Struktura DNK: značilnosti, shema. Kakšna je struktura molekule DNA?

DNA je univerzalni vir in skrbnik dednih informacij, ki se zapisuje s posebnim zaporedjem nukleotidov, določa lastnosti vseh živih organizmov.

Predpostavlja se, da je povprečna molekulska masa nukleotida 345, število nukleotidnih ostankov pa lahko doseže več sto, tisoč in celo milijone. DNA v njeni masi je v jedrih celic. Nekatere najdemo v kloroplastih in mitohondrijih. Vendar DNA jedra celice ni ena molekula. Sestavljen je iz mnogih molekul, ki so porazdeljene na različne kromosome, njihovo število pa je odvisno od organizma. To so strukturne značilnosti DNK.

Zgodovina odkrivanja DNK

Strukturo in funkcije DNK so odkrili James Watson in Francis Crick, leta 1962 pa sta prejeli Nobelovo nagrado.

Ampak prvič odkrili nukleinske kisline Švicarski znanstvenik Friedrich Johann Miescher, ki je delal v Nemčiji. Leta 1869 je študiral živalske celice - levkocite. Da bi jih dobil, je uporabil povoje s gnojem, ki ga je dobil iz bolnišnic. Mist je iz gnoja izločil levkocite in iz njih izločil beljakovine. V teh študijah je znanstvenik ugotovil, da je v levkocitih poleg beljakovin še nekaj drugega, nekaj neznane snovi. To je bila nitasta ali flokulentna usedlina, ki je izstopala, če ustvarite kislo okolje. Ob dodatku alkalije se oborina takoj raztopi.

Znanstvenik, ki je uporabil mikroskop, je ugotovil, da so levkociti oprani z klorovodikovo kislino iz celic ostane jedro. Potem je ugotovil, da je v jedru neznana snov, ki jo je imenoval nuklein (beseda jedro pomeni jedro).

Po opravljeni kemijski analizi je Misher ugotovil, da nova snov vsebuje ogljik, vodik, kisik in fosfor. Organofosforjevim spojinam je bilo takrat malo znanega, zato se je Frederick odločil, da je odkril nov razred spojin, ki jih najdemo v celičnem jedru.

Tako je v XIX stoletju odkrit obstoj nukleinskih kislin. Vendar pa takrat nihče ni mogel niti pomisliti na pomembno vlogo, ki jim pripada.

Snov dednosti

Struktura DNK se je še naprej raziskovala in leta 1944 je skupina bakteriologov pod vodstvom Oswalda Averyja prejela dokaze, da si ta molekula zasluži resno pozornost. Znanstvenik, ki se že vrsto let ukvarja s preučevanjem pnevmokokov, organizmov, ki so povzročili pljučnico ali pljučno bolezen. Avery je izvedel poskuse z mešanjem pnevmokokov, ki povzročajo bolezni, s tistimi, ki so varni za žive organizme. Najprej so bile ubite celice bolezni, nato pa so bile dodane tistim, ki ne povzročajo bolezni.

Rezultati raziskav so zadeli vsi. Bile so takšne žive celice, ki so se po interakciji z mrtvimi učile, kako povzročiti bolezen. Znanstvenik je ugotovil naravo snovi, ki je vključena v proces prenosa informacij v žive celice iz mrtvih. Molekula DNA in izkazalo se je, da je to snov.

Struktura

Torej je treba razumeti strukturo molekule DNA. Odkritje njegove strukture je postalo pomemben dogodek, ki je privedel do oblikovanja molekularne biologije - nove veje biokemije. DNA v velikih količinah je v jedrih celic, vendar sta velikost in število molekul odvisni od vrste organizma. Ugotovili smo, da jedra sesalskih celic vsebujejo veliko teh celic, porazdeljene so na kromosomih, jih je 46.

Felgen je leta 1924 s proučevanjem strukture DNK najprej ugotovil svojo lokalizacijo. Dokazi, pridobljeni med poskusi, so pokazali, da je DNA v mitohondrijih (1-2%). V drugih krajih lahko te molekule najdemo pri virusnih okužbah, v bazalnih telesih, kot tudi v jajcih nekaterih živali. Znano je, da je bolj kompleksen organizem, več mase DNK. Število molekul v celici je odvisno od funkcije in je običajno 1-10%. Najmanj jih je v miocitih (0,2%), več v zarodnih celicah (60%).

Struktura DNK je pokazala, da so v kromosomih višjih organizmov povezani s preprostimi beljakovinami - albuminom, histoni in drugimi, ki skupaj tvorijo DNP (deoksiribonukleoprotein). Običajno je velika molekula nestabilna in da bi ostala nedotaknjena in nespremenjena med evolucijo, se ustvari tako imenovani sistem popravil, ki ga sestavljajo encimi - ligaze in nukleaze, odgovorne za "popravilo" molekule.

Kemijska struktura DNA

DNA je polimer, polinukleotid, ki sestoji iz velikega števila (do več deset tisoč milijonov) mononukleotidov. Struktura DNA je naslednja: mononukleotidi vsebujejo dušikove baze - citozin (C) in timin (T) - iz derivatov pirimidina, adenin (A) in gvanin (G) - iz derivatov purina. Poleg dušikovih baz molekula človeka in živali vsebuje 5-metilcitozin - manjšo pirimidinsko bazo. S fosforna kislina in deoksiriboza vežejo dušikove baze. Struktura DNA je prikazana spodaj.

Chargaffova pravila

Strukturo in biološko vlogo DNK je raziskal E. Chargaff leta 1949. Med raziskavami je razkril vzorce, ki jih opazimo pri kvantitativni porazdelitvi dušikovih baz:

1. CT + C = +A + G (to pomeni, da je število pirimidinskih baz enako številu purinskih).
2. Količina adeninskih ostankov je vedno enaka količini timinskih ostankov in količina gvanina je enaka citozinu.
3. Koeficient specifičnosti ima formulo: G + C / A + T. Na primer, pri ljudeh je 1,5, v biku - 1,3.
4. Vsota »A + C« je enaka vsoti »G + T«, kar pomeni, da sta adenin in citozin enaka gvaninu in timinu.

Model DNA strukture

Ustvarila sta ga Watson in Creek. Fosfatni ostanki in deoksiriboze se nahajajo vzdolž hrbtenice dveh spiralno zavitih polinukleotidnih verig. Ugotovili smo, da so ravninske strukture pirimidinskih in purinskih baz pravokotne na os verige in tvorijo stopnice stopnišča v obliki spirale. Ugotovljeno je bilo tudi, da je A vedno vezan na T s pomočjo dveh vodikovih vezi, G pa je vezan na C s tremi podobnimi vezmi. Ta pojav je dobil ime "načelo selektivnosti in komplementarnosti".

Ravni strukturne organizacije

Spiralno ukrivljena polinukleotidna veriga je primarna struktura, ki ima specifičen kvalitativni in kvantitativni niz mononukleotidov, povezanih s 3 ', 5'-fosfodiestersko vezjo. Tako ima vsaka od verig 3'-konec (deoksiriboza) in 5'-konec (fosfat). Mesta, ki vsebujejo genetske informacije, se imenujejo strukturni geni.

Dvojna vijačnica je sekundarna struktura. Poleg tega so njene polinukleotidne verige antiparalelne in so povezane z vodikovimi vezmi med komplementarnimi bazami verig. Ugotovljeno je bilo, da v vsakem obratu te vijačnice obstaja 10 nukleotidnih ostankov, njena dolžina je 3,4 nm. To strukturo podpirajo tudi van der Waalsove interakcijske sile, ki se opazijo med bazami ene verige, vključno z odbojnimi in privlačnimi komponentami. Te sile so razložene z interakcijo elektronov v sosednjih atomih. Elektrostatična interakcija stabilizira tudi sekundarno strukturo. Pojavi se med pozitivno nabranimi molekulami histona in negativno nabito DNA verigo.

Terciarna struktura je navijanje DNA verig na histonih ali superprekrivanje. Opisanih je pet tipov histonov: H1, H2A, H2B, H3 in H4.

Polaganje nukleosomov v kromatinu je kvartarna struktura, zato lahko molekula DNA, ki je dolga nekaj centimetrov, zloži do 5 nm.

Funkcije DNA

Glavne funkcije DNK so:

1. Shranjevanje dednih informacij. Zaporedje aminokislin v proteinski molekuli določimo po vrstnem redu, v katerem se nukleotidni ostanki nahajajo v molekuli DNA. Prav tako šifrira vse informacije o lastnostih in znakih telesa.
2. DNA lahko prenese dedne informacije naslednji generaciji. To je mogoče zaradi sposobnosti ponovitve - samo-podvajanje. DNA se lahko razgradi v dve komplementarni verigi in vsaka od njih (v skladu z načelom komplementarnosti) obnovi prvotno nukleotidno zaporedje.
3. S pomočjo DNA je biosinteza proteinov, encimov in hormonov.

Zaključek

Struktura DNK ji omogoča, da je varuh genetskih informacij in ga posreduje naslednjim generacijam. Kakšne so značilnosti te molekule?

1. Stabilnost To je mogoče zaradi glikozidnih, vodikovih in fosfodiestrskih vezi, kot tudi mehanizma popravila povzročenih in spontanih poškodb.
2. Možnost podvajanja. Ta mehanizem omogoča somatske celice ohranjanje diploidnega števila kromosomov.
3. Obstoj genetske kode. Z uporabo procesov prevajanja in transkripcije se zaporedje baz v DNK pretvori v zaporedje aminokislin v polipeptidni verigi.
4. Sposobnost genske rekombinacije. Obenem se oblikujejo nove kombinacije genov, ki so povezani.

Tako struktura in funkcije DNK omogočajo, da igra neprecenljivo vlogo v organizmih živih bitij. Znano je, da je dolžina 46 molekul DNA v vsaki človeški celici skoraj 2 m, število parov nukleotidov pa je 3,2 milijarde.