Struktura DNA: cechy, schemat. Jaka jest struktura cząsteczki DNA?

DNA jest uniwersalnym źródłem i opiekunem informacji dziedzicznych, które są rejestrowane przy użyciu specjalnej sekwencji nukleotydów, określa właściwości wszystkich żywych organizmów.

Zakłada się, że średnia masa cząsteczkowa nukleotydu wynosi 345, a liczba reszt nukleotydowych może sięgać kilkuset tysięcy a nawet milionów. DNA w swojej masie znajduje się w jądrach komórek. Niektóre znajdują się w chloroplastach i mitochondriach. Jednak DNA jądra komórki nie jest jedną cząsteczką. Składa się z wielu cząsteczek, które są rozmieszczone na różnych chromosomach, ich liczba zmienia się w zależności od organizmu. Są to strukturalne cechy DNA.

Historia odkrywania DNA

Struktura i funkcje DNA zostały odkryte przez Jamesa Watsona i Francisa Cricka, otrzymali nawet Nagrodę Nobla w 1962 roku.

Ale najpierw odkrył kwasy nukleinowe Szwajcarski naukowiec Friedrich Johann Miescher, który pracował w Niemczech. W 1869 roku badał komórki zwierzęce - leukocyty. Aby je zdobyć, użył bandaże z ropą, które dostał od szpitali. Pan obmył leukocyty z ropy i wyekstrahował z nich białko. W trakcie tych badań naukowiec był w stanie ustalić, że w przypadku leukocytów, oprócz białek, istnieje coś innego, jakaś nieznana substancja w tym czasie. Był to włóknisty lub kłaczkowaty osad, który wyróżniał się, jeśli tworzy się kwaśne środowisko. Osad natychmiast rozpuścił się po dodaniu alkaliów.

Naukowiec używający mikroskopu stwierdził, że po umyciu leukocytów kwas chlorowodorowy z komórek pozostają jądro. Następnie doszedł do wniosku, że w jądrze znajduje się nieznana substancja, którą nazwał nukleiną (jądro oznacza rdzeń).

Po przeprowadzeniu analizy chemicznej, Misher odkrył, że nowa substancja zawiera węgiel, wodór, tlen i fosfor. Niewiele było związków fosforoorganicznych w tym czasie, więc Frederick zdecydował, że odkrył nową klasę związków znajdujących się w jądrze komórkowym.

Tak więc w XIX wieku odkryto istnienie kwasów nukleinowych. Jednak w tym czasie nikt nie mógł nawet pomyśleć o ważnej roli, jaką należy do nich.

Substancja dziedziczności

W dalszym ciągu badano strukturę DNA, aw 1944 r. Grupa bakteriologów pod dowództwem Oswalda Avery otrzymała dowody, że ta cząsteczka zasługuje na poważną uwagę. Naukowiec przez wiele lat zajmował się pneumokokami, organizmami wywołującymi zapalenie płuc lub choroby płuc. Avery przeprowadził eksperymenty mieszając pneumokoki powodujące choroby z tymi, które są bezpieczne dla żywych organizmów. Po pierwsze, komórki chorobowe zostały zabite, a następnie zostały dodane do tych, które nie powodują choroby.

Wyniki badań uderzyły wszystkich. Były takie żywe komórki, które po interakcji ze zmarłymi nauczyły się, jak wywoływać chorobę. Naukowiec odkrył naturę substancji, która bierze udział w procesie przekazywania informacji żywym komórkom z martwych. Cząsteczka DNA i okazało się, że jest to substancja.

Struktura

Tak więc konieczne jest zrozumienie struktury cząsteczki DNA. Odkrycie jego struktury stało się ważnym wydarzeniem, które doprowadziło do powstania biologii molekularnej - nowej gałęzi biochemii. DNA w dużych ilościach jest w jądrach komórek, ale wielkość i liczba cząsteczek zależy od rodzaju organizmu. Ustalono, że jądra komórek ssaków zawierają wiele z tych komórek, są one rozmieszczone na chromosomach, jest ich 46.

Studiując strukturę DNA, w 1924 r. Felgen ustalił najpierw jego lokalizację. Dowody uzyskane podczas eksperymentów wykazały, że DNA znajduje się w mitochondriach (1-2%). W innych miejscach cząsteczki te można znaleźć w infekcjach wirusowych, w ciałach podstawowych, a także w jajach niektórych zwierząt. Wiadomo, że im bardziej złożony jest organizm, tym więcej masy DNA. Liczba cząsteczek w komórce zależy od funkcji i zwykle wynosi 1-10%. Najmniej z nich znajduje się w miocytach (0,2%), więcej - w komórkach zarodkowych (60%).

Struktura DNA pokazała, że ​​w chromosomach wyższych organizmów są one powiązane z prostymi białkami - albumina, histony i inne, które razem tworzą DNP (dezoksyrybonukleoproteina). Zwykle duża cząsteczka jest niestabilna i aby pozostała nienaruszona i niezmieniona w trakcie ewolucji, powstaje tak zwany system naprawczy, który składa się z enzymów - ligazy i nukleazy odpowiedzialnych za "naprawę" cząsteczki.

Struktura chemiczna DNA

DNA to polimer, polinukleotyd składający się z ogromnej liczby (do kilkudziesięciu tysięcy milionów) mononukleotydów. Struktura DNA jest następująca: mononukleotydy zawierają azotowe zasady - cytozynę (C) i tyminę (T) - z pochodnych pirymidynowych, adeninę (A) i guaninę (G) - z pochodnych purynowych. Oprócz zasad azotowych, cząsteczka człowieka i zwierząt zawiera 5-metylocytozynę - niewielką zasadę pirymidynową. Dzięki kwas fosforowy a deoksyryboza wiąże azotowe zasady. Strukturę DNA pokazano poniżej.

Reguły Chargaffa

Strukturę i biologiczną rolę DNA badał E. Chargaff w 1949 roku. W trakcie swoich badań ujawnił wzorce obserwowane w ilościowym rozkładzie zasad azotowych:

1. ΣT + C = ΣA + G (to znaczy liczba zasad pirymidynowych jest równa liczbie puryn).
2. Ilość reszt adeninowych jest zawsze równa ilości reszt tyminy, a ilość guaniny jest równa cytozynie.
3. Współczynnik specyficzności ma wzór: G + C / A + T. Na przykład u ludzi jest to 1,5, w byku - 1,3.
4. Suma "A + C" jest równa sumie "G + T", to znaczy, że adenina i cytozyna są w równym stopniu co guanina i tymina.

Model struktury DNA

Został stworzony przez Watsona i Creek. Reszty fosforanowe i dezoksyrybozy znajdują się wzdłuż grzbietu dwóch spiralnie skręconych łańcuchów polinukleotydowych. Ustalono, że płaskie struktury zasad pirymidynowych i purynowych są usytuowane prostopadle do osi łańcucha i tworzą jakby stopnie schodów w kształcie spirali. Ustalono również, że A jest zawsze połączone z T za pomocą dwóch wiązań wodorowych, a G jest przyłączone do C przez trzy podobne wiązania. Zjawisko to nadano nazwie "zasada selektywności i komplementarności".

Poziomy organizacji strukturalnej

Spiralnie zakrzywiony łańcuch polinukleotydowy jest pierwszorzędową strukturą, która ma specyficzny jakościowy i ilościowy zestaw mononukleotydów połączonych wiązaniem 3 ', 5'-fosfodiestrowymi. Zatem każdy z łańcuchów ma koniec 3 '(deoksyryboza) i koniec 5' (fosforan). Witryny zawierające informacje genetyczne nazywane są genami strukturalnymi.

Podwójna helisa jest strukturą drugorzędną. Ponadto, jego łańcuchy polinukleotydowe są antyrównoległe i są połączone wiązaniami wodorowymi pomiędzy komplementarnymi zasadami łańcuchów. Ustalono, że przy każdym obrocie tej helisy znajduje się 10 reszt nukleotydowych, jej długość wynosi 3,4 nm. Ta struktura jest również wspierana przez siły oddziaływania van der Waalsa, które są obserwowane pomiędzy podstawami jednego łańcucha, w tym odpychające i przyciągające komponenty. Siły te tłumaczy się interakcją elektronów w sąsiednich atomach. Oddziaływanie elektrostatyczne stabilizuje również strukturę drugorzędową. Występuje między dodatnio naładowanymi cząsteczkami histonowymi i ujemnie naładowaną nicią DNA.

Struktura trzeciorzędowa to zwoje łańcuchów DNA na histonach lub superzwinach. Opisano pięć typów histonów: H1, H2A, H2B, H3 i H4.

Układanie nukleosomów w chromatynę jest strukturą czwartorzędową, a więc cząsteczka DNA o długości kilku centymetrów może się złożyć do 5 nm.

Funkcje DNA

Główne funkcje DNA to:

1. Przechowywanie informacji dziedzicznych. Sekwencję aminokwasów w cząsteczce białka określa kolejność, w której reszty nukleotydowe znajdują się w cząsteczce DNA. Szyfruje również wszystkie informacje o właściwościach i oznakach ciała.
2. DNA jest w stanie przekazać dziedziczną informację następnemu pokoleniu. Jest to możliwe dzięki możliwości replikacji - samopowieleniu. DNA jest w stanie rozbić się na dwa komplementarne łańcuchy, a każdy z nich (zgodnie z zasadą komplementarności) odtwarza oryginalną sekwencję nukleotydów.
3. Z pomocą DNA jest biosynteza białek, enzymów i hormonów.

Wniosek

Struktura DNA pozwala mu być strażnikiem informacji genetycznej, a także przekazywać ją następnym pokoleniom. Jakie są cechy tej cząsteczki?

1. Stabilność Jest to możliwe dzięki wiązaniom glikozydowym, wodorowym i fosfodiestrowym, a także mechanizmowi naprawy indukowanego i spontanicznego uszkodzenia.
2. Możliwość replikacji. Ten mechanizm pozwala komórki somatyczne utrzymywać diploidalną liczbę chromosomów.
3. Istnienie kodu genetycznego. Wykorzystując procesy translacji i transkrypcji, sekwencja zasad znalezionych w DNA jest przekształcana w sekwencję aminokwasów w łańcuchu polipeptydowym.
4. Zdolność do rekombinacji genetycznej. Jednocześnie powstają nowe kombinacje połączonych genów.

Tak więc struktura i funkcje DNA pozwalają mu odgrywać nieocenioną rolę w organizmach żywych istot. Wiadomo, że długość 46 cząsteczek DNA w każdej ludzkiej komórce wynosi prawie 2 m, a liczba par nukleotydów to 3,2 miliarda.