Molekula DNA. Struktura molekule DNA

Molekula DNA je sestavljena iz dveh pramenov, ki tvorita dvojno vijačnico. Njegovo strukturo so prvi dešifrirali Francis Crick in James Watson leta 1953.

Sprva je molekula DNK, ki jo sestavljajo par nukleotidnih pramenov, zavitih okrog drugega, sprožila vprašanja o tem, zakaj ima to posebno obliko. Znanstveniki so ta pojav imenovali komplementarnost, kar pomeni, da je mogoče v njenih nitih nasproti drugače najti samo določene nukleotide. Na primer, v nasprotju s timinom je vedno adenin, nasproti citozinu pa je gvanin. Ti nukleotidi so molekule DNA in se imenujejo komplementarne.

Shematsko je upodobljen kot:

T - A

C - G

Ti pari tvorijo kemično nukleotidno vez, ki določa urejanje aminokislin. V prvem primeru je nekoliko šibkejši. Povezava med C in D je trajnejša. Ne-komplementarni nukleotidi med seboj ne tvorijo parov.

O strukturi

Torej je struktura molekule DNA posebna. Ima to obliko z razlogom: dejstvo je, da je število nukleotidov zelo veliko in da je potrebno veliko prostora za nastanek dolgih verig. Zaradi tega je veriga vpletena v spiralno sukanje. Ta pojav imenujemo spiralizacija, ki omogoča, da se niti skrajšajo za pet do šestkrat.

Organizem zelo aktivno uporablja nekatere molekule takšnega načrta, druge redko. Slednje, poleg spiralizacije, so prav tako podvržene takšni "kompaktni embalaži" kot superprekrivanje. In potem se dolžina molekule DNA zmanjša za 25-30 krat.

Kaj je "pakiranje" molekule?

Proces superpreklapljanja vključuje histonske beljakovine. Imajo strukturo in videz spoola ali palice. Na njih se navijejo spiralne niti, ki takoj postanejo "kompaktno pakirane" in zavzamejo malo prostora. Kadar se pojavi potreba po uporabi ene ali druge niti, se jo navije s tuljave, npr. Histonska beljakovina, heliks pa se vrti v dve vzporedni verigi. Ko je molekula DNK v tem stanju, se iz nje lahko odčitajo potrebni genetski podatki. Vendar pa obstaja en pogoj. Pridobivanje informacij je možno le, če ima struktura molekule DNA napreden videz. Bralni kromosomi se imenujejo euhromatini in če so supersipiralizirani, so to že heterohromatini.

Nukleinske kisline

Nukleinske kisline, podobne beljakovine, so biopolimeri. Glavna funkcija je shranjevanje, izvajanje in prenos dedne (genetske informacije). So dveh vrst: DNK in RNA (deoksiribonukleinska in ribonukleinska). Nukleotidi v njih delujejo kot monomeri, od katerih ima vsak ostanek fosforjeva kislina, pet-ogljikovega sladkorja (deoksiriboza / riboza) in dušikove baze. Koda DNA vključuje 4 vrste nukleotidov - adenin (A) / gvanin (G) / citozin (C) / timin (T). Razlikujejo se v dušikovi bazi, ki jo vsebujejo.

V molekuli DNK je lahko število nukleotidov ogromno - od nekaj tisoč do deset in več sto milijonov. Razmisliti lahko o takšnih velikanskih molekulah preko elektronskega mikroskopa. V tem primeru bo mogoče videti dvojno verigo polinukleotidnih pramenov, ki so med seboj povezani z vodikovimi vezmi dušikovih baz nukleotidov.

Raziskave

Med raziskavo so znanstveniki ugotovili, da so vrste molekul DNK v različnih živih organizmih različne. Ugotovljeno je bilo tudi, da se lahko enojna veriga gvanina veže samo s citozinom in timinom z adeninom. Razporeditev nukleotidov ene verige je strogo vzporedna. Zaradi take komplementarnosti polinukleotidov je molekula DNA sposobna podvajanja in samoreprodukcije. Najprej pa se komplementarne verige pod vplivom posebnih encimov, ki uničijo parne nukleotide, razhajajo, nato pa se v vsaki od njih začne sinteza manjkajoče verige. To je posledica številčnosti prostih nukleotidov v vsaki celici. Zato se namesto "starševske molekule" oblikujejo dve "hčerki", ki sta identični po sestavi in ​​strukturi, in koda DNA postane izvirnik. Ta postopek je predhodnik celične delitve. Zagotavlja prenos vseh dednih podatkov iz matičnih celic v hčerinske celice, pa tudi v vse naslednje generacije.

Kako se bere genska koda?

Danes se ne izračuna samo masa molekule DNA - lahko najdete bolj zapletene podatke, ki jih znanstveniki prej niso imeli na voljo. Na primer, lahko preberete informacije o tem, kako telo uporablja lastno celico. Seveda je ta informacija najprej kodirana in izgleda kot nekakšna matrika, zato jo je treba prenesti na poseben nosilec, ki je RNA. Ribonukleinska kislina lahko prodre v celico skozi membrano jedra in v notranjosti prebere kodirane informacije. Tako je RNA nosilec skritih podatkov od jedra do celice in se razlikuje od DNK, ker vsebuje ribozo namesto deoksiriboze in uracil namesto timina. Poleg tega je RNA enojna.

Sinteza RNA

Globinska analiza DNK je pokazala, da ko RNA zapusti jedro, vstopi v citoplazmo, kjer jo lahko vgradimo kot matrico v ribosome (posebne encimske sisteme). S pomočjo pridobljenih informacij lahko sintetizirajo ustrezno zaporedje aminokislin proteinov. Ribosom se iz tripletne kode nauči, kakšno organsko spojino je treba pripisati nastajajoči proteinski verigi. Vsaka aminokislina ima svoj poseben triplet, ki ga kodira.

Po končanem oblikovanju verige pridobi specifično prostorsko obliko in se spremeni v beljakovino, ki je sposobna opravljati svoje hormonske, gradbene, encimske in druge funkcije. Za vsak organizem gre za genski produkt. Iz nje se določajo vse vrste lastnosti, lastnosti in manifestacij genov.

Geni

Najprej smo razvili procese sekvenciranja, da bi dobili informacije o tem, koliko genov ima struktura molekule DNA. In čeprav so raziskave omogočile znanstvenikom, da bi daleč v tej zadevi, še ni mogoče ugotoviti njihove natančne številke.

Pred nekaj leti je bilo predpostavljeno, da molekule DNA vsebujejo približno 100 tisoč genov. Malo kasneje se je ta številka zmanjšala na 80 tisoč, leta 1998 pa so genetiki navedli, da je v eni DNK prisotnih le 50 tisoč genov, ki so le 3% skupne dolžine DNK. Vendar pa so podali zadnje sklepe genetikov. Sedaj trdijo, da genom vključuje 25-40 tisoč omenjenih enot. Izkazalo se je, da je samo 1,5% kromosomske DNA odgovorno za kodiranje proteinov.

Na tej raziskavi se ni ustavilo. Vzporedna ekipa strokovnjakov genskega inženiringa je ugotovila, da je število genov v eni molekuli točno 32 tisoč. Kot lahko vidite, še vedno ni mogoče dobiti končnega odgovora. Preveč protislovij. Vsi raziskovalci se zanašajo le na svoje rezultate.

Ali se je razvijal?

Kljub dejstvu, da ni dokazov o evoluciji molekule (ker je struktura molekule DNA krhka in majhna), so znanstveniki podali en predlog. Na podlagi laboratorijskih podatkov so izrazili naslednjo verzijo: molekula v začetni fazi njenega videza je imela videz preprostega samopodvajalnega peptida, ki je vseboval do 32 aminokislin, ki so jih vsebovali stari oceani.

Po samopodvajanju, zahvaljujoč moči naravna selekcija, molekule imajo sposobnost, da se zaščitijo pred učinki zunanjih elementov. Začeli so živeti dlje in se razmnoževati v velikih količinah. Molekule, ki so se znašli v lipidnem mehurju, so imele vse možnosti za samo-razmnoževanje. Zaradi zaporedja zaporednih ciklov so lipidni mehurčki pridobili obliko celičnih membran, še bolj pa dobro znane delce. Treba je opozoriti, da je danes vsak del molekule DNK kompleksna in dobro delujoča struktura, katere značilnosti še niso popolnoma razumljene.

Sodobni svet

Nedavno so znanstveniki iz Izraela razvili računalnik, ki lahko izvaja trilijone operacij na sekundo. Danes je najhitrejši avto na svetu. Celotna skrivnost je, da inovativna naprava deluje iz DNK. Profesorji pravijo, da lahko v bližnji prihodnosti takšni računalniki celo ustvarjajo energijo.

Strokovnjaki iz Weizmannovega inštituta v Rehovotu (Izrael) so pred enim letom napovedali oblikovanje programabilnega molekularnega računalnika, sestavljenega iz molekul in encimov. Zamenjali so jih s silicijskimi mikročipi. Doslej je ekipa napredovala. Zdaj lahko le ena molekula DNA računalniku zagotovi potrebne podatke in zagotovi potrebno gorivo.

Biokemični "nanokomputerji" - to ni fikcija, že obstajajo v naravi in ​​se manifestirajo v vsakem živem bitju. Toda pogosto jih ne nadzorujejo ljudje. Do sedaj oseba ne more upravljati genoma katere koli rastline, da bi izračunala, recimo, številko „Pi“.

Zamisel o uporabi DNK za shranjevanje / obdelavo podatkov je prvič obiskala svetle misli znanstvenikov leta 1994. Takrat je molekula sodelovala pri reševanju preprostega matematičnega problema. Od takrat so številne raziskovalne skupine predlagale različne projekte, povezane z računalniki DNK. Vendar so vsi poskusi temeljili le na energijski molekuli. Takšnega računalnika ne vidite s prostim očesom, izgleda kot bistra raztopina vode v epruveti. V njem ni mehanskih delov, samo trilijoni biomolekularnih naprav - in to samo v eni kapljici tekočine!

Človeška DNA

Kakšno DNA človek, ljudje Postalo je znano leta 1953, ko so znanstveniki prvič pokazali svetu dvojni model DNK. Za to sta Kirk in Watson prejela Nobelovo nagrado, saj je bilo to odkritje temeljnega pomena v 20. stoletju.

Sčasoma so seveda dokazali, da ne gre le za način, kako bi lahko predlagana različica izgledala kot strukturirana človeška molekula. Opravili smo podrobnejšo analizo DNK, odprli A-, B- in levo zavito obliko Z-. Oblika A je pogosto izjema, saj se oblikuje le, če je pomanjkanje vlage. Toda to je mogoče, razen v laboratorijskih študijah, saj je to naravno neobičajno okolje, takšnega procesa v živih celicah ni mogoče.

Oblika B- je klasična in je znana kot dvojna desno zavita veriga, vendar oblika Z- ni le zavita v nasprotni smeri, levo, ampak ima tudi bolj cik-cak obliko. Znanstveniki so identificirali tudi obliko G-kvadruplex. Njegova struktura ni 2, ampak 4 niti. Po mnenju genetikov obstaja taka oblika na tistih področjih, kjer je presežek gvanina.

Umetna DNK

Danes umetna DNK že obstaja, ki je identična kopija sedanjosti; Popolnoma ponovi strukturo naravne dvojne vijačnice. Ampak, za razliko od primordial polinukleotid, v umetnih - samo dve dodatni nukleotidi.

Ker je bila sinhronizacija ustvarjena na podlagi informacij, pridobljenih med različnimi študijami prave DNK, jo je mogoče tudi kopirati, samopodvajati in razvijati. Strokovnjaki so približno 20 let delali na ustvarjanju takšne umetne molekule. Rezultat je neverjeten izum, ki lahko uporablja genetsko kodo na enak način kot naravna DNK.

V štirih obstoječih dušikovih bazah je genetika dodala še dva, ki sta nastala s kemično modifikacijo naravnih baz. Za razliko od naravne DNA je bila umetna DNA precej kratka. Vsebuje samo 81 baznih parov. Vendar pa se tudi množi in razvija.

Replikacija molekule, pridobljene z umetnimi sredstvi, nastopi zaradi verižne reakcije s polimerazo, vendar se do sedaj to ne dogaja neodvisno, ampak z intervencijo znanstvenikov. V omenjeni DNA samostojno dodajo potrebne encime, ki jih dajo v posebej pripravljen tekoči medij.

Končni rezultat

Različni dejavniki lahko vplivajo na proces in končni rezultat razvoja DNK, na primer mutacije. To vodi do obvezne študije vzorcev snovi, tako da je rezultat testov zanesljiv in zanesljiv. Primer je test očetovstva. Ampak ne morem pa se veseliti, da so incidenti, kot so mutacije, redki. Kljub temu se vzorci snovi vedno znova preverijo, da bi na podlagi analize dobili natančnejše informacije.

Rastlinska DNA

Zahvaljujoč tehnologijam visoke sekvence (HTS) je bila na področju genomike narejena tudi revolucija - možna je tudi ekstrakcija DNK iz rastlin. Seveda, pridobivanje visoke kakovosti molekulske mase DNA iz rastlinskega materiala povzroča nekatere težave zaradi velikega števila kopij mitohondrijev in DNA kloroplastov, kot tudi visoke ravni polisaharidov in fenolnih spojin. Da bi poudarili strukturo, ki jo razmišljamo, bomo v tem primeru uporabili različne metode.

Vodikova vez v DNA

Elektromagnetna privlačnost, ustvarjena med pozitivno nabitim atomom vodika, ki je pritrjen na elektronegativni atom, je odgovorna za vodikove vezi v molekuli DNA. Ta dipolna interakcija ne spada pod kriterij kemijske vezi. Lahko pa se realizira medmolekularno ali v različnih delih molekule, t.j. intramolekularno.

Vodikov atom je vezan na elektronegativni atom, ki je donor te vezi. Elektronegativni atom je lahko dušik, fluor, kisik. S pomočjo decentralizacije privlači elektronski oblak iz vodikovega jedra in naredi (delno) atom vodika poln. Ker je velikost H majhna, je v primerjavi z drugimi molekulami in atomi tudi naboj majhen.

DNA dekripcija

Pred dešifriranjem molekule DNK znanstveniki najprej vzamejo veliko število celic. Za najbolj natančno in uspešno delo potrebujejo približno milijon. Pridobljeni v procesu proučevanja se rezultati stalno primerjajo in beležijo. Danes dekodiranje genoma ni več redkost, ampak dostopen postopek.

Seveda je dešifriranje genoma ene same celice neprimerno. Podatki, pridobljeni med študijami, za znanstvenike niso zanimivi. Vendar je pomembno razumeti, da vsi obstoječi načini dekodiranja, kljub njihovi kompleksnosti, niso dovolj učinkoviti. Omogočili boste branje samo 40-70% DNK.

Harvardski profesorji pa so pred kratkim napovedali način dešifriranja 90% genoma. Tehnika temelji na dodajanju osnovnih molekul izbranim celicam, s pomočjo katerih se začne Replikacija DNA. Toda tudi ta metoda se ne more šteti za uspešno, vendar jo je treba dokončno oblikovati, preden jo odkrito uporabimo v znanosti.