Molekula DNA. Struktura molekule DNA

Molekula DNA sastoji se od dva lanca koji tvore dvostruku spiralu. Njegovu strukturu prvi su dešifrirali Francis Crick i James Watson 1953. godine.

Isprva, molekula DNA koja se sastojala od par nukleotidnih niti koje su se okretale jedna oko druge, postavljala je pitanja o tome zašto ona ima ovaj određeni oblik. Znanstvenici su ovaj fenomen nazvali komplementarnošću, što znači da se u njenim nitima mogu nalaziti samo određeni nukleotidi koji su međusobno suprotni. Na primjer, suprotno od timina uvijek je adenin, a nasuprot citozinu je guanin. Ti nukleotidi su molekule DNA i nazivaju se komplementarne.

Shematski je prikazan kao:

T - A

C - G

Ti parovi formiraju kemijsku nukleotidnu vezu koja određuje redoslijed aminokiselina. U prvom slučaju je nešto slabiji. Veza između C i D je trajnija. Ne-komplementarni nukleotidi ne tvore parove između sebe.

O strukturi

Dakle, struktura DNA molekule je posebna. Ima ovaj oblik s razlogom: činjenica je da je broj nukleotida vrlo velik i da je potrebno puno prostora za smještaj dugih lanaca. Upravo iz tog razloga u lancima je inherentno spiralno uvijanje. Ovaj fenomen naziva se spiralizacija, dopušta da se niti skrati oko pet do šest puta.

Organizam vrlo aktivno koristi neke molekule takvog plana, druge rijetko. Potonji, osim spiralizacije, također su podvrgnuti takvom "kompaktnom pakiranju" kao superzavršavanje. A onda se dužina molekule DNA smanji za 25-30 puta.

Što je "pakiranje" molekule?

Proces superzavršavanja uključuje histonske proteine. Imaju strukturu i izgled kalema niti ili štapa. Na njima su namotane spiralne niti koje odmah postaju "zbijene" i zauzimaju malo prostora. Kada se pojavi potreba za uporabom jedne ili druge niti, ona se namotava na svitak, na primjer, histonski protein, a spirala se vrti u dva paralelna lanca. Kada je molekula DNA upravo u tom stanju, iz nje se mogu očitati potrebni genetski podaci. Međutim, postoji jedan uvjet. Dobivanje informacija je moguće samo ako struktura DNA molekule ima promoviran izgled. Čitljivi kromosomi nazivaju se eukromatini, a ako su supersipiralizirani, to su već heterohromatini.

Nukleinske kiseline

Nukleinske kiseline, kao što su proteini, biopolimeri. Glavna funkcija je skladištenje, primjena i prijenos nasljedne (genetske informacije). Dva su tipa: DNA i RNA (deoksiribonukleinska i ribonukleinska). Nukleotidi u njima djeluju kao monomeri, od kojih svaki sadrži ostatak fosforna kiselina, pet-ugljični šećer (deoksiriboza / riboza) i dušična baza. DNA kod uključuje 4 tipa nukleotida - adenin (A) / gvanin (G) / citozin (C) / timin (T). Razlikuju se u dušikovoj bazi koju sadrže.

U molekuli DNA broj nukleotida može biti velik - od nekoliko tisuća do nekoliko desetaka i stotina milijuna. Razmotriti takve gigantske molekule može biti putem elektronskog mikroskopa. U tom slučaju, bit će moguće vidjeti dvostruki lanac polinukleotidnih lanaca koji su međusobno povezani vodikovim vezama dušičnih baza nukleotida.

istraživanje

Tijekom istraživanja, znanstvenici su otkrili da su vrste molekula DNA u različitim živim organizmima različite. Također je utvrđeno da se jednostruki lanac gvanina može vezati samo s citozinom, a timin s adeninom. Raspored nukleotida jednog lanca je strogo paralelan. Zbog takve komplementarnosti polinukleotida, molekula DNA sposobna je udvostručiti se i samoreproducirati. Ali najprije se razlikuju komplementarni lanci pod utjecajem posebnih enzima koji uništavaju parne nukleotide, a zatim u svakoj od njih počinje sinteza lanca koji nedostaje. To je zbog obilja slobodnih nukleotida u svakoj stanici. Kao rezultat toga, umjesto "roditeljske molekule", formiraju se dva "povezana", identična po sastavu i strukturi, a DNK kod postaje izvorni. Ovaj proces je prekursor stanične diobe. On osigurava prijenos svih nasljednih podataka iz matičnih stanica u stanice kćeri, kao i na sve naredne generacije.

Kako se čita genski kod?

Danas se ne izračunava samo masa molekule DNA - znanstvenicima možete otkriti složenije, ranije nedostupne podatke. Na primjer, možete pročitati informacije o tome kako tijelo koristi vlastitu ćeliju. Naravno, isprva je ta informacija kodirana i izgleda kao neka vrsta matrice, te se stoga mora prenijeti na poseban nosač, koji je RNA. Ribonukleinska kiselina može prodrijeti u stanicu kroz membranu jezgre i pročitati kodirane informacije iznutra. Dakle, RNA je nositelj skrivenih podataka od jezgre do stanice i razlikuje se od DNK po tome što sadrži ribozu umjesto deoksiriboze i uracil umjesto timina. Osim toga, RNA je jednolančana.

Sinteza RNA

Dubinska DNK analiza pokazala je da nakon što RNA napusti jezgru, ona ulazi u citoplazmu, gdje se može ugraditi kao matrica u ribosome (posebni enzimski sustavi). Vođeni dobivenim informacijama, mogu sintetizirati odgovarajuću sekvencu amino kiselina. Ribosom uči iz tripletnog koda koja je vrsta organskog spoja potrebno prikačiti na lanac proteina u nastajanju. Svaka aminokiselina ima svoj specifični triplet, koji ga kodira.

Nakon završetka formiranja lanca, dobiva se specifičan prostorni oblik i pretvara se u protein sposoban za obavljanje svojih hormonalnih, građevnih, enzimskih i drugih funkcija. Za bilo koji organizam, to je genski proizvod. Iz nje se određuju sve vrste svojstava, svojstava i manifestacija gena.

geni

Najprije su razvijeni procesi sekvenciranja kako bi se dobile informacije o tome koliko gena ima struktura molekule DNA. I, iako su istraživanja omogućila znanstvenicima da idu daleko u tom pitanju, još nije moguće saznati njihov točan broj.

Prije nekoliko godina pretpostavljeno je da molekule DNA sadrže približno 100 tisuća gena. Malo kasnije, brojka se smanjila na 80 tisuća, a 1998. genetičari su izjavili da je u jednoj DNA prisutno samo 50 tisuća gena, što je samo 3% ukupne duljine DNA. Ali oni su postigli posljednje zaključke genetičara. Sada tvrde da genom uključuje 25-40 tisuća spomenutih jedinica. Ispada da je samo 1,5% kromosomske DNA odgovorno za kodiranje proteina.

Na ovom istraživanju nije stalo. Paralelni tim stručnjaka za genetski inženjering utvrdio je da je broj gena u jednoj molekuli točno 32 tisuće. Kao što možete vidjeti, konačan odgovor još nije moguć. Previše proturječja. Svi se istraživači oslanjaju samo na svoje rezultate.

Je li se razvijao?

Unatoč činjenici da nema dokaza o evoluciji molekule (budući da je struktura molekule DNA krhka i mala po veličini), jedan je prijedlog dao znanstvenici. Na temelju laboratorijskih podataka, oni su izrazili sljedeću verziju: molekula u početnom stadiju njezina nastanka imala je izgled jednostavnog samoreplicirajućeg peptida koji je sadržavao do 32 aminokiseline sadržane u drevnim oceanima.

Nakon samo-replikacije, zahvaljujući snazi prirodna selekcija, molekule imaju sposobnost da se zaštite od djelovanja vanjskih elemenata. Počeli su živjeti dulje i razmnožavati se u velikim količinama. Molekule koje su se našle u lipidnom mjehuru, dobile su svaku priliku za samo-reprodukciju. Kao posljedica niza uzastopnih ciklusa, mjehurići lipida stekli su oblik staničnih membrana, a već dalje - dobro poznate čestice. Valja napomenuti da je danas bilo koji dio molekule DNA složena i dobro funkcionirajuća struktura, a sve značajke koje znanstvenici još nisu u potpunosti razumjeli.

Suvremeni svijet

Nedavno su znanstvenici iz Izraela razvili računalo koje može izvoditi trilijune operacija u sekundi. Danas je to najbrži automobil na svijetu. Čitava je tajna da inovativni uređaj funkcionira iz DNK. Profesori kažu da u bliskoj budućnosti takva računala mogu čak generirati energiju.

Stručnjaci Weizmann instituta u Rehovotu (Izrael) prije godinu dana najavili su stvaranje programibilnog molekularnog računala sastavljenog od molekula i enzima. Zamijenili su ih silikonskim mikročipovima. Do sada je tim napredovao. Sada samo jedna molekula DNA može dati kompjuteru potrebne podatke i osigurati potrebno gorivo.

Biokemijski "nanokomputeri" - to nije fikcija, već postoje u prirodi i manifestiraju se u svakom živom biću. Ali često ih ne kontroliraju ljudi. Dosadašnja osoba ne može upravljati genomom bilo koje biljke kako bi izračunala, recimo, broj “Pi”.

Ideja o korištenju DNK za pohranu / obradu podataka prvi je put posjetila svijetle umove znanstvenika 1994. godine. Tada je molekula bila uključena u rješavanje jednostavnog matematičkog problema. Od tada su brojne istraživačke skupine predložile različite projekte vezane uz DNK računala. Ali ovdje su svi pokušaji zasnovani samo na energetskoj molekuli. Ne možete vidjeti takvo računalo golim okom, izgleda kao bistra otopina vode u epruveti. U njemu nema mehaničkih dijelova, samo trilijuna biomolekularnih uređaja - i to samo u jednoj kapi tekućine!

Ljudska DNA

Kakvu vrstu DNA čovjek, ljudi To je postalo poznato 1953. godine, kada su znanstvenici najprije mogli pokazati svijetu model dvostruke DNA. Zbog toga su Kirk i Watson dobili Nobelovu nagradu, jer je to otkriće bilo temeljno u 20. stoljeću.

S vremenom su, naravno, dokazali da to nije samo način na koji predložena verzija može izgledati kao strukturirana ljudska molekula. Provedba detaljnije analize DNK otkrila je A-, B- i lijevo-uvijeni oblik Z-. Oblik A je često iznimka, jer se formira samo ako postoji manjak vlage. Ali to je moguće, osim u laboratorijskim istraživanjima, jer je prirodni okoliš nenormalan, takav se proces ne može dogoditi u živoj stanici.

Oblik B- je klasičan i poznat je kao dvostruko uvijeni lanac, ali oblik Z- nije samo uvijen u suprotnom smjeru, nego lijevo, ali ima i više cik-cak oblik. Znanstvenici su također identificirali oblik G-kvadruplexa. Njegova struktura nije 2, nego 4 niti. Prema genetičarima, postoji takav oblik u onim područjima gdje postoji višak gvanina.

Umjetna DNK

Danas umjetna DNA već postoji, što je identična kopija sadašnjosti; To savršeno ponavlja strukturu prirodne dvostruke zavojnice. Ali, za razliku od primordijalnog polinukleotida, u umjetnom - samo dva dodatna nukleotida.

Budući da je sinkronizacija nastala na temelju informacija dobivenih tijekom različitih istraživanja stvarne DNK, ona se također može kopirati, samoreplicirati i razvijati. Stručnjaci su radili na stvaranju takve umjetne molekule oko 20 godina. Rezultat je nevjerojatan izum koji može koristiti genetski kod na isti način kao i prirodna DNK.

Četiri postojeće dušične baze, genetika je dodala još dva, koja su nastala kemijskom modifikacijom prirodnih baza. Za razliku od prirodne DNA, umjetna DNK bila je vrlo kratka. Sadrži samo 81 parova baza. Međutim, ona se također umnožava i razvija.

Replikacija molekule dobivene umjetnim sredstvima odvija se zbog lančane reakcije polimeraze, ali do sada se to ne događa neovisno, već intervencijom znanstvenika. U spomenutoj DNA samostalno dodaju potrebne enzime, stavljajući ih u posebno pripremljeni tekući medij.

Krajnji rezultat

Različiti faktori mogu utjecati na proces i konačni ishod razvoja DNA, na primjer, mutacije. To dovodi do obaveznog proučavanja uzoraka tvari, tako da je rezultat ispitivanja pouzdan i pouzdan. Primjer je test očinstva. Ali ne mogu, ali se radovati što su incidenti poput mutacije rijetki. Ipak, uzorci tvari uvijek se ponovno provjeravaju kako bi se na temelju analize dobile točnije informacije.

Biljna DNA

Zahvaljujući tehnologijama visokog sekvenciranja (HTS), napravljena je i revolucija na području genomike - također je moguće ekstrakcija DNA iz biljaka. Naravno, dobivanje visokokvalitetne molekularne mase DNA iz biljnog materijala uzrokuje određene poteškoće zbog velikog broja kopija mitohondrija i DNA kloroplasta, kao i visokih razina polisaharida i fenolnih spojeva. Kako bismo naglasili strukturu o kojoj razmišljamo, u ovom slučaju koristit ćemo različite metode.

Vodikova veza u DNA

Elektromagnetska privlačnost, stvorena između pozitivno nabijenog atoma vodika vezanog na elektronegativni atom, odgovorna je za vodikovu vezu u molekuli DNA. Ova dipolna interakcija ne potpada pod kriterij kemijske veze. Ali može se ostvariti intermolekularno ili u različitim dijelovima molekule, tj. Intramolekularno.

Vodikov atom je vezan za elektronegativni atom, koji je donor te veze. Elektronegativni atom može biti dušik, fluor, kisik. Pomoću decentralizacije privlači oblak elektrona iz jezgre vodika i čini atom vodika koji se tereti (djelomično) pozitivno. Budući da je veličina H mala, u usporedbi s drugim molekulama i atomima, naboja je također mala.

DNA dekripcija

Prije dešifriranja molekule DNA, znanstvenici najprije uzimaju veliki broj stanica. Za najtočniji i najuspješniji rad potrebno im je oko milijun. Dobiveni u procesu proučavanja rezultati se stalno uspoređuju i bilježe. Danas, dekodiranje genoma više nije rijetkost, nego pristupačan postupak.

Naravno, dešifriranje genoma jedne stanice je neprimjerena vježba. Podaci dobiveni tijekom takvih studija nisu zanimljivi znanstvenicima. No važno je razumjeti da sve postojeće metode dekodiranja, unatoč njihovoj složenosti, nisu dovoljno učinkovite. Oni će vam omogućiti da pročitate samo 40-70% DNA.

Međutim, profesori s Harvarda nedavno su najavili način dešifriranja 90% genoma. Tehnika se temelji na dodavanju molekula prajmera odabranim stanicama, uz pomoć kojih započinje Replikacija DNA. Ali čak ni ova metoda ne može se smatrati uspješnom, ona se ipak mora finalizirati prije nego što se otvoreno koristi u znanosti.