A nukleinsavak mononukleotidokból álló nagy molekulatömegű anyagok, amelyek 3", 5"-os foszfodiészter kötésekkel polimerláncban kapcsolódnak egymáshoz, és bizonyos módon a sejtekben vannak csomagolva.
A nukleinsavak kétféle biopolimerek: ribonukleinsav (RNS) és dezoxiribonukleinsav (DNS). Mindegyik biopolimer nukleotidokból áll, amelyek a szénhidrát-maradékban (ribóz, dezoxiribóz) és az egyik nitrogénbázisban (uracil, timin) különböznek egymástól. E különbségek alapján kapták a nukleinsavak a nevüket.
A dezoxiribonukleinsav szerkezete
A nukleinsavak elsődleges, másodlagos és harmadlagos szerkezettel rendelkeznek.
A DNS elsődleges szerkezete
A DNS elsődleges szerkezete egy lineáris polinukleotid lánc, amelyben a mononukleotidok 3", 5"-os foszfodiészter kötésekkel kapcsolódnak össze. A sejtben a nukleinsavlánc összeállításának kiindulási anyaga az 5"-trifoszfát nukleozid, amely a β és γ foszforsavmaradékok eltávolítása eredményeként képes egy másik nukleozid 3" szénatomjának megkötésére. . Így az egyik dezoxiribóz 3"-os szénatomja kovalensen kapcsolódik egy másik dezoxiribóz 5"-os szénatomjához egyetlen foszforsav-maradékon keresztül, és lineáris nukleinsav-polinukleotid-láncot alkot. Innen a név: 3", 5" foszfodiészter kötések. A nitrogénbázisok nem vesznek részt egy lánc nukleotidjainak összekapcsolásában (1. ábra).
Egy ilyen kapcsolat az egyik nukleotid foszforsavmolekula-maradéka és egy másik szénhidrátja között a polinukleotid-molekula pentóz-foszfát vázának kialakulásához vezet, amelyen egymás után nitrogéntartalmú bázisok kötődnek az oldalához. A nukleinsavmolekulák láncaiban való elrendeződésük sorrendje szigorúan sejtspecifikus különböző organizmusok, azaz sajátos karaktere van (Chargaff-szabály).
A lineáris DNS-láncnak, amelynek hossza a láncban lévő nukleotidok számától függ, két vége van: az egyiket 3"-os végnek nevezik, és szabad hidroxilcsoportot tartalmaz, a másikat 5"-nek nevezik, és egy foszfort tartalmaz. savmaradék. Az áramkör poláris, iránya 5"->3" és 3"->5". A kivétel a körkörös DNS.
A DNS genetikai „szövege” kód „szavakból” – kodonoknak nevezett nukleotidhármasokból áll. A DNS azon szakaszait, amelyek az RNS összes típusának elsődleges szerkezetére vonatkozó információkat tartalmaznak, szerkezeti géneknek nevezzük.
A polinukleotid DNS-láncok gigantikus méreteket érnek el, ezért bizonyos módon csomagolódnak a sejtben.
Chargaff (1949) a DNS összetételének tanulmányozása során fontos mintákat állapított meg az egyes DNS-bázisok tartalmát illetően. Segítettek feltárni a DNS másodlagos szerkezetét. Ezeket a mintákat Chargaff-szabályoknak nevezzük. Chargaff szabályok
Ezek a szabályok azt jelzik, hogy a DNS megalkotása során nem általában a purin és pirimidin bázisok, hanem konkrétan a timin és az adenin, a citozin és a guanin közötti meglehetősen szigorú megfelelést (párosítást) kell megfigyelni. Ezen szabályok alapján 1953-ban Watson és Crick javasolta a DNS másodlagos szerkezetének modelljét, az úgynevezett kettős hélixet (ábra). |
A DNS másodlagos szerkezete
A DNS másodlagos szerkezete egy kettős hélix, amelynek modelljét D. Watson és F. Crick javasolta 1953-ban.
A DNS-modell létrehozásának előfeltételei
A kezdeti elemzések eredményeként azt hitték, hogy bármilyen eredetű DNS mind a négy nukleotidot egyenlő moláris mennyiségben tartalmazza. Az 1940-es években azonban E. Chargaff és munkatársai a különféle organizmusokból izolált DNS elemzése eredményeként egyértelműen kimutatták, hogy ezek eltérő mennyiségi arányban tartalmaznak nitrogénbázisokat. Chargaff megállapította, hogy bár ezek az arányok azonosak az azonos élőlényfajok összes sejtjéből származó DNS esetében, a DNS-ből származó DNS esetében különböző típusok egyes nukleotidok tartalma jelentősen eltérhet. Ez arra utalt, hogy a nitrogénbázisok arányának különbségei valamilyen biológiai kóddal hozhatók összefüggésbe. Bár a különböző DNS-mintákban az egyes purin- és pirimidinbázisok aránya eltérőnek bizonyult, a vizsgálati eredményeket összehasonlítva egy bizonyos minta rajzolódott ki: minden mintában a purinok összszáma megegyezett a pirimidinek teljes számával (A + G = T + C), az adenin mennyisége megegyezett a timin mennyiségével (A = T), a guanin mennyisége pedig a citozin mennyiségével (G = C). Az emlőssejtekből izolált DNS általában gazdagabb adeninben és timinben, és viszonylag szegényebb guaninban és citozinban, míg a baktériumokból származó DNS gazdagabb guaninban és citozinban, és viszonylag szegényebb adeninben és timinben. Ezek az adatok fontos részét képezték annak a tényanyagnak, amely alapján később a Watson-Crick DNS-szerkezeti modellt felépítették.
A DNS lehetséges szerkezetére vonatkozó másik fontos közvetett jelzést L. Pauling fehérjemolekulák szerkezetére vonatkozó adatai szolgáltatták. Pauling kimutatta, hogy egy fehérjemolekulában az aminosavlánc többféle stabil konfigurációja lehetséges. Az egyik gyakori peptidlánc konfiguráció, az α-hélix, egy szabályos spirális szerkezet. Ezzel a szerkezettel lehetséges a hidrogénkötések kialakulása a lánc szomszédos menetein elhelyezkedő aminosavak között. Pauling 1950-ben írta le a polipeptidlánc α-hélikális konfigurációját, és azt javasolta, hogy a DNS-molekulák valószínűleg helikális szerkezettel rendelkeznek, amelyet hidrogénkötések tartják a helyükön.
A DNS-molekula szerkezetéről azonban a legértékesebb információkat a röntgendiffrakciós analízis eredményei szolgáltatták. A DNS-kristályon áthaladó röntgensugarak diffrakción mennek keresztül, azaz bizonyos irányokba eltérülnek. A sugarak eltérülésének mértéke és jellege maguknak a molekuláknak a szerkezetétől függ. A röntgendiffrakciós kép (3. ábra) a tapasztalt szem számára számos közvetett jelzést ad a vizsgált anyag molekuláinak szerkezetére vonatkozóan. A DNS röntgendiffrakciós mintázatának elemzése arra a következtetésre vezetett, hogy a nitrogéntartalmú bázisok (amelyek lapos alakúak) úgy vannak elrendezve, mint egy köteg lemez. A röntgendiffrakciós minták a kristályos DNS szerkezetének három fő periódusát tárták fel: 0,34, 2 és 3,4 nm.
Watson-Crick DNS-modell
Chargaff analitikai adatai, Wilkins röntgenmintái, valamint kémikusok kutatásai alapján, akik információt szolgáltattak a molekulában lévő atomok közötti pontos távolságokról, az adott atom kötései közötti szögekről és az atomok méretéről Watson ill. Crick elkezdte felépíteni a DNS-molekula egyes komponenseinek fizikai modelljeit egy bizonyos léptékben, és „igazítani” egymáshoz úgy, hogy a kapott rendszer megfeleljen a különböző kísérleti adatoknak. [előadás] .
Már korábban is ismerték, hogy a DNS-lánc szomszédos nukleotidjait foszfodiészter hidak kötik össze, összekötve az egyik nukleotid 5"-os szén-dezoxiribóz-atomját a következő nukleotid 3"-os szén-dezoxiribóz-atomjával. Watsonnak és Cricknek nem volt kétsége afelől, hogy a 0,34 nm-es periódus megfelel a DNS-lánc egymást követő nukleotidjai közötti távolságnak. Továbbá feltételezhető, hogy a 2 nm-es periódus megfelel a lánc vastagságának. És annak megmagyarázására, hogy a 3,4 nm-es periódus milyen valós szerkezetnek felel meg, Watson és Crick, valamint Pauling korábban azt javasolta, hogy a lánc spirál formájában csavarodott (pontosabban spirális vonalat alkot, mivel a szó szoros értelmében vett spirál akkor érhető el, ha a tekercsek a térben nem hengeres, hanem kúpos felületet alkotnak. Ekkor egy 3,4 nm-es periódus felel meg a spirál egymást követő fordulatai közötti távolságnak. Egy ilyen spirál lehet nagyon sűrű vagy kissé feszített, azaz a fordulatai lehetnek laposak vagy meredekek. Mivel a 3,4 nm-es periódus pontosan 10-szeres nagyobb távolság Az egymást követő nukleotidok között (0,34 nm) jól látható, hogy a hélix minden teljes köre 10 nukleotidot tartalmaz. Ezekből az adatokból Watson és Crick ki tudták számítani egy 2 nm átmérőjű spirálra csavart polinukleotid lánc sűrűségét, a menetek közötti távolság pedig 3,4 nm. Kiderült, hogy egy ilyen lánc sűrűsége fele akkora, mint a már ismert DNS tényleges sűrűsége. Feltételeznem kellett, hogy a DNS-molekula két láncból áll – hogy ez egy nukleotidok kettős hélixe.
A következő feladat természetesen a kettős hélixet alkotó két lánc közötti térbeli kapcsolatok tisztázása volt. Miután számos lehetőséget kipróbáltak a láncok elrendezésére a fizikai modelljükön, Watson és Crick úgy találta, hogy az összes rendelkezésre álló adathoz az a lehetőség felel meg a legjobban, amelyben két polinukleotid hélix ellentétes irányba halad; ebben az esetben cukor- és foszfátmaradékokból álló láncok alkotják a kettős hélix felületét, belül pedig purinok és pirimidinek találhatók. Az egymással szemben elhelyezkedő, két lánchoz tartozó bázisokat páronként hidrogénkötések kötik össze; Ezek a hidrogénkötések tartják össze a láncokat, így rögzítik a molekula általános konfigurációját.
A DNS kettős hélixe úgy képzelhető el, mint egy kötéllétra, amely spirálisan meg van csavarva, így a fokai vízszintesek maradnak. Ekkor a két hosszirányú kötél cukor- és foszfátmaradék-láncoknak, a keresztrudak pedig hidrogénkötésekkel összekapcsolt nitrogénbázispároknak felelnek meg.
A lehetséges modellek további tanulmányozása eredményeként Watson és Crick arra a következtetésre jutott, hogy minden „keresztrúdnak” egy purinból és egy pirimidinből kell állnia; 2 nm-es perióduson (amely a kettős hélix átmérőjének felel meg) nem lenne elég hely két purin számára, és a két pirimidin nem lehet elég közel egymáshoz ahhoz, hogy megfelelő hidrogénkötéseket hozzon létre. A részletes modell mélyreható tanulmányozása kimutatta, hogy az adenin és a citozin megfelelő méretű kombinációt alkotva mégsem helyezhető el úgy, hogy hidrogénkötések jöjjenek létre közöttük. Hasonló jelentések kényszerítették a guanin-timin kombináció kizárását, míg az adenin-timin és guanin-citozin kombinációk meglehetősen elfogadhatónak bizonyultak. A hidrogénkötések természete olyan, hogy az adenin a timinnel, a guanin pedig a citozinnal alkot párt. Ez a specifikus bázispárosítás gondolata lehetővé tette a „Chargaff-szabály” magyarázatát, amely szerint bármely DNS-molekulában az adenin mennyisége mindig megegyezik a timin-tartalommal, a guanin mennyisége pedig mindig egyenlő a mennyiséggel. citozinból. Két hidrogénkötés jön létre az adenin és a timin között, három pedig a guanin és a citozin között. Ennek a specifikusságnak köszönhetően az egyik láncban az egyes adeninekkel szembeni hidrogénkötések kialakulása timin képződését okozza a másik láncon; ugyanígy csak a citozin lehet minden guaninnal szemben. Így a láncok komplementerek egymással, vagyis az egyik lánc nukleotidsorrendje egyértelműen meghatározza a másik láncában lévő szekvenciát. A két lánc ellentétes irányban fut, és terminális foszfátcsoportjaik a kettős hélix ellentétes végén találhatók.
Kutatásaik eredményeként 1953-ban Watson és Crick javasolta a DNS-molekula szerkezetének modelljét (3. ábra), amely a mai napig is releváns. A modell szerint a DNS-molekula két komplementer polinukleotid láncból áll. Mindegyik DNS-szál több tízezer nukleotidból álló polinukleotid. Ebben a szomszédos nukleotidok szabályos pentóz-foszfát vázat alkotnak egy foszforsav-maradék és egy erős dezoxiribóz kapcsolódása miatt. kovalens kötés. Az egyik polinukleotid lánc nitrogéntartalmú bázisai szigorúan meghatározott sorrendben helyezkednek el, szemben a másik nitrogéntartalmú bázisaival. A nitrogéntartalmú bázisok váltakozása egy polinukleotid láncban szabálytalan.
A nitrogénbázisok elrendezése a DNS-láncban komplementer (a görög „komplement” szóból - addíció), azaz. A timin (T) mindig az adenin (A) ellen, és csak a citozin (C) a guanin (G) ellen. Ez azzal magyarázható, hogy A és T, valamint G és C szigorúan megfelelnek egymásnak, i.e. kiegészítik egymást. Ezt a megfelelést a bázisok kémiai szerkezete határozza meg, amely lehetővé teszi hidrogénkötések kialakulását a purin és pirimidin párban. Két kapcsolat van A és T között, három pedig G és C között. Ezek a kötések biztosítják a DNS-molekula részleges stabilizálását a térben. A kettős hélix stabilitása egyenesen arányos a G≡C kötések számával, amelyek stabilabbak az A=T kötésekhez képest.
Az egyik DNS-láncban a nukleotidok elrendeződésének ismert szekvenciája lehetővé teszi a komplementaritás elve szerint egy másik lánc nukleotidjainak megállapítását.
Ezenkívül megállapították, hogy aromás szerkezetű nitrogéntartalmú bázisok, pl vizesoldat egymás felett helyezkednek el, és érmeköteget alkotnak. Ez a folyamat alkotó halom szerves molekulák halmozásnak nevezik. A vizsgált Watson-Crick modell DNS molekulájának polinukleotid láncai hasonló fizikai-kémiai állapotúak, nitrogéntartalmú bázisaik érmeköteg formájában helyezkednek el, amelyek síkjai között van der Waals kölcsönhatások (halmozási kölcsönhatások) keletkeznek.
Hidrogénkötések a komplementer bázisok között (vízszintesen) és a polinukleotid láncban a bázisok síkjai között a van der Waals-erők hatására (függőlegesen) kialakuló egymásra halmozódó kölcsönhatás további térbeli stabilitást biztosít a DNS-molekulának.
Mindkét lánc cukor-foszfát gerince kifelé, az alapok pedig befelé, egymás felé néznek. A DNS-ben a láncok iránya antiparallel (az egyik iránya 5"->3", a másiké -3"->5", azaz az egyik lánc 3"-os vége az 5"-es végével szemben helyezkedik el. a másik.). A láncok jobb oldali spirálokat alkotnak, közös tengellyel. A hélix egy menete 10 nukleotid, a fordulat mérete 3,4 nm, az egyes nukleotidok magassága 0,34 nm, a hélix átmérője 2,0 nm. Az egyik szálnak a másik körül forgásának eredményeként a DNS kettős hélix egy nagyobb (körülbelül 20 Å átmérőjű) és egy kisebb (körülbelül 12 Å átmérőjű) barázda képződik. A Watson-Crick kettős hélixnek ezt a formáját később B-formának nevezték. A sejtekben a DNS általában B formában létezik, amely a legstabilabb.
A DNS funkciói
A javasolt modell megmagyarázta a dezoxiribonukleinsav számos biológiai tulajdonságát, beleértve a genetikai információ tárolását és a gének sokféleségét, amelyet 4 nukleotidból álló szekvenciális kombinációk biztosítanak, valamint a genetikai kód létezésének tényét, az önreprodukciós képességet. és továbbítja a replikációs folyamat által biztosított genetikai információkat, és a genetikai információ megvalósítását fehérjék formájában, valamint bármely más, enzimfehérjék segítségével képződő vegyületet.
A DNS alapvető funkciói.
- A DNS a genetikai információ hordozója, amelyet egy genetikai kód megléte biztosít.
- A genetikai információk szaporodása és átvitele sejtek és organizmusok generációi között. Ezt a funkciót a replikációs folyamat biztosítja.
- Genetikai információ megvalósítása fehérjék formájában, valamint bármely más, enzimfehérjék segítségével képződő vegyület. Ezt a funkciót az átírási és fordítási folyamatok biztosítják.
A kettős szálú DNS szerveződési formái
A DNS többféle kettős hélixet képezhet (4. ábra). Jelenleg már hat forma ismert (A-tól E-ig és Z-forma).
A DNS szerkezeti formái, amint azt Rosalind Franklin megállapította, a nukleinsavmolekula vízzel való telítettségétől függenek. A DNS-szálak röntgendiffrakciós analízissel végzett vizsgálatai során kimutatták, hogy a röntgenkép radikálisan függ a relatív páratartalomtól, hogy ennek a rostnak a víztelítettségének milyen fokán történik a kísérlet. Ha a rost megfelelően telített volt vízzel, akkor egy röntgenfelvételt készítettek. Szárításkor teljesen más röntgenkép jelent meg, amely nagyon különbözik a nagy nedvességtartalmú rostok röntgenképétől.
A magas páratartalmú DNS-molekulát B-formának nevezik. Fiziológiás körülmények között (alacsony sókoncentráció, magas hidratáltság) a DNS domináns szerkezeti típusa a B-forma (a kettős szálú DNS fő formája - Watson-Crick modell). Egy ilyen molekula hélix-emelkedése 3,4 nm. Körönként 10 komplementer pár van csavart „érmék” - nitrogéntartalmú bázisok formájában. A kötegeket hidrogénkötések tartják össze a két egymással szemben lévő „érme” között, és két foszfodiészter gerincből álló szalag „tekerteti” őket jobboldali spirálba. A nitrogénbázisok síkjai merőlegesek a hélix tengelyére. A szomszédos komplementer párok egymáshoz képest 36°-kal el vannak forgatva. A hélix átmérője 20Å, a purin nukleotid 12Å-t, a pirimidin nukleotid pedig 8Å-t foglal el.
Az alacsonyabb páratartalmú DNS-molekulát A-formának nevezik. Az A-forma kevésbé magas hidratáltság körülményei között és nagyobb Na + vagy K + iontartalom mellett jön létre. Ennek a szélesebb jobboldali spirális konformációnak fordulatonként 11 bázispárja van. A nitrogénbázisok síkjai erősebben hajlanak a hélix tengelyére, a normáltól 20°-kal eltérnek a hélix tengelyéhez képest. Ez egy 5Å átmérőjű belső üreg jelenlétét jelenti. A szomszédos nukleotidok távolsága 0,23 nm, a fordulat hossza 2,5 nm, a hélix átmérője 2,3 nm.
A DNS A formáját kezdetben kevésbé tartották fontosnak. Később azonban világossá vált, hogy a DNS A-formájának, akárcsak a B-formájának, óriási biológiai jelentősége van. A templát-primer komplexben található RNS-DNS hélix A-formájú, valamint RNS-RNS hélix és RNS hajtűszerkezetű (a ribóz 2'-hidroxilcsoportja megakadályozza, hogy az RNS-molekulák B-formát alkossanak). A DNS A-formája spórákban található. Megállapítást nyert, hogy a DNS A-formája 10-szer jobban ellenáll az UV-sugárzásnak, mint a B-forma.
Az A-formát és a B-formát nevezzük kanonikus formák DNS.
C-E formák jobbkezesek is, kialakulásuk csak speciális kísérletekben figyelhető meg, és úgy tűnik, in vivo nem léteznek. A DNS C formájának szerkezete hasonló a B DNS-hez. A menetenkénti bázispárok száma 9,33, a csavarmenet hossza 3,1 nm. Az alappárok 8 fokos szöget zárnak be a tengelyre merőleges helyzethez képest. A barázdák mérete hasonló a B-DNS barázdáihoz. Ebben az esetben a fő horony valamivel sekélyebb, a mellékhorony pedig mélyebb. A természetes és szintetikus DNS-polinukleotidok átalakulhatnak C-formába.
| 1. táblázat: Egyes DNS-szerkezetek jellemzői | |||
| Spirális típus | A | B | Z |
| Spirálmenet | 0,32 nm | 3,38 nm | 4,46 nm |
| Spirális csavarás | Jobb | Jobb | Bal |
| Alappárok száma körönként | 11 | 10 | 12 |
| Alapsíkok közötti távolság | 0,256 nm | 0,338 nm | 0,371 nm |
| Glikozid kötés konformációja | anti | anti | anti-C énekel |
| A furanóz gyűrű felépítése | C3"-endo | C2"-endo | C3"-endo-G C2"-endo-C |
| Horonyszélesség, kicsi/nagy | 1,11/0,22 nm | 0,57/1,17 nm | 0,2/0,88 nm |
| Horonymélység, kicsi/nagy | 0,26/1,30 nm | 0,82/0,85 nm | 1,38/0,37 nm |
| Spirál átmérő | 2,3 nm | 2,0 nm | 1,8 nm |
A DNS szerkezeti elemei
(nem kanonikus DNS-struktúrák)
A DNS szerkezeti elemei közé tartoznak a szokatlan struktúrák, amelyeket néhány speciális szekvencia korlátoz:
|
Z alakú DNS 1979-ben fedezték fel a d(CG)3 - hexanukleotid tanulmányozása során. Alexander Rich MIT professzor és kollégái fedezték fel. A Z-alak az egyik legfontosabb lett szerkezeti elemek DNS annak a ténynek köszönhető, hogy képződését olyan DNS-régiókban figyelték meg, ahol a purinok pirimidinekkel váltakoznak (például 5'-HCGC-3'), vagy metilált citozint tartalmazó 5'-CHCHCH-3' ismétlődésekben. A Z-DNS kialakulásának és stabilizálódásának elengedhetetlen feltétele volt, hogy a szin konformációban purin nukleotidok jelenjenek meg, az antikonformációban pirimidin bázisokkal váltakozva.
A természetes DNS-molekulák főleg jobbkezes B-formában léteznek, hacsak nem tartalmaznak olyan szekvenciákat, mint a (CG)n. Ha azonban az ilyen szekvenciák a DNS részét képezik, akkor ezek a szakaszok, amikor az oldat ionerőssége vagy a foszfodiészter váz negatív töltését semlegesítő kationok megváltoznak, ezek a szakaszok Z-formába alakulhatnak át, míg más DNS-szakaszok a lánc a klasszikus B-formában marad. Az ilyen átmenet lehetősége azt jelzi, hogy a DNS kettős hélixben a két szál dinamikus állapotban van, és egymáshoz képest letekercselhet, a jobbkezes formából a balkezesbe és fordítva. Az ilyen labilitás biológiai következményei, amelyek lehetővé teszik a DNS-szerkezet konformációs átalakulását, még nem teljesen ismertek. Úgy gondolják, hogy a Z-DNS szakaszai bizonyos szerepet játszanak bizonyos gének expressziójának szabályozásában, és részt vesznek a genetikai rekombinációban.
A DNS Z-formája egy bal oldali kettős hélix, amelyben a foszfodiészter gerince cikkcakkos mintázatban helyezkedik el a molekula tengelye mentén. Innen származik a molekula neve (cikkcakk)-DNK. A Z-DNS a természetben ismert legkevésbé csavart (fordulónként 12 bázispár) és legvékonyabb DNS. A szomszédos nukleotidok távolsága 0,38 nm, a fordulat hossza 4,56 nm, a Z-DNS átmérője 1,8 nm. Ezenkívül ennek a DNS-molekulának a megjelenését egyetlen barázda jelenléte különbözteti meg.
A DNS Z formáját prokarióta és eukarióta sejtekben találták meg. Mostanra olyan antitesteket szereztek, amelyek meg tudják különböztetni a DNS Z-formáját a B-formától. Ezek az antitestek a Drosophila (Dr. melanogaster) nyálmirigysejtjeinek óriáskromoszómáinak bizonyos régióihoz kötődnek. A kötődési reakció könnyen nyomon követhető e kromoszómák szokatlan szerkezete miatt, amelyben a sűrűbb régiók (korongok) ellentétben állnak a kevésbé sűrű régiókkal (interdiskekkel). A Z-DNS régiók a lemezközi lemezekben találhatók. Ebből az következik, hogy a Z-alak természetes körülmények között valóban létezik, bár a Z-forma egyes szakaszainak méretei még nem ismertek.
(inverterek) a DNS leghíresebb és leggyakrabban előforduló bázisszekvenciái. A palindrom olyan szó vagy kifejezés, amely ugyanazt olvassa balról jobbra és fordítva. Példák az ilyen szavakra vagy kifejezésekre: HUT, COSZACK, FLOOD, ÉS A RÓZSA AZOR MANCSÁRA hullott. DNS-szakaszokra alkalmazva ez a kifejezés (palindrom) a nukleotidok ugyanazt a váltakozását jelenti a lánc mentén jobbról balra és balról jobbra (mint a „kunyhó” szó betűi stb.).
A palindromot a bázisszekvenciák fordított ismétlődéseinek jelenléte jellemzi, amelyek két DNS-szálhoz képest másodrendű szimmetriával rendelkeznek. Az ilyen szekvenciák nyilvánvaló okokból önkiegészítők, és hajlamosak hajtű- vagy kereszt alakú struktúrákat kialakítani (ábra). A hajtűk segítenek a szabályozó fehérjéknek felismerni, hogy a kromoszóma DNS genetikai szövegét hol másolják.
Ha ugyanazon a DNS-szálon egy fordított ismétlődés van jelen, a szekvenciát tükörismétlődésnek nevezzük. A tükörismétlések nem rendelkeznek önkomplementaritási tulajdonságokkal, ezért nem képesek hajtű vagy kereszt alakú struktúrák kialakítására. Az ilyen típusú szekvenciák szinte minden nagy DNS-molekulában megtalálhatók, és néhány bázispártól több ezer bázispárig terjedhetnek.
A palindromok keresztes struktúrák formájában való jelenléte eukarióta sejtekben nem bizonyított, bár bizonyos számú keresztes struktúrát in vivo kimutattak E. coli sejtekben. Az önkomplementer szekvenciák jelenléte az RNS-ben vagy az egyszálú DNS-ben a fő oka annak, hogy az oldatokban a nukleinsavlánc egy bizonyos térbeli struktúrába hajtódik, amelyet sok „hajtű” képződése jellemez.
H-formájú DNS egy hélix, amelyet három DNS-szál alkot - egy DNS-hármas hélix. Ez egy Watson-Crick kettős hélix komplexe egy harmadik egyszálú DNS-száljal, amely illeszkedik a fő barázdájába, és egy úgynevezett Hoogsteen párt alkot.
Az ilyen triplex kialakulása a DNS kettős hélix felhajtása eredményeként következik be oly módon, hogy szakaszának fele kettős hélix formájában marad, a másik fele pedig elválik. Ebben az esetben az egyik szétkapcsolt hélix új szerkezetet alkot a kettős hélix első felével - egy hármas spirál, a második pedig strukturálatlannak bizonyul, egyszálú szakasz formájában. Ennek a szerkezeti átmenetnek a sajátossága, hogy élesen függ a közeg pH-jától, amelynek protonjai stabilizálják az új szerkezetet. Ennek a tulajdonságnak köszönhetően új szerkezet A DNS H-formájának nevezték, melynek kialakulását homopurin-homopirimidin régiókat tartalmazó szuperspirálos plazmidokban fedezték fel, amelyek tükörismétlődést jelentenek.
További vizsgálatok során megállapították, hogy lehetséges néhány homopurin-homopirimidin kettős szálú polinukleotid szerkezeti átmenete olyan háromszálú szerkezet kialakításával, amely tartalmazza:
- egy homopurin és két homopirimidin szál ( Py-Pu-Py triplex) [Hoogsteen interakció].
A Py-Pu-Py triplex alkotó blokkjai kanonikus izomorf CGC+ és TAT triádok. A triplex stabilizálásához a CGC+ triád protonálódása szükséges, így ezek a triplexek az oldat pH-jától függenek.
- egy homopirimidin és két homopurin szál ( Py-Pu-Pu triplex) [inverz Hoogsteen-kölcsönhatás].
A Py-Pu-Pu triplex alkotórészei kanonikus izomorf CGG és TAA triádok. A Py-Pu-Pu triplexek lényeges tulajdonsága, hogy stabilitásuk kettős töltésű ionok jelenlététől függ, és a különböző szekvenciájú triplexek stabilizálásához különböző ionokra van szükség. Mivel a Py-Pu-Pu triplexek képződése nem igényli az őket alkotó nukleotidok protonálását, az ilyen triplexek semleges pH-n létezhetnek.
Megjegyzés: a direkt és fordított Hoogsteen kölcsönhatásokat az 1-metiltimin szimmetriája magyarázza: 180°-os forgatás esetén az O2 atom az O4 atom helyére lép, miközben a hidrogénkötések rendszere megmarad.
A tripla hélix két típusa ismert:
- párhuzamos hármas hélixek, amelyekben a harmadik szál polaritása egybeesik a Watson-Crick duplex homopurin láncának polaritásával
- antiparallel tripla hélixek, amelyekben a harmadik és a homopurin lánc polaritása ellentétes.
G-quadruplex- 4 szálú DNS. Ez a szerkezet akkor jön létre, ha négy guanin van, amelyek alkotják az úgynevezett G-quadruplexet - négy guanin körtáncát.
Az első utalások az ilyen struktúrák kialakulásának lehetőségére jóval Watson és Crick áttörő munkája előtt érkeztek - még 1910-ben. Aztán Ivar Bang német kémikus felfedezte, hogy a DNS egyik összetevője - a guanozinsav - magas koncentrációban géleket képez, míg a DNS többi összetevője nem rendelkezik ezzel a tulajdonsággal.
1962-ben röntgendiffrakciós módszerrel sikerült megállapítani ennek a gélnek a sejtszerkezetét. Kiderült, hogy négy guaninmaradékból áll, amelyek körben kapcsolják össze egymást, és jellegzetes négyzetet alkotnak. Középen a kötést fémion (Na, K, Mg) tartja. Ugyanezek a struktúrák kialakulhatnak a DNS-ben is, ha sok guanint tartalmaz. Ezek a lapos négyzetek (G-kvartettek) egymásra vannak rakva, hogy meglehetősen stabil, sűrű struktúrákat (G-quadruplex) képezzenek.
Négy különálló DNS-szál négyszálú komplexekké szőhető, de ez inkább kivétel. Gyakrabban előfordul, hogy egyetlen nukleinsavszálat egyszerűen csomóba kötnek, jellegzetes megvastagodásokat hozva létre (például a kromoszómák végén), vagy a kettős szálú DNS néhány guaninban gazdag régióban helyi kvadrupplexet alkot.
A kromoszómák végén - a telomereken és a tumorpromoterekben - a kvadrupplexek létezését vizsgálták a legtöbbet. Az ilyen DNS-nek az emberi kromoszómákban való lokalizációjáról azonban még mindig nem ismert teljes kép.
Mindezek a szokatlan DNS-struktúrák lineáris formában instabilok a B-formájú DNS-hez képest. A DNS azonban gyakran topológiai feszültség körkörös formájában létezik, amikor az úgynevezett szupertekercselés. Ilyen körülmények között könnyen kialakulnak nem kanonikus DNS-struktúrák: Z-formák, „keresztek” és „hajtűk”, H-formák, guanin-kvadrupplexek és i-motívum.
- Szupertekercses forma – akkor figyelhető meg, amikor a pentóz-foszfát gerinc károsítása nélkül szabadul fel a sejtmagból. Szupercsavart zárt gyűrű alakú. Szupertekercses állapotban a DNS kettős hélix legalább egyszer „magára csavarodik”, azaz legalább egy szuperturnust tartalmaz (nyolcas alakot vesz fel).
- A DNS ellazult állapota – egyetlen töréssel (egy szál törésével) figyelhető meg. Ebben az esetben a szuperspirálok eltűnnek, és a DNS zárt gyűrűt ölt.
- A DNS lineáris formája akkor figyelhető meg, ha egy kettős hélix két szála eltörik.
A DNS harmadlagos szerkezete
A DNS harmadlagos szerkezete egy kettős spirális molekula térbeli további csavarodása - szupertekervénye - eredményeként jön létre. A DNS-molekula szuperspirálozása az eukarióta sejtekben, a prokariótáktól eltérően, fehérjékkel alkotott komplexek formájában történik.
Az eukarióták DNS-ének szinte teljes része a sejtmag kromoszómáiban található, de nem nagyszámú a mitokondriumokban, a növényekben pedig a plasztidokban található. Az eukarióta sejtek kromoszómáinak (beleértve az emberi kromoszómákat is) fő anyaga a kromatin, amely kettős szálú DNS-ből, hisztonból és nem hiszton fehérjékből áll.
Hiszton kromatin fehérjék
hisztonok - egyszerű fehérjék, a kromatin legfeljebb 50%-át teszik ki. Az összes vizsgált állati és növényi sejtben a hisztonok öt fő osztályát találták: H1, H2A, H2B, H3, H4, amelyek méretükben, aminosav-összetételükben és töltésükben különböznek (mindig pozitívak).
Az emlős hiszton H1 egyetlen polipeptidláncból áll, amely körülbelül 215 aminosavat tartalmaz; más hisztonok mérete 100 és 135 aminosav között változik. Mindegyikük spirálozott és körülbelül 2,5 nm átmérőjű gömbölyűvé van csavarva, és szokatlanul nagy mennyiségben tartalmaznak pozitív töltésű aminosavat, lizint és arginint. A hisztonok lehetnek acetilezve, metilezve, foszforilálva, poli(ADP)-ribozilálva, a H2A és H2B hisztonok pedig kovalensen kapcsolódnak az ubiquitinhez. Az ilyen módosítások szerepe a hisztonok szerkezetének és funkcióinak kialakításában még nem teljesen tisztázott. Feltételezhető, hogy ez az a képességük, hogy kölcsönhatásba lépnek a DNS-sel, és biztosítják a génműködés szabályozásának egyik mechanizmusát.
A hisztonok elsősorban a DNS-sel lépnek kölcsönhatásba ionos kötések(sóhidak) képződnek a DNS negatív töltésű foszfátcsoportjai és a hisztonok pozitív töltésű lizin- és argininmaradékai között.
Nem hiszton kromatin fehérjék
A nem hiszton fehérjék, ellentétben a hisztonokkal, nagyon változatosak. A DNS-kötő nem hiszton fehérjék 590 különböző frakcióját izolálták. Ezeket savas fehérjéknek is nevezik, mivel szerkezetüket a savas aminosavak uralják (ezek polianionok). A nem hiszton fehérjék sokfélesége a kromatin aktivitás specifikus szabályozásával függ össze. Például a DNS replikációjához és expressziójához szükséges enzimek átmenetileg kötődhetnek a kromatinhoz. Más fehérjék, például azok, amelyek különböző szabályozási folyamatokban vesznek részt, csak meghatározott szövetekben vagy a differenciálódás bizonyos szakaszaiban kötődnek a DNS-hez. Mindegyik fehérje komplementer egy meghatározott DNS-nukleotidszekvenciával (DNS-hely). Ez a csoport a következőket tartalmazza:
- helyspecifikus cink ujjfehérjék családja. Minden „cink ujj” felismer egy specifikus helyet, amely 5 nukleotidpárból áll.
- helyspecifikus fehérjék családja - homodimerek. Az ilyen fehérje DNS-sel érintkező fragmense hélix-turn-helix szerkezetű.
- a nagy mobilitású gélfehérjék (HMG proteinek) olyan szerkezeti és szabályozó fehérjék csoportját alkotják, amelyek folyamatosan kapcsolatban állnak a kromatinnal. Molekulatömege kisebb, mint 30 kDa, és magas töltött aminosav-tartalom jellemzi őket. Alacsony molekulatömegük miatt a HMG fehérjék nagy mobilitást mutatnak a poliakrilamid gélelektroforézis során.
- replikációs, transzkripciós és javító enzimek.
A DNS és RNS szintézisében részt vevő szerkezeti, szabályozó fehérjék és enzimek részvételével a nukleoszómaszál erősen kondenzált fehérjék és DNS komplexekké alakul. A kapott szerkezet 10 000-szer rövidebb, mint az eredeti DNS-molekula.
Kromatin
A kromatin fehérjék komplexe nukleáris DNS-sel és szervetlen anyagok. A kromatin nagy része inaktív. Szorosan csomagolt, kondenzált DNS-t tartalmaz. Ez a heterokromatin. Létezik konstitutív, genetikailag inaktív kromatin (műhold DNS), amely nem expresszálódott régiókból áll, és fakultatív - több generáción át inaktív, de bizonyos körülmények között expresszálható.
Az aktív kromatin (euchromatin) nem kondenzált, azaz. kevésbé szorosan csomagolva. Különböző cellákban tartalma 2-11%. Az agysejtekben a legnagyobb mennyiségben - 10-11%, a májsejtekben - 3-4 és a vesesejtekben - 2-3%. Az euchromatin aktív transzkripciója figyelhető meg. Ugyanakkor az övé szerkezeti szervezet lehetővé teszi, hogy egy adott típusú organizmusban rejlő azonos DNS genetikai információt eltérő módon használják fel a speciális sejtekben.
Az elektronmikroszkópban a kromatin képe gyöngyökhöz hasonlít: körülbelül 10 nm méretű gömbszerű megvastagodások, amelyeket fonalszerű hidak választanak el. Ezeket a gömb alakú megvastagodásokat nukleoszómáknak nevezzük. A nukleoszóma a kromatin szerkezeti egysége. Mindegyik nukleoszóma tartalmaz egy 146 bp-os szupertekercses DNS-szegmenst, amely nukleoszómális magonként 1,75 balra fordulatot képez. A nukleoszómális mag egy hisztonoktamer, amely a H2A, H2B, H3 és H4 hisztonokból, minden típusból két-két molekulából áll (9. ábra), amely úgy néz ki, mint egy 11 nm átmérőjű és 5,7 nm vastagságú korong. Az ötödik hiszton, a H1, nem része a nukleoszómális magnak, és nem vesz részt a DNS-nek a hisztonoktamerre való tekercselésének folyamatában. Azokon a helyeken érintkezik a DNS-sel, ahol a kettős hélix belép és kilép a nukleoszómális magból. Ezek intercore (linker) DNS-szakaszok, amelyek hossza a sejttípustól függően 40-50 nukleotidpár között változik. Ennek eredményeként a nukleoszómákba foglalt DNS-fragmens hossza is változik (186-196 nukleotidpár).
A nukleoszómák körülbelül 90%-ban tartalmazzák a DNS-t, a többi linker. Úgy gondolják, hogy a nukleoszómák a „néma” kromatin töredékei, és a linker aktív. A nukleoszómák azonban kibontakozhatnak és lineárissá válhatnak. A kibontott nukleoszómák már aktív kromatin. Ez egyértelműen mutatja a funkció szerkezettől való függőségét. Feltételezhető, hogy minél több kromatint tartalmaz a globuláris nukleoszóma, annál kevésbé aktív. Nyilvánvaló, hogy a különböző sejtekben a nyugvó kromatin egyenlőtlen aránya összefügg az ilyen nukleoszómák számával.
Az elektronmikroszkópos fényképeken az izolálás körülményeitől és a nyújtás mértékétől függően a kromatin nem csak egy hosszú fonalnak tűnhet megvastagodásokkal - nukleoszóma „gyöngyökkel”, hanem rövidebb és sűrűbb fibrillának (szálnak), amelynek átmérője kb. 30 nm, amelynek kialakulását a DNS linker régiójához kötődő H1 hiszton és a H3 hiszton kölcsönhatása során figyeljük meg, ami a hélix menetenként hat nukleoszómából álló további csavarodásához vezet, így 30 nm átmérőjű mágnestekercs jön létre. Ebben az esetben a hisztonfehérje számos gén transzkripcióját zavarhatja, és így szabályozhatja azok aktivitását.
A DNS fent leírt hisztonokkal való kölcsönhatása eredményeként egy 186 bázispárból álló, átlagosan 2 nm átmérőjű és 57 nm hosszúságú DNS kettős hélix szegmense 10 nm átmérőjű hélixmé alakul. hossza 5 nm. Ha ezt a hélixet ezt követően 30 nm átmérőjű szálká préselik, a kondenzáció mértéke további hatszorosára nő.
Végül egy DNS-duplex öt hisztonnal történő csomagolása a DNS 50-szeres kondenzációját eredményezi. Azonban még így is magas fokozat A kondenzáció nem magyarázza meg a DNS csaknem 50 000-100 000-szeres tömörödését a metafázisú kromoszómában. Sajnos a további kromatinpakolás részletei a metafázisos kromoszómáig még nem ismertek, így ennek a folyamatnak csak az általános jellemzőit tudjuk figyelembe venni.
A DNS-tömörítés szintjei a kromoszómákban
Minden DNS-molekula külön kromoszómába van csomagolva. Az emberi diploid sejtek 46 kromoszómát tartalmaznak, amelyek a sejtmagban találhatók. Egy sejtben az összes kromoszóma DNS-ének teljes hossza 1,74 m, de a mag átmérője, amelyben a kromoszómák vannak, milliószor kisebb. A DNS ilyen kompakt csomagolását a kromoszómákban és a sejtmag kromoszómáiban számos hiszton és nem hiszton fehérje biztosítja, amelyek egy bizonyos szekvenciában kölcsönhatásba lépnek a DNS-sel (lásd fent). A kromoszómákban lévő DNS tömörítése lehetővé teszi lineáris méreteinek körülbelül 10 000-szeres csökkentését - nagyjából 5 cm-ről 5 mikronra. A tömörítésnek több fokozata van (10. ábra).
- A DNS kettős hélix egy negatív töltésű molekula, amelynek átmérője 2 nm és hossza néhány cm.
- nukleoszóma szinten- a kromatin elektronmikroszkópban „gyöngyök” – nukleoszómák – „szálon” lévő láncának néz ki. A nukleoszóma egy univerzális szerkezeti egység, amely mind az euchromatinban, mind a heterokromatinban, az interfázisú magban és a metafázisos kromoszómákban megtalálható.
A nukleoszómális tömörítés szintjét speciális fehérjék - hisztonok - biztosítják. Nyolc pozitív töltésű hisztondomén alkotja a nukleoszóma magját, amely köré egy negatív töltésű DNS-molekula tekered. Ez 7-szeres rövidülést ad, miközben az átmérő 2-ről 11 nm-re nő.
- mágnesszelep szint
A kromoszóma szerveződésének szolenoid szintjét a nukleoszóma filamentum csavarodása és vastagabb, 20-35 nm átmérőjű fibrillumok - szolenoidok vagy szuperbidek - képződése jellemzi. A mágnesszelep osztásköze 11 nm, fordulatonként körülbelül 6-10 nukleoszóma van. A szolenoidos pakolást valószínűbbnek tartják, mint a szuperbid pakolást, amely szerint a 20-35 nm átmérőjű kromatinszálak szemcsékből vagy szuperbidekből álló lánc, amelyek mindegyike nyolc nukleoszómából áll. Solenoid szinten a DNS lineáris mérete 6-10-szeresére csökken, az átmérő 30 nm-re nő.
- hurokszint
A hurokszintet nem hiszton helyspecifikus DNS-kötő fehérjék biztosítják, amelyek felismerik és kötődnek specifikus DNS-szekvenciákhoz, körülbelül 30-300 kb méretű hurkokat képezve. A hurok biztosítja a génexpressziót, azaz. a hurok nemcsak szerkezeti, hanem funkcionális képződmény is. A rövidülés ezen a szinten 20-30 alkalommal fordul elő. Az átmérő 300 nm-re nő. Citológiai készítményekben hurok alakú struktúrák, például „lámpakefék” láthatók a kétéltű petesejtekben. Ezek a hurkok szuperspirálnak tűnnek, és DNS-doméneket képviselnek, amelyek valószínűleg a transzkripció és a kromatin replikáció egységeinek felelnek meg. Specifikus fehérjék rögzítik a hurkok alapjait és esetleg egyes belső szakaszait. A hurokszerű domén szerveződés elősegíti a kromatin metafázisú kromoszómákba való feltekeredését spirális szerkezetek magasabb rendek.
- domain szinten
A kromoszóma szerveződésének doménszintjét nem vizsgálták eléggé. Ezen a szinten a hurokdomének kialakulása figyelhető meg - 25-30 nm vastag szálak (fibrillák) szerkezetei, amelyek 60% fehérjét, 35% DNS-t és 5% RNS-t tartalmaznak, és gyakorlatilag minden fázisban láthatatlanok. sejtciklus a mitózis kivételével, és némileg véletlenszerűen oszlanak el a sejtmagban. Citológiai készítményekben hurok alakú struktúrák, például „lámpakefék” láthatók a kétéltű petesejtekben.
A hurokdomének az alapjukon kapcsolódnak az intranukleáris fehérjemátrixhoz az úgynevezett beépített kapcsolódási helyeken, amelyeket gyakran MAR/SAR szekvenciáknak neveznek (MAR, az angol mátrixhoz kapcsolódó régióból; SAR, az angol scaffold kapcsolódási régiókból) - Több száz bázispár hosszúságú DNS-fragmens, amelyre jellemző az A/T nukleotidpárok magas (>65%) tartalma. Úgy tűnik, hogy minden tartománynak egyetlen replikációs origája van, és autonóm szuperhélikus egységként funkcionál. Bármely hurokdomén sok transzkripciós egységet tartalmaz, amelyek működése valószínűleg koordinált – a teljes tartomány aktív vagy inaktív állapotban van.
Domén szinten a szekvenciális kromatin-pakolás eredményeként a DNS lineáris dimenziói körülbelül 200-szorosra (700 nm) csökkennek.
- kromoszóma szint
Kromoszómális szinten a profázis kromoszóma metafázisú kromoszómává kondenzálódik a hurokdomének tömörödésével a nem hiszton fehérjék axiális kerete körül. Ezt a szuperspirálozást a sejtben lévő összes H1 molekula foszforilációja kíséri. Ennek eredményeként a metafázis-kromoszóma sűrűn tömött szolenoid hurkokként ábrázolható, amelyek szoros spirálba tekerednek. Egy tipikus emberi kromoszóma akár 2600 hurkot is tartalmazhat. Egy ilyen szerkezet vastagsága eléri az 1400 nm-t (két kromatid), és a DNS-molekula 104-szeresére rövidül, azaz. 5 cm-ről megfeszített DNS-ről 5 µm-re.
A kromoszómák funkciói
Az extrakromoszómális mechanizmusokkal kölcsönhatásban a kromoszómák biztosítják
- örökletes információk tárolása
- ezen információk felhasználásával a sejtes szervezet létrehozására és fenntartására
- az örökletes információk olvasásának szabályozása
- a genetikai anyag önmegkettőzése
- a genetikai anyag átvitele az anyasejtből a leánysejtekbe.
Bizonyíték van arra, hogy amikor a kromatin egy régiója aktiválódik, pl. a transzkripció során először a H1 hiszton, majd a hisztonoktett reverzibilisen eltávolítódik belőle. Ez kromatin dekondenzációt okoz, egy 30 nm-es kromatinszál szekvenciális átalakulását 10 nm-es fibrillává és további kibontakozását szabad DNS szakaszokká, azaz. a nukleoszóma szerkezetének elvesztése.
DNS-molekula - az életadatok titkos forrása
A tudomány fejlődése nem hagy kétséget afelől, hogy az élőlények rendkívül összetett szerkezetűek és túl tökéletes szervezettel rendelkeznek, aminek a kialakulása nem tekinthető véletlennek. Ez azt jelzi, hogy az élőlényeket egy mindenható Teremtő teremtette, aki a legfelsőbb tudással rendelkezik. A közelmúltban például az emberi gén tökéletes szerkezetének magyarázatával, amely a Human Genome Project jelentős feladatává vált, Isten egyedülálló alkotása ismét nyilvánosan megjelent.
Az Egyesült Államoktól Kínáig a világ minden tájáról érkezett tudósok közel egy évtizede próbálják megfejteni a DNS-molekulában található 3 milliárd kémiai betűt, és meghatározni a sorrendjüket. Ennek eredményeként az emberi DNS-molekulában található adatok 85%-a szekvenálható volt. Bár ez a fejlemény izgalmas és fontos, Dr. Francis Collins, a Human Genome Project vezetője azt mondja, hogy a DNS-molekula szerkezetének megértése és az információ megfejtése csak az első lépés.
Ahhoz, hogy megértsük, miért tart ilyen sokáig ennek az információnak a dekódolása, meg kell értenünk a DNS-molekula szerkezetében tárolt információ természetét.
A DNS-molekula titkos szerkezete
A technológiai termék előállítása során, vagy a gyár irányításában a leggyakrabban használt eszköz a tapasztalat és a sok évszázad alatt megszerzett tudás felhalmozása.
Hogyan lehet ekkora információ- és memóriakapacitása egy szemnek láthatatlan, pályák formájában összerakott atomokból álló láncnak, amelynek mérete egymilliárd milliméter?
Ehhez a kérdéshez hozzáadódik a következő: ha a tested 100 billió sejtje mindegyike egymillió oldalnyi információt tud fejből, akkor hány enciklopédikus oldalt tudsz, mint okos és tudatos ember emlékszel életed végéig? A legfontosabb, hogy a sejt ezeket az információkat hibátlanul, rendkívül megtervezett és összehangolt módon, a megfelelő helyeken használja fel, és soha ne hibázzon. Még az ember születése előtt sejtjei már megkezdték teremtésének folyamatát.
Szinte mindenki hallott már DNS-molekulák létezéséről az élő sejtekben, és tudja, hogy ez a molekula felelős az örökletes információk továbbításáért. Rengeteg különböző film, valamilyen szinten, egy kicsi, de büszke, nagyon fontos molekula tulajdonságaira építi fel cselekményét.
Azt azonban kevesen tudják elmagyarázni, hogy pontosan mit is tartalmaz a DNS-molekula, és hogyan működnek a „teljes szervezet szerkezetéről” szóló információk olvasásának folyamatai. Kevesen tudják habozás nélkül olvasni a „dezoxiribonukleinsav” szót.
Próbáljuk meg kitalálni, miből áll és hogyan néz ki a számunkra legfontosabb molekula.
A szerkezeti egység szerkezete - egy nukleotid
A DNS-molekula sok szerkezeti egységet tartalmaz, mivel biopolimer. A polimer egy makromolekula, amely sok kis, egymás után összefüggő ismétlődő fragmentumból áll. Ahogy a lánc is láncszemekből áll.
A DNS-makromolekula szerkezeti egysége egy nukleotid. A DNS-molekula nukleotidjai három anyag - ortofoszforsav, egy szacharid (dezoxiribóz) és a négy lehetséges nitrogéntartalmú bázis egyikét - tartalmazzák.
A DNS-molekula nitrogénbázisokat tartalmaz: adenint (A), guanint (G), citozint (C) és timint (T).
Egy nukleotid lánc összetételét tükrözi a benne lévő bázisok váltakozása: -AAGCGTTAGCACGT- stb. A sorrend bármilyen lehet. Így jön létre a DNS egyetlen szála.
Egy molekula spiralizációja. A komplementaritás jelensége
Az emberi DNS-molekula mérete iszonyatosan hatalmas (persze más molekulák méretében)! Egyetlen sejt genomja (46 kromoszóma) körülbelül 3,1 milliárd nukleotidpárt tartalmaz. A sok láncszemből álló DNS-lánc hossza körülbelül két méter. Nehéz elképzelni, hogyan lehet egy ilyen terjedelmes molekulát elhelyezni egy apró sejtben.
A természet azonban gondoskodott a kompaktabb csomagolásról és genomjának védelméről – a két lánc nitrogénbázisokkal kapcsolódik egymáshoz, és a jól ismert kettős hélixet alkotja. Így közel hatszorosára csökkenthető a molekula hossza.
A nitrogéntartalmú bázisok kölcsönhatási sorrendjét szigorúan a komplementaritás jelensége határozza meg. Az adenin csak a timinhez, míg a citozin csak a guaninhoz tud kötődni. Ezek a kiegészítő párok kulcsként és zárként illeszkednek egymáshoz, mint a puzzle darabjai.
Most számoljuk ki, hogy egy számítógépben (vagy egy flash meghajtón) mennyi memóriát kell elfoglalnia erről a kicsi (világunk léptékű) molekulájáról. A nukleotidpárok száma 3,1x10 9. Összesen 4 érték van, ami azt jelenti, hogy 2 bit információ (2 2 érték) elegendő egy párhoz. Mindezt megszorozzuk egymással, és 6200000000 bitet kapunk, vagy 775000000 bájtot, vagy 775000 kilobájtot vagy 775 megabájtot. Ami átlagos minőségben nagyjából megfelel egy CD kapacitásának vagy egy 40 perces filmepizód hangerejének.
Kromoszóma képződés. Az emberi genom meghatározása
A spiralizáció mellett a molekulát ismételten tömörítésnek vetik alá. A kettős hélix fonalgolyóként kezd csavarodni - ezt a folyamatot szupertekercselésnek nevezik, és egy speciális hisztonfehérje segítségével megy végbe, amelyre a láncot tekercsszerűen tekerik fel.
Ez a folyamat további 25-30-szorosára lerövidíti a molekula hosszát. Az egyre kompaktabbá váló, több szintű csomagolástól függően egy DNS-molekula a segédfehérjékkel együtt kromoszómát alkot.
Minden olyan információt, amely testünk alakjával, megjelenésével és működésével kapcsolatos, gének halmaza határoz meg. A gén egy DNS-molekula szigorúan meghatározott része. Változatlan nukleotidszekvenciából áll. Sőt, a gént nemcsak összetétele határozza meg szigorúan, hanem a lánc többi szakaszához viszonyított helyzete is.
Ribonukleinsav és szerepe a fehérjeszintézisben
A DNS mellett más típusú nukleinsavak is léteznek - mátrix, transzfer és riboszomális RNS (ribonukleinsav). Az RNS-láncok sokkal kisebbek és rövidebbek, ennek köszönhetően képesek áthatolni a nukleáris membránon.
Az RNS-molekula is biopolimer. Szerkezeti fragmentumai hasonlóak a DNS-t alkotó fragmentumokhoz, egy kis kivétellel egy szacharid (dezoxiribóz helyett ribóz). Négyféle nitrogénbázis létezik: az ismerős A, G, C és uracil (U) a timin helyett. A fenti kép jól mutatja mindezt.
A DNS-makromolekula feltekercselt formában képes információt továbbítani az RNS-nek. A hélix feltekerése egy speciális enzim segítségével történik, amely a kettős hélixet külön láncokra választja szét - mint a cipzár felei.
Ugyanakkor a DNS-lánccal párhuzamosan egy komplementer RNS-lánc jön létre. Az információt lemásolva és a sejtmagból a sejtkörnyezetbe kerülve az RNS-lánc elindítja a gén által kódolt fehérje szintézisének folyamatait. A fehérjeszintézis speciális sejtszervecskékben - riboszómákban - történik.
A riboszóma, ahogy olvassa a láncot, meghatározza, hogy az aminosavakat milyen sorrendben kell összekapcsolni, egymás után - ahogy beolvassa az információt az RNS-be. Ezután a szintetizált aminosavlánc meghatározott 3D alakot ölt.
Ez a terjedelmes szerkezeti molekula egy fehérje, amely képes ellátni az enzimek, hormonok, receptorok és építőanyagok kódolt funkcióit.
következtetéseket
Minden élőlény számára a fehérje az egyes gének végterméke. A fehérjék határozzák meg a sejtjeinkben titkosított formák, tulajdonságok és minőségek sokféleségét.
Kedves blogolvasók, tudjátok, hol van a DNS, írjatok megjegyzéseket vagy visszajelzéseket arról, amit tudni szerettek volna. Ez nagyon hasznos lesz valakinek!
Dezoxiribonukleinsavak (DNS), nagy polimerizációs természetes vegyületek, amelyek élő szervezetek sejtmagjában találhatók; A hisztonfehérjékkel együtt a kromoszómák anyagát alkotják. A DNS a genetikai információ hordozója, egyes szakaszai bizonyos géneknek felelnek meg. A DNS-molekula 2 polinukleotid láncból áll, amelyek egymás köré csavaródnak spirálba. A láncok nagyszámú 4 típusú monomerből - nukleotidokból épülnek fel, amelyek specifitását 4 nitrogénbázis (adenin, guanin, citozin, timin) egyike határozza meg. Három szomszédos nukleotid kombinációi egy DNS-láncban (triplettek vagy kodonok) alkotják a genetikai kódot. A DNS-lánc nukleotidszekvenciájának megsértése örökletes változásokhoz vezet a szervezetben - mutációkhoz. A DNS pontosan reprodukálódik a sejtosztódás során, ami biztosítja az örökletes jellemzők és az anyagcsere specifikus formáinak átvitelét sejt- és szervezetgenerációkon keresztül.
Dezoxiribonukleinsavak (DNS), dezoxiribózt szénhidrát komponensként tartalmazó nukleinsavak. A DNS minden élő szervezet kromoszómájának fő alkotóeleme; az összes pro- és eukarióta génjét, valamint számos vírus genomját képviseli. A DNS nukleotidszekvenciájában a genetikai információ rögzítésre kerül (kódolva) a faj összes jellemzőjéről és az egyed (egyed) jellemzőiről - genotípusáról. A DNS szabályozza a sejt- és szövetkomponensek bioszintézisét, és meghatározza a szervezet aktivitását egész élete során.
A DNS felfedezésének és tanulmányozásának története
Már a 19. század közepén megállapították, hogy az élőlények bizonyos tulajdonságainak öröklésének képessége a sejtmagban található anyaghoz kapcsolódik. 1868-72-ben. I. F. Miescher svájci biokémikus a genny (leukociták) és a lazacsperma sejtjéből izolált egy anyagot, amelyet nukleinnek nevezett el, és később a dezoxiribonukleinsav nevet kapta.
A 19. század végén - a 20. század elején. L. Kessel, P. Levene, E. Fischer és mások munkájának köszönhetően megállapítást nyert, hogy a DNS-molekulák lineáris polimerláncok, amelyek sok ezer egymáshoz kapcsolódó monomerből állnak - négyféle dezoxiribonukleotidból. Ezeket a nukleotidokat a dezoxiribóz, a foszforsav és a négy nitrogénbázis egyikének öt szénatomos cukormaradéka képezi: a purinok - adenin és guanin, valamint a pirimidinek - citozin és timin. A bázisok kijelölésére nevük kezdőbetűit kezdték használni angolul vagy oroszul (orosz nyelven tudományos irodalom) nyelv: A, G (G), C (C) és T.
Sokáig azt hitték, hogy a DNS-t csak állati sejtekben találták meg, egészen az 1930-as évekig. Az orosz biokémikus, A. N. Belozersky nem mutatta ki, hogy a DNS minden élő sejt lényeges alkotóeleme. A DNS (mint öröklődési anyag) genetikai szerepének első bizonyítékát 1944-ben szerezte meg amerikai tudósok egy csoportja (O. Avery és mások), akik baktériumokon végzett kísérleteik során egyértelműen megállapították, hogy a DNS segítségével öröklött tulajdonság. átvihető egyik cellából a másikba.
A 20. század közepére. Angol tudósok (A. Todd és mások) munkái végül tisztázták a DNS-molekulában monomer egységként szolgáló nukleotidok szerkezetét és a nukleotidok közötti kötés típusát. Az összes nukleotid 3"-, 5"-foszfodiészter kötéssel kapcsolódik egymáshoz oly módon, hogy a foszforsavmaradék összekötő elemként szolgál az egyik nukleotid 3"-szén-dezoxiribóz-atomja és az 5"-szén-dezoxiribóz-atom között. egy másik nukleotid. Ez alapján minden DNS-szálban megkülönböztetjük a molekula 3" és 5" végét.
DNS szerkezet. A "kettős hélix" felfedezése
1950-ben E. Chargaff amerikai biokémikus jelentős különbségeket fedezett fel a különböző forrásokból származó DNS nukleotid-összetételében. Ezenkívül kiderült, hogy egy DNS-molekulában a nukleotidok összetétele számos mintának engedelmeskedik, amelyek közül a legfontosabb a purin és pirimidin bázisok teljes számának egyenlősége, valamint az adenin és tinin (A-T) mennyiségének egyenlősége. valamint guanin és citozin (G-C). 1953-ban J. Watson amerikai biokémikus és F. Crick angol fizikus a DNS-kristályok röntgenszerkezeti elemzése (M. Wilkins laboratórium) alapján és Chargaff adatai alapján háromdimenziós szerkezeti modellt javasoltak. E modell szerint a DNS-molekulák két jobbkezes polinukleotid lánc vagy egy kettős hélix, amelyek egy közös tengely köré csavarodnak. A hélix fordulatánként körülbelül 10 nukleotid maradék található. Ebben a kettős spirálban a láncok ellentétesek, azaz ellentétes irányban vannak irányítva, így az egyik lánc 3"-os vége a másik 5"-os végével szemben helyezkedik el.
A láncok gerincét dezoxiribóz-maradékok és negatív töltésű foszfátcsoportok alkotják. A kettős hélix külső oldalán helyezkednek el (a molekula felületével szemben). Mindkét lánc vízben rosszul oldódó (hidrofób) purin- és pirimidinbázisa befelé orientálódik, és a kettős hélix tengelyére merőlegesen helyezkedik el.
A DNS kettős hélix antiparallel polinukleotid láncai sem bázisszekvenciában, sem nukleotid-összetételükben nem azonosak. Ezek azonban kiegészítik egymást: ahol az adenin megjelenik az egyik láncban, ott a másik láncban vele szemben minden bizonnyal timin lesz, az egyik láncban pedig a guaninnal szemben, ott biztosan a másik lánc citozinja lesz. Ez azt jelenti, hogy az egyik lánc bázissorrendje egyértelműen meghatározza a molekula másik (komplementer) láncában lévő bázisok sorrendjét. Ezenkívül ezek a bázispárok hidrogénkötéseket képeznek egymással (három kötés van benne G-C párés kettő - A-T között). Hidrogénkötések és hidrofób kölcsönhatások játszanak főszerep a DNS kettős hélix stabilizálásában.
A hevítés, a pH jelentős változása és számos egyéb tényező a DNS-molekula denaturálódását okozza, ami a láncok szétválásához vezet. Bizonyos feltételek mellett lehetőség van a DNS-molekula eredeti (natív) szerkezetének teljes helyreállítására, renaturációjára. A komplementer DNS-láncok azon képessége, hogy könnyen szétválnak, majd visszaállítják az eredeti szerkezetet, az alapja a DNS-molekula önreprodukciója, replikációja (duplázódása): ha két komplementer DNS-lánc elválik, majd mindegyiken, mint egy mátrixon, új, azokat szigorúan kiegészítő láncok épülnek fel, akkor a két újonnan képződött molekula azonos lesz az eredetivel. Ennek az elvnek a felfedezése lehetővé tette molekuláris szinten magyarázza az öröklődés jelenségét.
Hasonlóságok és különbségek a természetes DNS szerkezetében. Méretek
Szinte minden természetes DNS két szálból áll (a kivétel néhány vírus egyszálú DNS-e). Ebben az esetben a DNS lehet lineáris vagy kör alakú (amikor a molekula végei kovalensen záródnak). A prokarióta sejtekben a DNS egyetlen kromoszómává (nukleoidba) szerveződik, és egy körkörös makromolekula képviseli. molekuláris tömeg több mint 10. Ezenkívül egyes baktériumok sejtjei egy vagy több plazmidot – kromoszómához nem kapcsolódó kis, körkörös DNS-molekulákat – tartalmaznak. Az eukariótákban a DNS nagy része a sejtmagban található a kromoszómák (nukleáris DNS) részeként. Minden eukarióta kromoszóma csak egy lineáris DNS-molekulát tartalmaz, de mivel minden eukarióta sejt (a nemi sejtek kivételével) kettős homológ kromoszómakészletet tartalmaz, a DNS-t két nem azonos másolat képviseli, amelyeket a szervezet kap az apától és az anyától a fúzió során. a nemi sejtek. Az eukarióta DNS molekulatömege nagyobb, mint a prokarióta DNS-é (például a Drosophila gyümölcslégy egyik kromoszómájában eléri a 7,9 x 1010-et). Ezenkívül a mitokondriumok és a kloroplasztiszok körkörös DNS-molekulákat tartalmaznak, amelyek molekulatömege 106-107. Ezen organellumok DNS-ét citoplazmatikusnak nevezik; az összes sejt DNS körülbelül 0,1%-át teszi ki.
A DNS-molekulák méretét általában az őket alkotó nukleotidok számával fejezik ki. Ezek a méretek a bakteriális plazmidokban és egyes vírusokban található több ezer nukleotidpártól a magasabb rendű szervezetekben található több százezer nukleotidpárig terjednek. Az ilyen óriásmolekulákat rendkívül tömören kell sejtekben és vírusokban csomagolni. Például az Escherichia coli DNS-nukleotidjának hossza, amely körülbelül négymillió nukleotidpárból áll, 1,4 mm, ami 700-szor nagyobb, mint magának a baktériumsejtnek a mérete. Egyetlen emberi sejtben az összes DNS teljes hossza körülbelül 2 m. Ha figyelembe vesszük, hogy a felnőtt emberi test körülbelül 1013 sejtből áll, akkor az emberi DNS teljes hosszának körülbelül 2x1013 m-nek vagy 2x1010 km-nek kell lennie. összehasonlításképpen: a földgömb kerülete - 4x104 km, a Föld és a Nap távolsága pedig 1,44x108 km). Hogyan történik az óriási DNS-molekulák becsomagolása egy kis térfogatú sejtben vagy vírusban? A DNS kettős hélix nem teljesen merev, ami lehetővé teszi csavarodások, hurkok, szuperhélikus struktúrák stb. kialakulását. A bakteriális nukleoidban az ilyen hajtogatást kevés speciális fehérje és esetleg ribonukleinsav támogatja. Az eukarióta sejtekben az alapvető hisztonfehérjék és néhány nem hiszton fehérje univerzális készletének segítségével a DNS egy nagyon kompakt formációvá alakul - kromatinná, amely a kromoszómák fő összetevője. Például a legnagyobb emberi kromoszóma DNS-ének hossza 8 cm, és a kromoszóma részeként a csomagolás miatt nem haladja meg a 8 nm-t.
A fehérje (polipeptid) és az RNS elsődleges szerkezetét kódoló DNS egyes szakaszait géneknek nevezzük. Az örökletes információkat lineáris nukleotidszekvenciában rögzítik. Különböző szervezetekben szigorúan egyedi, és a legfontosabb jellemzőként szolgál, amely megkülönbözteti az egyik DNS-molekulát a másiktól, és ennek megfelelően az egyik gént a másiktól. A különböző fajokhoz tartozó állatok azért különböznek egymástól, mert sejtjeik DNS-molekulái eltérő nukleotid szekvenciával rendelkeznek, azaz eltérő információt hordoznak.
DNS bioszintézis
A DNS bioszintézise replikáción keresztül megy végbe, ami biztosítja a genetikai információ pontos másolását és generációról generációra való átvitelét. Ez a folyamat a DNS-polimeráz enzim részvételével megy végbe. Az egyszálú (egyszálú) ribonukleinsav (RNS) molekula templátként is szolgálhat a DNS-szintézishez, amely például akkor következik be, amikor a sejteket retrovírusokkal (ideértve az AIDS-vírust is) fertőzik. E vírusok életciklusa magában foglalja az információ fordított áramlását - az RNS-től a DNS-ig. Ebben az esetben az RNS komplementer DNS-be másolását a reverz transzkriptáz enzim segítségével hajtják végre. Az organizmusok élete során DNS-ük külső tényezők hatására különféle károsodásoknak (mutációknak) lehet kitéve, amelyek a nitrogénbázisok szerkezetének megsértésével járnak. Az evolúció során a sejtek olyan védőmechanizmusokat fejlesztettek ki, amelyek biztosítják eredeti szerkezetük helyreállítását - a DNS-javítást.
Hatékony módszereket dolgoztak ki a DNS-molekulák nukleotidszekvenciájának meghatározására, amelyeknek köszönhetően számos vírus, egyes mitokondriumok és kloroplasztok génjeiben hatalmas információ halmozódott fel elsődleges szerkezetéről, valamint egyes génekről és nagy genomok fragmenseiről. Az élesztő és a fonálféreg DNS-ének nukleotidszekvenciája teljesen meghatározásra került (150 millió nukleotidpár). A nemzetközi Humán Genom program keretében az emberi genomban található összes DNS (3 milliárd nukleotidpár) nukleotidszekvenciájának felállítása nagyjából befejeződött.
A DNS-molekulában a váltakozó nukleotidok szekvenciájának ismerete fontos az emberi örökletes betegségek elemzésekor, az egyes gének és más, funkcionálisan fontos DNS szakaszok izolálásakor; lehetővé teszi a genetikai kód felhasználásával bizonyos gének által kódolt fehérjék elsődleges szerkezetének pontos megállapítását. A DNS elsődleges szerkezetére vonatkozó információkat széles körben használják a génsebészetben rekombináns DNS - meghatározott tulajdonságokkal rendelkező molekulák létrehozására, beleértve a különböző szervezetekből származó DNS-komponenseket.
