Cząsteczka DNA. Struktura cząsteczki DNA

Cząsteczka DNA składa się z dwóch nici, które tworzą podwójną helisę. Jego struktura została po raz pierwszy rozszyfrowana przez Francisa Cricka i Jamesa Watsona w 1953 roku.

Na początku cząsteczka DNA składająca się z pary skrętek nukleotydowych skręconych wokół siebie rodzi pytania o to, dlaczego ma tę szczególną postać. Naukowcy nazwali to zjawisko komplementarnością, co oznacza, że ​​tylko niektóre nukleotydy można znaleźć w niciach przeciwnych sobie. Na przykład, przeciwieństwo tyminy jest zawsze adeniną, a przeciwną do cytozyny jest guanina. Te nukleotydy są cząsteczkami DNA i nazywane są komplementarnymi.

Jest schematycznie przedstawiony jako:

T - A

C - G

Te pary tworzą chemiczne wiązanie nukleotydowe, które determinują porządek aminokwasów. W pierwszym przypadku jest nieco słabszy. Połączenie między C i D jest bardziej trwałe. Nie komplementarne nukleotydy nie tworzą między sobą pary.

O strukturze

Struktura cząsteczki DNA jest więc szczególna. Ma tę formę z jakiegoś powodu: faktem jest, że liczba nukleotydów jest bardzo duża i potrzeba dużej przestrzeni, aby pomieścić długie łańcuchy. Z tego powodu spiralne skręcanie jest nieodłączne w łańcuchach. Zjawisko to nazywane jest spiralizacją, dzięki czemu nici mogą skracać się od pięciu do sześciu razy.

Organizm bardzo aktywnie wykorzystuje cząsteczki takiego planu, inne rzadko. Te ostatnie, oprócz spiralizacji, są również poddawane takiemu "kompaktowemu opakowaniu", jak superwłoce. A następnie długość cząsteczki DNA zmniejsza się o 25-30 razy.

Co to jest "upakowanie" cząsteczki?

Proces supercoilingu obejmuje białka histonowe. Mają strukturę i wygląd szpuli nici lub pręta. Nawinięte nici spiralne, które natychmiast stają się "kompaktowo upakowane" i zajmują mało miejsca. Kiedy pojawia się potrzeba użycia jednej lub drugiej nici, zostaje ona zwinięta z cewki, na przykład białka histonowego, a spirala obraca się w dwa równoległe łańcuchy. Kiedy cząsteczka DNA znajduje się właśnie w tym stanie, można z niej odczytać niezbędne dane genetyczne. Istnieje jednak jeden warunek. Uzyskanie informacji jest możliwe tylko wtedy, gdy struktura cząsteczki DNA ma promowany wygląd. Czytelne chromosomy nazywane są euchromatynami, a jeśli są supersjperyzowane, są to już heterochromatyny.

Kwasy nukleinowe

Kwasy nukleinowe, podobnie jak białka, są biopolimerami. Główną funkcją jest przechowywanie, wdrażanie i przekazywanie dziedzicznych (informacje genetyczne). Są to dwa typy: DNA i RNA (dezoksyrybonukleinowy i rybonukleinowy). Nukleotydy działają w nich jako monomery, z których każdy zawiera pozostałość kwas fosforowy, cukier pięciowęglowy (dezoksyryboza / ryboza) i azot. Kod DNA obejmuje 4 typy nukleotydów - adeninę (A) / guaninę (G) / cytozynę (C) / tyminę (T). Różnią się zawartością azotu w podłożu.

W cząsteczce DNA liczba nukleotydów może być ogromna - od kilku tysięcy do dziesiątek i setek milionów. Rozważenie takich gigantycznych molekuł można przeprowadzić za pomocą mikroskopu elektronowego. W tym przypadku będzie można zobaczyć podwójną nić polinukleotydowych nici, które są połączone przez wiązania wodorowe azotowych zasad nukleotydów.

Badania

Podczas badań naukowcy odkryli, że rodzaje cząsteczek DNA w różnych żywych organizmach są różne. Stwierdzono również, że pojedynczy łańcuch guaniny może wiązać się tylko z cytozyną i tyminą z adeniną. Rozmieszczenie nukleotydów jednego łańcucha jest ściśle równoległe. Dzięki takiej komplementarności polinukleotydów cząsteczka DNA jest zdolna do podwojenia i samodzielnego rozmnażania. Ale najpierw komplementarne łańcuchy pod wpływem specjalnych enzymów, które niszczą sparowane nukleotydy, rozchodzą się, a następnie w każdym z nich zaczyna się synteza brakującego łańcucha. Wynika to z dużej ilości wolnych nukleotydów w każdej komórce. W rezultacie zamiast "cząsteczki macierzystej" powstają dwa "powiązane", identyczne pod względem składu i struktury, a kod DNA staje się oryginałem. Ten proces jest prekursorem podziału komórki. Zapewnia transfer wszystkich dziedzicznych danych z komórek macierzystych do komórek potomnych, a także do wszystkich kolejnych pokoleń.

W jaki sposób czytany jest kod genetyczny?

Dzisiaj oblicza się nie tylko masę cząsteczki DNA - można znaleźć bardziej złożone, wcześniej niedostępne dane dla naukowców. Na przykład możesz przeczytać informacje o tym, w jaki sposób ciało korzysta z własnej komórki. Oczywiście, informacja ta jest początkowo zakodowana i wygląda jak rodzaj matrycy, a zatem musi być przetransportowana do specjalnego nośnika, którym jest RNA. Kwas rybonukleinowy jest w stanie przeniknąć do komórki przez błonę jądra i odczytać zakodowaną informację wewnątrz. Tak więc, RNA jest nosicielem ukrytych danych z jądra komórkowego do komórki i różni się od DNA tym, że zawiera rybozę zamiast dezoksyrybozy i uracyl zamiast tyminy. Ponadto RNA jest jednoniciowy.

Synteza RNA

Analiza głębokiego DNA wykazała, że ​​po opuszczeniu jądra przez RNA, wchodzi on do cytoplazmy, gdzie może zostać osadzony jako matryca w rybosomach (specjalne układy enzymów). Kierując się uzyskanymi informacjami, mogą syntetyzować odpowiednią sekwencję aminokwasów białkowych. Rybosom uczy się z kodu tripletowego, jaki rodzaj związku organicznego trzeba dołączyć do powstającego łańcucha białkowego. Każdy aminokwas ma swój własny triplet, który go koduje.

Po zakończeniu tworzenia łańcucha uzyskuje on swoistą formę przestrzenną i przekształca się w białko zdolne do pełnienia funkcji hormonalnych, budujących, enzymatycznych i innych. Dla każdego organizmu jest to produkt genowy. To właśnie z niego wynikają różne cechy, właściwości i przejawy genów.

Geny

Przede wszystkim opracowano procesy sekwencjonowania w celu uzyskania informacji o tym, ile genów ma struktura cząsteczki DNA. I choć badania pozwoliły naukowcom zajść daleko w tej sprawie, nie jest jeszcze możliwe ustalenie ich dokładnej liczby.

Kilka lat temu przyjęto, że cząsteczki DNA zawierają około 100 tysięcy genów. Nieco później liczba ta zmniejszyła się do 80 tysięcy, aw 1998 r. Genetycy stwierdzili, że tylko 50 000 genów jest obecnych w jednym DNA, które stanowią zaledwie 3% całkowitej długości DNA. Ale uderzyli w ostatnie wnioski genetyków. Teraz twierdzą, że genom zawiera 25-40 tysięcy jednostek wymienionych. Okazuje się, że tylko 1.5% chromosomalnego DNA jest odpowiedzialne za kodowanie białek.

Na tych badaniach nie skończyło się. Równoległy zespół ekspertów w dziedzinie inżynierii genetycznej odkrył, że liczba genów w jednej cząsteczce wynosi dokładnie 32 tysiące. Jak widać, uzyskanie ostatecznej odpowiedzi nie jest jeszcze możliwe. Zbyt wiele sprzeczności. Wszyscy badacze polegają tylko na ich wynikach.

Czy ewoluował?

Pomimo faktu, że nie ma dowodów na ewolucję cząsteczki (ponieważ struktura cząsteczki DNA jest delikatna i ma niewielki rozmiar), jedna z sugestii została opracowana przez naukowców. Na podstawie danych laboratoryjnych wygłosili oni następującą wersję: cząsteczka na początkowym etapie pojawienia się miała wygląd prostego samoreplikującego się peptydu, który zawierał do 32 aminokwasów zawartych w starożytnych oceanach.

Po samoreplikacji, dzięki sile dobór naturalny, cząsteczki mają zdolność do ochrony przed działaniem zewnętrznych elementów. Zaczęli żyć dłużej i rozmnażali się w dużych ilościach. Cząsteczki, które znalazły się w pęcherzu lipidowym, mają szansę na samodzielną reprodukcję. W wyniku kolejnych kolejnych cykli pęcherzyki lipidowe nabrały postaci błon komórkowych, a już dalej - dobrze znanych cząstek. Należy zauważyć, że dziś jakakolwiek część cząsteczki DNA jest złożoną i dobrze funkcjonującą strukturą, której wszystkie cechy nie są jeszcze w pełni poznane.

Współczesny świat

Niedawno naukowcy z Izraela opracowali komputer, który może wykonywać tryliony operacji na sekundę. Dziś jest najszybszym samochodem na ziemi. Całą tajemnicą jest to, że innowacyjne urządzenie działa z DNA. Profesorowie mówią, że w niedalekiej przyszłości takie komputery mogą nawet generować energię.

Specjaliści z Instytutu Weizmanna w Rehovot (Izrael) rok temu ogłosili utworzenie programowalnego komputera molekularnego składającego się z cząsteczek i enzymów. Zastąpili je mikroczipami krzemowymi. Do tej pory zespół się rozwinął. Teraz tylko jedna cząsteczka DNA może dostarczyć komputerowi niezbędnych danych i zapewnić niezbędne paliwo.

Biochemiczne "nanokomputery" - to nie jest fikcja, już istnieją w naturze i przejawiają się w każdej żywej istocie. Ale często nie są kontrolowani przez ludzi. Osoba dotychczas nie może obsługiwać genomu żadnej rośliny w celu obliczenia, powiedzmy, liczby "Pi".

Pomysł wykorzystania DNA do przechowywania / przetwarzania danych po raz pierwszy odwiedził jasne umysły naukowców w 1994 roku. Właśnie wtedy cząsteczka brała udział w rozwiązywaniu prostego problemu matematycznego. Od tego czasu wiele grup badawczych zaproponowało różne projekty związane z komputerami DNA. Ale tutaj wszystkie próby opierały się tylko na cząsteczce energii. Nie widać takiego komputera gołym okiem, wygląda jak czysty roztwór wody w probówce. Nie ma w nim części mechanicznych, tylko tryliony urządzeń biomolekularnych - i to tylko w jednej kropli płynu!

Ludzki DNA

Jaki rodzaj DNA człowiek, ludzie Stało się znane w 1953 roku, kiedy naukowcy po raz pierwszy byli w stanie zademonstrować światu dwuniciowy model DNA. W tym celu Kirk i Watson otrzymali Nagrodę Nobla, ponieważ odkrycie to było fundamentalne w XX wieku.

Oczywiście z biegiem czasu udowodnili, że to nie tylko sposób, w jaki proponowana wersja może wyglądać jak ustrukturyzowana ludzka cząsteczka. Przeprowadzając bardziej szczegółową analizę DNA, odkryto A-, B- i lewostronną formę Z-. Forma A jest często wyjątkiem, ponieważ powstaje tylko w przypadku braku wilgoci. Ale jest to możliwe, z wyjątkiem badań laboratoryjnych, ponieważ środowisko naturalne jest nienormalne, taki proces nie może wystąpić w żywej komórce.

Forma B- jest klasyczna i znana jest jako podwójnie skręcony w prawo łańcuch, ale forma Z- jest nie tylko skręcona w przeciwnym kierunku, ale również ma bardziej zygzakowaty kształt. Naukowcy zidentyfikowali również formę G-kwadrupleks. Jego struktura to nie 2, ale 4 wątki. Według genetyków istnieje taka forma w tych obszarach, w których występuje nadmierna ilość guaniny.

Sztuczny DNA

Dzisiaj istnieje już sztuczny DNA, który jest identyczną kopią teraźniejszości; Doskonale powtarza strukturę naturalnej podwójnej helisy. Ale w przeciwieństwie do pierwotnego polinukleotydu, w sztuczny - tylko dwa dodatkowe nukleotydy.

Ponieważ dubbing powstał na podstawie informacji uzyskanych w trakcie różnych badań prawdziwego DNA, można go również kopiować, samoreplikowac i ewoluować. Specjaliści pracowali nad stworzeniem takiej sztucznej cząsteczki przez około 20 lat. Rezultatem jest niesamowity wynalazek, który może wykorzystywać kod genetyczny w taki sam sposób, jak naturalny DNA.

Do czterech istniejących zasad azotowych genetyka dodała dodatkowe dwa, które powstały w wyniku chemicznej modyfikacji naturalnych zasad. W przeciwieństwie do naturalnego DNA sztuczne DNA było dość krótkie. Zawiera tylko 81 par zasad. Jednak także się mnoży i ewoluuje.

Replikacja cząsteczki uzyskanej za pomocą sztucznych metod zachodzi z powodu reakcji łańcuchowej polimerazy, ale jak dotąd nie dzieje się to niezależnie, ale dzięki interwencji naukowców. We wspomnianym DNA niezależnie dodają niezbędne enzymy, umieszczając je w specjalnie przygotowanym płynnym podłożu.

Wynik końcowy

Różne czynniki mogą wpływać na proces i ostateczny wynik rozwoju DNA, na przykład mutacje. Prowadzi to do obowiązkowego badania próbek materii, dzięki czemu wyniki testów są wiarygodne i wiarygodne. Przykładem jest test na ojcostwo. Ale nie możemy się nie cieszyć, że incydenty takie jak mutacje są rzadkie. Niemniej jednak, próbki materii są zawsze ponownie sprawdzane w celu uzyskania dokładniejszych informacji na podstawie analizy.

DNA roślin

Dzięki zaawansowanym technologiom HTS (ang. High Sequencing Technology) dokonano również rewolucji w dziedzinie genomiki - możliwa jest również ekstrakcja DNA z roślin. Oczywiście, uzyskanie wysokiej jakości masy cząsteczkowej DNA z materiału roślinnego powoduje pewne trudności z powodu dużej liczby kopii mitochondriów i chloroplastów DNA, jak również wysokich poziomów polisacharydów i związków fenolowych. Aby podkreślić strukturę, którą rozważamy, w tym przypadku zastosowane zostaną różne metody.

Wiązanie wodorowe w DNA

Atrakcyjność elektromagnetyczna, tworzona między dodatnio naładowanym atomem wodoru, który jest przyłączony do elektroujemnego atomu, odpowiada za wiązanie wodorowe w cząsteczce DNA. Ta interakcja dipolowa nie podlega kryterium wiązania chemicznego. Można go jednak realizować międzycząsteczkowo lub w różnych częściach cząsteczki, tj. Wewnątrzcząsteczkowo.

Atom wodoru jest przyłączony do elektroujemnego atomu, który jest dawcą tego wiązania. Elektronegatywnym atomem może być azot, fluor, tlen. Poprzez decentralizację przyciąga chmurę elektronową z jądra wodoru i sprawia, że ​​atom wodoru jest naładowany (częściowo) dodatnio. Ponieważ rozmiar H jest mały, w porównaniu z innymi cząsteczkami i atomami, ładunek jest również niewielki.

Odszyfrowywanie DNA

Przed rozszyfrowaniem cząsteczki DNA naukowcy najpierw pobierają ogromną liczbę komórek. Do najdokładniejszej i najbardziej udanej pracy potrzeba około miliona. Uzyskane w trakcie studiowania wyniki są stale porównywane i rejestrowane. Dzisiaj dekodowanie genomu nie jest już rzadkością, ale dostępną procedurą.

Oczywiście odszyfrowanie genomu pojedynczej komórki jest niewłaściwym ćwiczeniem. Dane uzyskane w trakcie takich badań nie są przedmiotem zainteresowania naukowców. Ważne jest jednak zrozumienie, że wszystkie istniejące obecnie metody dekodowania, pomimo ich złożoności, nie są wystarczająco skuteczne. Pozwoli ci to przeczytać tylko 40-70% DNA.

Jednak profesorowie Harvardu niedawno ogłosili sposób na odszyfrowanie 90% genomu. Technika polega na dodaniu cząsteczek startera do wybranych komórek, za ich pomocą rozpoczyna się Replikacja DNA. Ale nawet tej metody nie można uznać za udaną, ale musi ona zostać sfinalizowana, zanim zostanie otwarta w nauce.