samokomplementarnosti in zato niso sposobne tvoriti lasnih ali križnih struktur. Zaporedja te vrste najdemo v skoraj vseh velikih molekulah DNK in se lahko gibljejo od le nekaj baznih parov do nekaj tisoč baznih parov.

Prisotnost palindromov v obliki križnih struktur v evkariontskih celicah ni dokazana, čeprav so bile in vivo v celicah E. coli odkrite številne križne strukture. Prisotnost samokomplementarnih zaporedij v RNA ali enoverižni DNK je glavni razlog za zlaganje nukleinske verige v raztopinah v določeno prostorsko strukturo, za katero je značilno tvorbo številnih »lasnic«.

H-oblika DNK je vijačnica, ki jo tvorijo tri verige DNK – trojna vijačnica DNK. Gre za kompleks Watson-Crickove dvojne vijačnice s tretjo enoverižno verigo DNK, ki se prilega v njen velik utor, s tvorbo tako imenovanega Hoogsteenovega para.

Nastanek takšnega tripleksa nastane kot posledica zlaganja dvojne vijačnice DNK tako, da polovica njenega dela ostane v obliki dvojne vijačnice, druga polovica pa je odklopljena. V tem primeru ena od odklopljenih spiral tvori novo strukturo s prvo polovico dvojne spirale - trojno spiralo, druga pa se izkaže za nestrukturirano v obliki enoverižnega odseka. Značilnost tega strukturnega prehoda je ostra odvisnost od pH medija, katerega protoni stabilizirajo novo strukturo. Zaradi te lastnosti so novo strukturo poimenovali H-oblika DNK, katere nastanek so našli v superzvitih plazmidih, ki vsebujejo homopurin-homopirimidinske regije, ki so zrcalna ponovitev.

V nadaljnjih študijah je bila ugotovljena možnost strukturnega prehoda nekaterih dvoverižnih polinukleotidov homopurin-homopirimidin s tvorbo triverižne strukture, ki vsebuje:

ena homopurinska in dva homopirimidinska veriga ( Py-Pu-Py tripleks) [interakcija s Hoogsteenom].
Sestavni bloki tripleksa Py-Pu-Py so kanonične triade, izomorfne CGC + in TAT. Za stabilizacijo tripleksa je potrebna protonacija triade CGC +, zato so ti tripleksi odvisni od pH raztopine.
ena homopirimidinska in dva homopurinska veriga ( Py-Pu-Pu tripleks) [povratna Hoogsteenova interakcija].
Sestavni bloki tripleksa Py-Pu-Pu so kanonično izomorfni triadi CGG in TAA. Bistvena lastnost tripleksov Py-Pu-Pu je odvisnost njihove stabilnosti od prisotnosti dvojno nabitih ionov, za stabilizacijo tripleksov različnih zaporedij pa so potrebni različni ioni. Ker tvorba tripleksov Py-Pu-Pu ne zahteva protonacije njihovih sestavnih nukleotidov, lahko taki tripleksi obstajajo pri nevtralnem pH.
Opomba: neposredna in povratna interakcija Hoogsteen je razložena s simetrijo 1-metiltimina: rotacija za 180 ° vodi do dejstva, da se atom O4 nadomesti z atomom O2, medtem ko se sistem vodikovih vezi ohrani.

Obstajata dve vrsti trojnih spiral:

vzporedne trojne vijačnice, pri katerih polarnost tretje verige sovpada s polarnostjo homopurinske verige Watson-Crickovega dupleksa
antiparalelne trojne vijačnice, v katerih sta si polarnosti tretje in homopurinske verige nasprotni.

Kemično homologne verige v tripleksih Py-Pu-Pu in Py-Pu-Py so v antiparalelni orientaciji. To so dodatno potrdili tudi podatki NMR spektroskopije.

G-kvadrupleks- 4-verižna DNK. Takšna struktura nastane, če obstajajo štirje gvanini, ki tvorijo tako imenovani G-kvadrupleks – okrogli ples štirih gvaninov.

Prvi namigi o možnosti nastanka takšnih struktur so bili prejeti že dolgo pred prebojnim delom Watsona in Cricka - leta 1910. Nato je nemški kemik Ivar Bang odkril, da ena od sestavin DNK – gvanozna kislina – pri visokih koncentracijah tvori gele, druge komponente DNK pa te lastnosti nimajo.

Leta 1962 je bilo z metodo rentgenske difrakcije mogoče ugotoviti celično strukturo tega gela. Izkazalo se je, da je sestavljen iz štirih ostankov gvanina, ki se med seboj povezujejo v krog in tvorijo značilen kvadrat. V središču je vez podprta s kovinskim ionom (Na, K, Mg). Enake strukture se lahko tvorijo v DNK, če vsebuje veliko gvanina. Ti ploski kvadrati (G-kvarteti) so zloženi, da tvorijo dokaj stabilne, goste strukture (G-kvadrupleksi).

Štiri ločene verige DNK se lahko prepletejo v štiriverižne komplekse, vendar je to precej izjema. Pogosteje se ena veriga nukleinske kisline preprosto zaveže v vozel, ki tvori značilne zadebelitve (na primer na koncih kromosomov), ali pa dvoverižna DNK tvori lokalni kvadrupleks v nekem območju, bogatem z gvaninom.

Najbolj raziskan je obstoj kvadrupleksov na koncih kromosomov – na telomerih in v onkopomotorjih. Vendar do zdaj popolno razumevanje lokalizacije takšne DNK v človeških kromosomih ni znano.

Vse te nenavadne strukture DNK v linearni obliki so nestabilne v primerjavi z B-obliko DNK. Vendar pa DNK pogosto obstaja v krožni obliki topološkega stresa, ko ima tako imenovano superzvijanje. Pod temi pogoji se zlahka oblikujejo nekanonične strukture DNK: Z-oblike, križi in lasnice, H-oblike, gvaninski kvadrupleksi in i-motiv.

Superzvita oblika - opazimo jo, ko je izolirana iz celičnega jedra, ne da bi poškodovala pentozo-fosfatno hrbtenico. Ima obliko super zvitih zaprtih obročev. V superzvitem stanju je dvojna vijačnica DNK vsaj enkrat "zavita nase", torej vsebuje vsaj eno superkovito (v obliki osmice).
Sproščeno stanje DNK opazimo z enim samim prelomom (prelom ene verige). V tem primeru supertuljaji izginejo in DNK dobi obliko zaprtega obroča.
Linearna oblika DNK - opazimo, ko se pretrgata dve verigi dvojne vijačnice.

Vse tri te oblike DNK se zlahka ločijo z gelsko elektroforezo.

Terciarna struktura DNK

Terciarna struktura DNK nastane kot posledica dodatnega zvijanja v prostoru dvoverižne molekule - njenega superzvijanja. Supercoiling molekule DNK v evkariontskih celicah, v nasprotju s prokarioti, poteka v obliki kompleksov z beljakovinami.

Skoraj vsa evkariontska DNK se nahaja v kromosomih jeder, le majhna količina je v mitohondrijih, rastlinah in plastidih. Glavna snov kromosomov evkariontskih celic (vključno s človeškimi kromosomi) je kromatin, sestavljen iz dvoverižne DNK, histonskih in nehistonskih proteinov.

Histonski proteini kromatina

Histoni so preprosti proteini, ki tvorijo do 50 % kromatina. V vseh preučevanih celicah živali in rastlin je bilo ugotovljenih pet glavnih razredov histonov: H1, H2A, H2B, H3, H4, ki se razlikujejo po velikosti, sestavi aminokislin in vrednosti naboja (vedno pozitivno).

Histon H1 pri sesalcih je sestavljen iz ene polipeptidne verige s približno 215 aminokislinami; velikosti drugih histonov se gibljejo od 100 do 135 aminokislin. Vsi so spiralizirani in zviti v globulo s premerom okoli 2,5 nm, vsebujejo nenavadno veliko količino pozitivno nabitih aminokislin lizina in arginina. Histoni so lahko acetilirani, metilirani, fosforilirani, poli (ADP)-ribozilirani, histoni H2A in H2B pa so kovalentno vezani na ubikvitin. Kakšna je vloga takšnih modifikacij pri oblikovanju strukture in opravljanju funkcij histonov, še ni povsem pojasnjeno. Domneva se, da je to njihova sposobnost interakcije z DNK in zagotavlja enega od mehanizmov za uravnavanje delovanja genov.

Histoni komunicirajo z DNK predvsem prek ionskih vezi (solnih mostov), ki nastanejo med negativno nabitimi fosfatnimi skupinami DNK in pozitivno nabitimi lizinskimi in argininskimi ostanki histonov.

Proteini nehistonskega kromatina

Za razliko od histonov so nehistonski proteini zelo raznoliki. Izoliranih je bilo do 590 različnih frakcij nehistonskih proteinov, ki vežejo DNA. Imenujejo jih tudi kisle beljakovine, saj v njihovi strukturi prevladujejo kisle aminokisline (so polianioni). Specifična regulacija aktivnosti kromatina je povezana z različnimi nehistonskimi proteini. Na primer, encimi, potrebni za replikacijo in ekspresijo DNK, se lahko začasno vežejo na kromatin. Drugi proteini, na primer, ki sodelujejo v različnih regulativnih procesih, se vežejo na DNK le v določenih tkivih ali na določenih stopnjah diferenciacije. Vsak protein je komplementaren določenemu zaporedju nukleotidov DNK (mesto DNK). Ta skupina vključuje:

družina proteinov cinkovega prsta, specifičnih za mesto. Vsak cinkov prst prepozna določeno mesto, sestavljeno iz 5 nukleotidnih parov.
družina proteinov, specifičnih za mesto - homodimeri. Fragment takšnega proteina, ki je v stiku z DNK, ima strukturo vijačnica-zavoj-vijačnica.
visoko gibljivi gel proteini (HMG proteini) so skupina strukturnih in regulativnih beljakovin, ki so nenehno povezane s kromatinom. Imajo molekulsko maso manj kot 30 kDa in zanje je značilna visoka vsebnost nabitih aminokislin. Zaradi nizke molekulske mase so proteini HMG med elektroforezo v poliakrilamidnem gelu zelo mobilni.
encimi za replikacijo, transkripcijo in popravilo.

S sodelovanjem strukturnih, regulativnih proteinov in encimov, ki sodelujejo pri sintezi DNK in RNA, se veriga nukleosoma pretvori v visoko kondenziran kompleks beljakovin in DNK. Nastala struktura je 10.000-krat krajša od prvotne molekule DNK.

kromatin

Kromatin je kompleks beljakovin z jedrsko DNK in anorganskimi snovmi. Večina kromatina je neaktivna. Vsebuje tesno zapakirano, kondenzirano DNK. Gre za heterokromatin. Razlikovati med konstitutivnim, genetsko neaktivnim kromatinom (satelitsko DNK), ki ga sestavljajo neizražene regije, in izbirnim - neaktivnim v več generacijah, vendar pod določenimi okoliščinami sposoben izražanja.

Aktivni kromatin (evhromatin) je nekondenziran, t.j. manj tesno zapakirano. V različnih celicah se njegova vsebnost giblje od 2 do 11%. V celicah možganov je največ - 10-11%, v celicah jeter - 3-4 in ledvicah - 2-3%. Opažena je aktivna transkripcija evhromatina. Hkrati njegova strukturna organizacija omogoča, da se ena in ista genetska informacija DNK, ki je lastna določeni vrsti organizma, uporablja na različne načine v specializiranih celicah.

V elektronskem mikroskopu je slika kromatina podobna kroglici: sferične odebelitve velikosti približno 10 nm, ločene z nitkastimi mostovi. Te kroglaste zadebelitve se imenujejo nukleosomi. Nukleosom je strukturna enota kromatina. Vsak nukleosom vsebuje superzvit segment DNK z dolžino 146 baznih parov, navit s tvorbo 1,75 levih zavojev na jedru nukleosoma. Nukleosomsko jedro je histonski oktamer, sestavljen iz histonov H2A, H2B, H3 in H4, po dve molekuli vsake vrste (slika 9), ki je videti kot disk s premerom 11 nm in debelim 5,7 nm. Peti histon, H1, ni del nukleosomskega jedra in ni vključen v proces navijanja DNK na histonski oktamer. Vzpostavi stik z DNK, kjer dvojna vijačnica vstopi in izstopi iz nukleosomskega jedra. To so interkortikalne (povezovalne) regije DNK, katerih dolžina se razlikuje glede na vrsto celice od 40 do 50 baznih parov. Posledično se spreminja tudi dolžina fragmenta DNK, vključenega v nukleosom (od 186 do 196 parov nukleotidov).

Nukleosom vsebuje približno 90 % DNK, preostanek pa je povezovalec. Menijo, da so nukleosomi fragmenti "tihega" kromatina, povezovalec pa je aktiven. Vendar pa se nukleosomi lahko razgrnejo in postanejo linearni. Nerazpleteni nukleosomi so že aktivni kromatin. Tako se jasno kaže odvisnost funkcije od strukture. Domnevamo lahko, da več kot je kromatina v sestavi globularnih nukleosomov, manj je aktiven. Očitno je v različnih celicah neenak delež kromatina v mirovanju povezan s številom takšnih nukleosomov.

Na elektronskih mikroskopskih fotografijah je lahko kromatin, odvisno od pogojev izolacije in stopnje raztezanja, videti ne le kot dolga nit z odebelitvami - "kroglice" nukleosomov, ampak tudi kot krajša in gostejša fibrila (vlakna) s premerom 30 nm, katerega tvorbo opazimo med interakcijo histona H1, vezanega na povezovalno regijo DNK in histona H3, kar vodi do dodatnega zvijanja vijačnice šestih nukleosomov na obrat s tvorbo solenoida s premerom 30 nm. V tem primeru lahko histonski protein moti transkripcijo številnih genov in tako uravnava njihovo aktivnost.

Zaradi zgoraj opisanih interakcij DNK s histoni se segment dvojne vijačnice DNK 186 baznih parov s povprečnim premerom 2 nm in dolžino 57 nm spremeni v vijačnico s premerom 10 nm in dolžina 5 nm. Z naknadnim stiskanjem te spirale na vlakno s premerom 30 nm se stopnja kondenzacije poveča za faktor šest.

Konec koncev, pakiranje dupleksa DNK s petimi histoni povzroči 50-kratno kondenzacijo DNK. Vendar pa tudi tako visoka stopnja kondenzacije ne more razložiti skoraj 50.000 - 100.000-kratne zgostitve DNK v metafaznem kromosomu. Na žalost podrobnosti o nadaljnjem pakiranju kromatina do metafaznega kromosoma še niso znane, zato je mogoče upoštevati le splošne značilnosti tega procesa.

Stopnje stiskanja DNK v kromosomih

Vsaka molekula DNK je pakirana v ločen kromosom. Človeške diploidne celice vsebujejo 46 kromosomov, ki se nahajajo v celičnem jedru. Skupna dolžina DNK vseh kromosomov celice je 1,74 m, vendar je premer jedra, v katerem so zapakirani kromosomi, milijonkrat manjši. Tako kompaktno pakiranje DNK v kromosomih in kromosomih v celičnem jedru zagotavljajo različni histonski in nehistonski proteini, ki delujejo v določenem zaporedju z DNK (glej zgoraj). Kompaktacija DNK v kromosomih omogoča zmanjšanje njenih linearnih dimenzij za približno 10.000-krat - običajno s 5 cm na 5 mikronov. Obstaja več stopenj zbijanja (slika 10).

Dvojna vijačnica DNK je negativno nabita molekula s premerom 2 nm in dolžino nekaj cm.
nukleosomska raven- kromatin v elektronskem mikroskopu izgleda kot veriga "kroglic" - nukleosomi - "na vrvici". Nukleosom je univerzalna strukturna enota, ki jo najdemo tako v evhromatinu kot v heterokromatinu, v medfaznem jedru in metafaznih kromosomih.
Nukleosomsko raven zbijanja zagotavljajo posebni proteini - histoni. Osem pozitivno nabitih histonskih domen tvori jedro (jedro) nukleosoma, okoli katerega je ovita negativno nabita molekula DNK. To povzroči 7-kratno skrajšanje, medtem ko se premer poveča z 2 na 11 nm.
nivo solenoida
Za solenoidno raven organizacije kromosomov je značilno zvijanje nukleosomskega filamenta in tvorba debelejših vlaken s premerom 20-35 nm iz njega - solenoidov ali superbidov. Nagib solenoida je 11 nm; na zavoj je približno 6-10 nukleosomov. Solenoidno pakiranje velja za bolj verjetno kot superbid, po katerem je kromatinska fibrila s premerom 20-35 nm veriga zrnc ali superbidov, od katerih je vsak sestavljen iz osmih nukleosomov. Na ravni solenoida se linearna velikost DNK zmanjša za 6-10 krat, premer se poveča na 30 nm.
nivo zanke
Nivo zanke zagotavljajo proteini, ki vežejo DNK, ki niso specifični za mesto histona, ki prepoznajo in se vežejo na specifična zaporedja DNK, pri čemer tvorijo zanke velikosti približno 30-300 kb. Zanka zagotavlja gensko ekspresijo, tj. zanka ni le strukturna, ampak tudi funkcionalna tvorba. Skrajšanje na tej stopnji se pojavi 20-30-krat. Premer se poveča na 300 nm. Na citoloških pripravkih lahko vidimo zankaste strukture tipa "svetilka-čopič" v jajčnih celicah dvoživk. Te zanke so očitno superzvite in predstavljajo domene DNK, ki verjetno ustrezajo enotam kromatinske transkripcije in replikacije. Specifični proteini fiksirajo baze zank in morda nekatere njihove notranje predele. Organizacija domen v obliki zanke spodbuja zlaganje kromatina v metafaznih kromosomih v spiralne strukture višjih vrst.
ravni domene
Domenska raven organizacije kromosomov je bila premalo raziskana. Na tej ravni je opaziti nastanek zančnih domen - strukture niti (fibril) z debelino 25-30 nm, ki vsebujejo 60% beljakovin, 35% DNK in 5% RNA, so praktično nevidne v vseh fazah celice. cikla z izjemo mitoze in so nekoliko naključno razporejeni po celičnem jedru. Na citoloških pripravkih lahko vidimo zankaste strukture tipa "svetilka-čopič" v jajčnih celicah dvoživk.
Domene zanke pritrdijo svoje baze na intranuklearni proteinski matriks na tako imenovanih vgrajenih pritrdilnih mestih, ki se pogosto imenujejo zaporedja MAR / SAR (MAR, iz angleške regije, povezane z matriko; SAR, iz angleških pritrjenih regij za oder) - fragmenti DNK več sto dolžin baznih parov, za katere je značilna visoka vsebnost (> 65 %) A / T baznih parov. Zdi se, da ima vsaka domena en sam izvor replikacije in deluje kot samostojna superzvita enota. Vsaka zankasta domena vsebuje veliko transkripcijskih enot, katerih delovanje je verjetno usklajeno - celotna domena je bodisi v aktivnem bodisi neaktivnem stanju.
Na ravni domene se zaradi zaporednega pakiranja kromatina linearne dimenzije DNK zmanjšajo za približno 200-krat (700 nm).
kromosomska raven
Na kromosomski ravni pride do kondenzacije profaznega kromosoma v metafazo z zbijanjem zankastih domen okoli aksialnega ogrodja nehistonskih proteinov. To superzvijanje spremlja fosforilacija vseh molekul H1 v celici. Posledično lahko metafazni kromosom upodobimo kot tesno zapakirane solenoidne zanke, zvite v tesno spiralo. Tipičen človeški kromosom lahko vsebuje do 2600 zank. Debelina takšne strukture doseže 1400 nm (dve kromatidi), medtem ko se molekula DNK skrajša 104-krat, t.j. s 5 cm raztegnjene DNK na 5 μm.

Funkcije kromosomov

V interakciji z ekstrakromosomskimi mehanizmi zagotavljajo kromosomi

shranjevanje dednih informacij
uporabo teh informacij za ustvarjanje in vzdrževanje celične organizacije
ureditev branja dednih informacij
samopodvojitev genskega materiala
prenos genskega materiala iz matične celice na hčerko.

Obstajajo dokazi, da ko se aktivira območje kromatina, t.j. med transkripcijo se iz njega najprej reverzibilno odstrani histon H1, nato pa oktet histona. To povzroči dekondenzacijo kromatina, sekvenčni prehod 30-nanometrske kromatinske fibrile v 10-nanometrski filament in njen nadaljnji razplet v regije proste DNK, t.j. izguba nukleosomske strukture.

Skoraj vsi so slišali za obstoj molekul DNK v živih celicah in ve, da je ta molekula odgovorna za prenos dednih informacij. Ogromen kup različnih filmov v takšni ali drugačni meri svoje zaplete temelji na lastnostih majhne, a ponosne, zelo pomembne molekule.

Le malo ljudi pa zna celo približno razložiti, kaj točno je del molekule DNK in kako delujejo procesi branja vseh teh informacij o »strukturi celotnega organizma«. Le redki so sposobni brez zadržkov prebrati "deoksiribonukleinsko kislino".

Poskusimo ugotoviti, kakšna je in izgleda za vsakega izmed nas najpomembnejša molekula.

Struktura strukturne povezave - nukleotid

Molekula DNK vsebuje veliko strukturnih enot, saj je biopolimer. Polimer je makromolekula, ki je sestavljena iz številnih majhnih, zaporedno povezanih, ponavljajočih se fragmentov. Tako kot je veriga sestavljena iz členov.

Strukturna enota makromolekule DNK je nukleotid. Nukleotidi molekule DNK vključujejo ostanke treh snovi - fosforne kisline, saharida (deoksiriboze) in ene od štirih možnih baz, ki vsebujejo dušik.

Molekula DNK vsebuje dušikove baze: adenin (A), gvanin (G), citozin (C) in timin (T).

Sestavo nukleotidne verige prikazujemo z menjavanjem baz, ki so vanjo vključene: -AAGCGTTAGCACGT- in podobno. Zaporedje je lahko poljubno. Tako nastane ena sama veriga DNK.

Spiraliziranje molekule. Fenomen komplementarnosti

Velikost molekule človeške DNK je pošastno ogromna (v merilu drugih molekul, seveda)! Genom ene celice (46 kromosomov) vsebuje približno 3,1 milijarde baznih parov. Dolžina verige DNK, sestavljene iz takšnega števila členov, je približno dva metra. Težko si je predstavljati, kako bi tako obsežno molekulo lahko namestili v drobno celico.

A narava je poskrbela za bolj kompaktno embalažo in zaščito svojega genoma – verigi sta povezani z dušikovimi bazami in tvorita dobro znano dvojno vijačnico. Tako je mogoče dolžino molekule skrajšati za skoraj šestkrat.

Vrstni red interakcije dušikovih baz je strogo določen s pojavom komplementarnosti. Adenin se lahko kombinira izključno s timinom, medtem ko citozin sodeluje le z gvaninom. Ti komplementarni pari se prilegajo skupaj kot ključ in ključavnica, kot koščki sestavljanke.

Zdaj pa izračunajmo, koliko pomnilnika v računalniku (ali na bliskovnem pogonu) naj zavzamejo vse informacije o tej majhni (v obsegu našega sveta z vami) molekuli. Število nukleotidnih parov je 3,1x109. Skupno so 4 vrednosti, kar pomeni, da sta 2 bita informacij (2 2 vrednosti) dovolj za en par. Vse to pomnožimo drug z drugim in dobimo 620.000.000 bitov ali 775.000.000 bajtov ali 775.000 kilobajtov ali 775 megabajtov. Kar približno ustreza kapaciteti CD plošče ali glasnosti kakšne 40-minutne epizode filma v povprečni kakovosti.

Oblikovanje kromosomov. Opredelitev človeškega genoma

Poleg spiralizacije se molekula večkrat stisne. Dvojna vijačnica se začne zvijati kot kroglica niti – ta proces se imenuje superzvijanje in se zgodi s pomočjo posebnega histonskega proteina, na katerega je kot tuljava navita veriga.

Ta postopek skrajša dolžino molekule še za 25-30-krat. Ena molekula DNK skupaj s pomožnimi beljakovinami tvori kromosom, ko je podvržena več stopnjam pakiranja, postaja vse bolj gosta.

Vse informacije, povezane z obliko, vrsto in delovanjem našega telesa, določa nabor genov. Gen je strogo določen del molekule DNK. Sestavljen je iz konstantnega zaporedja nukleotidov. Poleg tega gen togo določa ne le njegova sestava, ampak tudi njegov položaj glede na druge dele verige.

Ribonukleinska kislina in njena vloga pri sintezi beljakovin

Poleg DNK obstajajo še druge vrste nukleinskih kislin – matrična, transportna in ribosomska RNA (ribonukleinska kislina). Verige RNA so veliko manjše in krajše, zaradi tega lahko prodrejo v jedrsko membrano.

Molekula RNA je tudi biopolimer. Njegovi strukturni fragmenti so podobni tistim, ki so del DNK, z majhno izjemo saharida (riboza namesto dezoksiriboze). Obstajajo štiri vrste dušikovih baz: znane A, G, C in uracil (U) namesto timina. Zgornja slika vse to jasno prikazuje.

Makromolekula DNK je sposobna prenašati informacije o RNA v nezviti obliki. Odvijanje spirale poteka s pomočjo posebnega encima, ki razdeli dvojno spiralo na ločene verige – kot so polovice odprte zadrge.

Hkrati se vzporedno z verigo DNK ustvari komplementarna veriga RNA. Po kopiranju informacij in pridobivanju iz jedra v celično okolje veriga RNA sproži sintezo proteina, ki ga kodira genom. Sinteza beljakovin poteka v posebnih celičnih organelah - ribosomih.

Ribosom, ko bere verigo, določa, v katerem zaporedju je treba združiti aminokisline, eno za drugo – kot se informacije berejo v RNA. Nato sintetizirana veriga aminokislin dobi določeno 3D obliko.

Ta obsežna strukturna molekula je beljakovina, ki lahko opravlja kodirane funkcije encimov, hormonov, receptorjev in gradbenih materialov.

sklepi

Za vsako živo bitje so beljakovine (beljakovine) končni produkt vsakega gena. Prav beljakovine določajo vso raznolikost oblik, lastnosti in lastnosti, ki so kodirane v naših celicah.

Dragi bralci blogov, ali veste, kje je DNK, pustite komentarje ali ocene, ki ste jih želeli vedeti. Nekomu se bo zdelo zelo koristno!