Funksjonell genetisk organisering av DNA. Strukturelle og funksjonelle nivåer for organisering av arvemateriale

Molekylær basis arvelighet Alle prokaryoter og eukaryoter har en spesiell klasse av bioorganiske stoffer - nukleinsyrer, delt i henhold til deres kjemiske sammensetning og biologiske rolle i deoksyribonukleinsyrer (DNA) og ribonukleinsyrer (RNA).

Begge typer nukleinsyre syrer er trådlignende molekyler som består av individuelle strukturelle enheter - nukleotider, koblet til en polynukleotidkjede med flere enheter. Hvert nukleotid består av følgende tre kjemisk distinkte deler: I) 5-karbon sukkerrester, deoksyribose (i DNA) og ribose (i RNA), som danner "ryggraden" i polynukleotidstrengen; 2) fire nitrogenholdige baser adenin (A), guanin (G), cytosin (C) og tymin (T) (i RNA-molekylet er den siste basen erstattet av uracil U), og hver nitrogenholdig base er kovalent koblet til det første karbonet atom av sukkeret gjennom glykosidbinding; 3) en fosfatgruppe som forbinder nabonukleotider til en enkelt kjede gjennom dannelsen av fosfodiesterbindinger mellom 5" karbonatomet til ett sukker og 3 karbonatomet til et annet.

Genetisk registrering informasjon utføres lineært fra 5"-enden til 3"-enden av nukleinsyremolekylet. Ett slikt molekyl kan inneholde opptil mange millioner nukleotider.

Molekyler i en celle DNA eksisterer i form av en spiralformet dobbeltkjede (dobbel helix), hvis tråder er antiparallelle, dvs. har motsatt orientering. Den doble DNA-strengen dannes på grunn av svake hydrogenbindinger mellom komplementære baser: adenin er strengt tatt komplementært til tymin, og cytosin er strengt tatt komplementært til guanin.

Under visse forhold Disse hydrogenbindingene kan brytes, noe som fører til utseendet av enkelttrådede molekyler (DNA-denaturering), og deretter dannet igjen mellom de samme komplementære regionene (renaturering eller DNA-hybridisering). Under hybridiseringsprosessen gjenopprettes den originale DNA-dobbelhelixen nøyaktig. Det er tilstedeværelsen av komplementaritet som sikrer både nøyaktigheten av DNA-selvreproduksjon i hver celledelingssyklus (denne prosessen kalles replikasjon) og gjenoppretting av den skadede nukleotidsammensetningen til DNA-molekylet. På grunn av komplementariteten til nukleotidene i dobbelthelixen uttrykkes lengden av DNA-molekylet vanligvis i basepar (bp), samt tusenvis av basepar (kilobaser, kb) og millioner av basepar (megabaser, mb). DNAet til mennesker som en biologisk art inkluderer omtrent 3 milliarder bp.

Regissert DNA-molekylsyntese i cellen utføres av et spesielt enzym - DNA-polymerase. Denne prosessen involverer "avvikling" av den doble helixen på syntesestedet og dannelsen av en spesiell protein-nukleisk struktur - en replikasjonsgaffel; den gradvise fremdriften av replikasjonsgaffelen langs den doble helixen er ledsaget av sekvensiell tilsetning av baser komplementære til den enkelttrådede DNA-malen til den nyopprettede kjeden (syntese av den voksende DNA-kjeden fortsetter alltid strengt i retning fra 5" til 3").

Komplementær DNA-syntese krever tilstedeværelsen i miljøet av individuelle "byggesteiner" for forlengelse av det voksende molekylet - fire typer deoks(dATP, dTTP, dCTP og dGTP). Hele prosessen initieres av spesielle frø - primere, som er korte oligonukleotidmolekyler komplementære til en spesifikk startseksjon av DNA-malen.

Basert på de ovennevnte definisjonene av arv og variabilitet kan vi anta hvilke krav det materielle underlaget til disse to livsegenskapene må oppfylle.

For det første må arvematerialet ha evne til å reprodusere seg selv, til inn. i prosessen med reproduksjon, overføre arvelig informasjon på grunnlag av hvilken dannelsen av en ny generasjon vil bli utført. For det andre, for å sikre stabilitet av egenskaper over en rekke generasjoner, må arvematerialet holde organisasjonen konstant. For det tredje må materialet av arv og variabilitet ha evnen innhente endringer og reprodusere dem, gir mulighet for historisk utvikling av levende materie under skiftende forhold. Bare hvis de spesifiserte kravene er oppfylt, kan det materielle substratet for arv og variasjon sikre varigheten og kontinuiteten til eksistensen av levende natur og dens utvikling.

Moderne ideer om naturen til det genetiske apparatet lar oss skille mellom tre nivåer av organisasjonen: genetisk, kromosomalt Og genomisk. Hver av dem avslører de grunnleggende egenskapene til materialet av arv og variasjon og visse mønstre for overføring og funksjon.

3.4. GENNIVA AV ORGANISERING AV DET GENETISKE APPARATET

Den elementære funksjonelle enheten til det genetiske apparatet, som bestemmer muligheten for å utvikle en separat karakteristikk av en celle eller organisme av en gitt art, er genet(arvelig forekomst, ifølge G. Mendel). Ved å overføre gener over en rekke generasjoner av celler eller organismer, oppnås materiell kontinuitet - arven av egenskapene til foreldrene deres av etterkommere.

Under skilt forstå enheten morfologisk, fysiologisk, biokjemisk, immunologisk, klinisk og enhver annen diskrethet av organismer (celler), dvs. en egen kvalitet eller egenskap som de skiller seg med fra hverandre.

De fleste funksjonene til organismer eller celler som er oppført ovenfor, faller inn i kategorien komplekse tegn, dannelsen av disse krever syntese av mange stoffer, først og fremst proteiner med spesifikke egenskaper - enzymer, immunoproteiner, strukturelle, kontraktile, transport- og andre proteiner. Egenskapene til et proteinmolekyl bestemmes av aminosyresekvensen til polypeptidkjeden, som er direkte bestemt av sekvensen av nukleotider i DNAet til det tilsvarende genet og er elementær, eller et enkelt tegn.

De grunnleggende egenskapene til et gen som en funksjonell enhet av det genetiske apparatet bestemmes av dets kjemiske organisering,

3.4.1. Kjemisk organisering av genet

Forskning rettet mot å belyse den kjemiske naturen til arvematerialet har ugjendrivelig bevist at det materielle substratet for arv og variabilitet er nukleinsyrer, som ble oppdaget av F. Miescher (1868) i kjernene til pusceller. Nukleinsyrer er makromolekyler, dvs. har høy molekylvekt. Dette er polymerer som består av monomerer - nukleotider, inkludert tre komponenter: sukker(pentose), fosfat Og nitrogenholdig base(purin eller pyrimidin). En nitrogenholdig base (adenin, guanin, cytosin, tymin eller uracil) er festet til det første karbonatomet i C-1 pentosemolekylet, og et fosfat festes til det femte karbonatomet C-5 ved hjelp av en esterbinding; det tredje karbonatomet C-3" har alltid en hydroksylgruppe - OH (fig. 3.1).

Sammenføyningen av nukleotider til et nukleinsyremakromolekyl skjer gjennom interaksjonen av fosfatet til ett nukleotid med hydroksylet til et annet, slik at en fosfodiesterbinding(Fig. 3.2). Som et resultat dannes en polynukleotidkjede. Ryggraden i kjeden består av vekslende fosfat- og sukkermolekyler. En av de nitrogenholdige basene oppført ovenfor er festet til pentosemolekylene i posisjon C-1 (fig. 3.3).

Ris. 3.1. Nukleotidstrukturdiagram

Se tekst for forklaring; nukleotidkomponentbetegnelsene brukt i denne figuren beholdes i alle påfølgende nukleinsyrediagrammer

Sammenstillingen av en polynukleotidkjede utføres med deltakelse av enzymet polymerase, som sikrer bindingen av fosfatgruppen til neste nukleotid til hydroksylgruppen lokalisert i posisjon 3", av forrige nukleotid (fig. 3.3). Pga. til den bemerkede spesifisiteten til virkningen av det navngitte enzymet, skjer veksten av polynukleotidkjeden bare i den ene enden: der, hvor den frie hydroksylen er i posisjon 3". Begynnelsen av kjeden bærer alltid en fosfatgruppe i posisjon 5". Dette tillater oss å skille 5" og 3" - slutter.

Blant nukleinsyrer skilles to typer forbindelser: deoksyribonukleinsyre(DNA) Og ribonukleinsyre(RNA)syrer. En studie av sammensetningen av hovedbærerne av arvelig materiale - kromosomer - oppdaget at deres mest kjemisk stabile komponent er DNA, som er substratet for arv og variabilitet.

3.4.1.1. DNA-struktur. J. Watson og F. Crick modell

DNA består av nukleotider, som inkluderer sukker - deoksyribose, fosfat og en av nitrogenbasene - purin (adenin eller guanin) eller pyrimidin (tymin eller cytosin).

Et trekk ved den strukturelle organiseringen av DNA er at molekylene inkluderer to polynukleotidkjeder koblet til hverandre på en bestemt måte. I samsvar med den tredimensjonale modellen av DNA, foreslått i 1953 av den amerikanske biofysikeren J. Watson og den engelske biofysikeren og genetikeren F. Crick, er disse kjedene forbundet med hverandre ved hjelp av hydrogenbindinger mellom deres nitrogenholdige baser i henhold til prinsippet om komplementaritet. Adenin i en kjede er forbundet med to hydrogenbindinger til tymin i en annen kjede, og tre hydrogenbindinger dannes mellom guanin og cytosin i forskjellige kjeder. Denne forbindelsen av nitrogenholdige baser sikrer en sterk forbindelse mellom de to kjedene og opprettholder en lik avstand mellom dem hele veien.

Ris. 3.4. Diagram over strukturen til et DNA-molekyl

Piler indikerer anti-parallellisme av mål

Et annet viktig trekk ved kombinasjonen av to polynukleotidkjeder i et DNA-molekyl er deres antiparallelisme: 5"-enden av den ene kjeden er koblet til 3"-enden av den andre, og omvendt (fig. 3.4).

Røntgendiffraksjonsdata viste at et DNA-molekyl, bestående av to kjeder, danner en helix vridd rundt sin egen akse. Helixdiameteren er 2 nm, stigningslengden er 3,4 nm. Hver tur inneholder 10 par nukleotider.

Oftest er doble helikser høyrehendte - når de beveger seg oppover langs helixaksen, dreier kjedene til høyre. De fleste DNA-molekyler i løsning er i høyrehendt - B-form (B-DNA). Men venstrehendte former (Z-DNA) forekommer også. Hvor mye av dette DNA som finnes i celler og hva dets biologiske betydning er, er ennå ikke fastslått (fig. 3.5).

Ris. 3.5. Romlige modeller av venstrehendt Z-form ( Jeg)

Og høyrehendt B-form ( II) DNA

I den strukturelle organiseringen av DNA-molekylet kan vi altså skille primær struktur - polynukleotidkjede, sekundær struktur- to komplementære og antiparallelle polynukleotidkjeder forbundet med hydrogenbindinger, og tertiær struktur - en tredimensjonal spiral med ovennevnte romlige egenskaper.

3.4.1.2. En metode for å registrere genetisk informasjon i et DNA-molekyl. Biologisk kode og dens egenskaper

Primært er mangfoldet av liv bestemt av mangfoldet av proteinmolekyler som utfører ulike biologiske funksjoner i cellene. Strukturen til proteiner bestemmes av settet og rekkefølgen av aminosyrer i deres peptidkjeder. Det er denne sekvensen av aminosyrer i peptider som er kryptert i DNA-molekyler ved hjelp av biologiske(genetisk)kode. Den relative primitiviteten til DNA-strukturen, som representerer vekslingen av bare fire forskjellige nukleotider, har lenge forhindret forskere fra å betrakte denne forbindelsen som et materiell substrat for arv og variasjon, der ekstremt mangfoldig informasjon bør krypteres.

I 1954 foreslo G. Gamow at kodingen av informasjon i DNA-molekyler skulle utføres ved kombinasjoner av flere nukleotider. I mangfoldet av proteiner som finnes i naturen, er det oppdaget rundt 20 forskjellige aminosyrer. For å kryptere et slikt antall av dem, kan et tilstrekkelig antall nukleotidkombinasjoner bare gis trillingkode, der hver aminosyre er kryptert av tre tilstøtende nukleotider. I dette tilfellet dannes 4 3 = 64 tripletter fra fire nukleotider. En kode bestående av to nukleotider vil gjøre det mulig å kryptere kun 4 2 = 16 forskjellige aminosyrer.

Den fullstendige dechiffreringen av den genetiske koden ble utført på 60-tallet. av vårt århundre. Av de 64 mulige DNA-tripletter, koder 61 for forskjellige aminosyrer; de resterende 3 ble kalt meningsløse, eller "nonsens-trillinger." De krypterer ikke aminosyrer og fungerer som skilletegn ved lesing av arvelig informasjon. Disse inkluderer ATT, ACT, ATC.

Bemerkelsesverdig er den åpenbare redundansen til koden, manifestert i det faktum at mange aminosyrer er kryptert av flere tripletter (fig. 3.6). Dette er en egenskap til en triplettkode kalt degenerasjon, er svært viktig, siden forekomsten av endringer i strukturen til DNA-molekylet, slik som erstatning av ett nukleotid i en polynukleotidkjede, kanskje ikke endrer betydningen av tripletten. Den nye kombinasjonen av tre nukleotider som er opprettet på denne måten, koder for den samme aminosyren.

I prosessen med å studere egenskapene til den genetiske koden, ble det oppdaget spesifisitet. Hver triplett er i stand til å kode for kun én spesifikk aminosyre. Et interessant faktum er den fullstendige korrespondansen av koden i forskjellige typer levende organismer. Slik allsidighet Den genetiske koden vitner om opprinnelsesenheten til hele mangfoldet av levende former på jorden i prosessen med biologisk evolusjon.

Mindre forskjeller i den genetiske koden er funnet i mitokondrie-DNA til noen arter. Dette motsier generelt ikke påstanden om at koden er universell, men den vitner om en viss divergens i dens utvikling i de tidlige stadiene av livets eksistens. Dechiffrering av koden i DNAet til mitokondrier av forskjellige arter viste at i alle tilfeller har mitokondrielt DNA et fellestrekk: tripletten ACC leses som ACC, og blir derfor fra en nonsenstriplett til en kode for aminosyren tryptofan.

Ris. 3.6. Aminosyrer og DNA-tripletter som koder for dem

Andre funksjoner er spesifikke for ulike typer organismer. I gjær koder GAT-tripletten og muligens hele GA-familien for treonin i stedet for aminosyren leucin. Hos pattedyr har TAG-tripletten samme betydning som TAC og koder for aminosyren metionin i stedet for isoleucin. TCG- og TCC-tripletter i mitokondrie-DNA til noen arter koder ikke for aminosyrer, og er nonsens-tripletter.

Sammen med triplisitet, degenerasjon, spesifisitet og universalitet, er de viktigste egenskapene til den genetiske koden dens kontinuitet Og ikke-overlappende kodoner under lesing. Dette betyr at nukleotidsekvensen leses triplett for triplett uten gap, og nabotripletter overlapper ikke hverandre, dvs. hvert enkelt nukleotid er en del av kun én triplett for en gitt leseramme (fig. 3.7). Bevis på den ikke-overlappende genetiske koden er erstatning av bare én aminosyre i peptidet når man erstatter ett nukleotid i DNA. Hvis et nukleotid er inkludert i flere overlappende tripletter, vil dets erstatning innebære erstatning av 2-3 aminosyrer i peptidkjeden.

Ris. 3.7. Kontinuitet og udiskutabilitet av den genetiske koden

Når du leser arvelig informasjon

Tallene indikerer nukleotider

DNA er en kompleks organisk forbindelse som er en vesentlig bærer av arvelig informasjon. Det er en dobbelt uforgrenet lineær polymer, hvis monomerer er nukleotider. Et DNA-nukleotid består av en nitrogenholdig base, en fosforsyrerest og et deoksyribosekarbohydrat. Det er 4 typer nukleotider, som er forskjellige i nitrogenholdig base: adenin, som inkluderer adenin, cytosin - cytosin, guanin - guanin, tymin - tymin. Den nitrogenholdige basen til en DNA-streng er forbundet med en hydrogenbro til basen til en annen, slik at A er koblet til T, og G til C. De er komplementære til hverandre. Det er på dette at egenskapen til DNA er basert, noe som forklarer dens biologiske rolle: evnen til å reprodusere seg selv, dvs. til autoreproduksjon. Autoreproduksjon av DNA-molekyler skjer under påvirkning av polymeraseenzymer. I dette tilfellet slapper de komplementære kjedene av DNA-molekyler av og divergerer. Så begynner hver av dem å syntetisere en ny. Siden hver av basene i nukleotidene kan feste et annet nukleotid bare med en strengt definert struktur, skjer nøyaktig reproduksjon av modermolekylet.
Den viktigste biologiske funksjonen til DNA er lagring, konstant selvfornyelse og overføring av genetisk informasjon i cellen.
Den genetiske koden er et system for arrangement av nukleotider i et DNA-molekyl som kontrollerer sekvensen av aminosyrer i DNA-molekylet. Genene i seg selv er ikke direkte involvert i proteinsyntesen. Mediatoren mellom gen og protein er mRNA. Genet er malen for å konstruere mRNA-molekylet. Koding av informasjon må utføres ved kombinasjoner av flere nukleotider. 20 aminosyrer ble funnet i mangfoldet av proteiner. For å kryptere et slikt antall av dem, kan et tilstrekkelig antall kombinasjoner av nukleotider bare gis av en triplettkode, der hver aminosyre er kryptert med tre tilstøtende nukleotider. I dette tilfellet dannes 64 tripletter fra 4 nukleotider. Av de 64 DNA-tripletter koder 61 for forskjellige aminosyrer, de resterende 3 kalles meningsløse, eller nonsens-tripletter, de fungerer som skilletegn. Sekvensen av tripletter bestemmer rekkefølgen av aminosyrer i proteinmolekylet.
Egenskaper til den genetiske koden:
Degenerasjon. Det viser seg i det faktum at mange aminosyrer er kryptert av flere trillinger.
Spesifisitet. Hver triplett kan bare kode for én spesifikk aminosyre
Allsidighet. Bevis på opprinnelsesenheten til hele mangfoldet av levende former på jorden i prosessen med biologisk evolusjon.
Sammen med disse egenskapene er de viktigste egenskapene til den genetiske koden kontinuiteten og udiskutable kodonene under lesing. Dette betyr at nukleotidsekvensen leses triplett for triplett uten hull, og tilstøtende tripletter overlapper ikke hverandre.

Forskning rettet mot å belyse den kjemiske naturen til arvemateriale har ugjendrivelig bevist det det materielle substratet for arv og variasjon ernukleinsyrer, som ble oppdaget av F. Miescher (1868) i kjernene til pusceller. Nukleinsyrer er makromolekyler, dvs. har høy molekylvekt. Dette er polymerer som består av monomerer - nukleotider, inkludert tre komponenter: sukker(pentose), fosfat Og nitrogenholdig base(purin eller pyrimidin). En nitrogenholdig base (adenin, guanin, cytosin, tymin eller uracil) er festet til det første karbonatomet i C-1 pentosemolekylet, og et fosfat festes til det femte karbonatomet C-5 ved hjelp av en esterbinding; det tredje karbonatomet C-3" har alltid en hydroksylgruppe - OH ( se diagram ).

Ris. 3.1. Nukleotidstrukturdiagram

DNA-struktur. Modell av J. Watson et al. Hyle

DNA består av nukleotider, som inkluderer sukker - deoksyribose, fosfat og en av nitrogenbasene - purin (adenin eller guanin) eller pyrimidin (tymin eller cytosin).

Ris. 3.4. Diagram over strukturen til et DNA-molekyl. Pilene indikerer antiparallelismen til kretsene

Et annet viktig trekk ved kombinasjonen av to polynukleotidkjeder i et DNA-molekyl er deres antiparallelisme: 5"-enden av den ene kjeden er koblet til 3"-enden av den andre, og omvendt (fig. 3.4).

Ris. 3.5. Romlige modeller av venstrehendt Z-form ( Jeg)

og høyrehendt B-form ( II) DNA

En av hovedegenskapene til arvematerialet er dets evne til å kopiere - replikering. Denne egenskapen er sikret av særegenhetene ved den kjemiske organiseringen av DNA-molekylet, bestående av to komplementære kjeder. Under replikasjonsprosessen syntetiseres en komplementær kjede på hver polynukleotidkjede til det overordnede DNA-molekylet. Som et resultat dannes to identiske doble helixer fra en DNA-dobbelspiral. Denne metoden for å doble molekyler, der hvert dattermolekyl inneholder en forelder og en nysyntetisert kjede, kalles semi-konservativ(se fig. 2.12).

For at replikasjon skal skje, må kjedene av mors DNA separeres fra hverandre for å bli maler som komplementære kjeder av dattermolekyler vil bli syntetisert på.

Initiering av replikasjon skjer i spesielle områder av DNA kalt ori (fra engelsk opprinnelse - begynnelse). De inkluderer en sekvens på 300 nukleotidpar som gjenkjennes av spesifikke proteiner. DNA-dobbelthelixen i disse lociene er delt inn i to kjeder, og som regel dannes områder med divergens av polynukleotidkjeder på begge sider av replikasjonsopphavet - replikeringsgafler, som beveger seg i motsatte retninger fra stedet ori veibeskrivelse. Mellom replikasjonsgafler en struktur kalt replikasjonsøye, hvor nye polynukleotidkjeder dannes på to tråder av mors DNA (figur 3.8, EN).

Sluttresultatet av replikasjonsprosessen er dannelsen av to DNA-molekyler, hvis nukleotidsekvens er identisk med den til foreldre-DNA-dobbelhelixen.

DNA-replikasjon i prokaryoter og eukaryoter er i utgangspunktet lik; imidlertid er syntesehastigheten i eukaryoter (ca. 100 nukleotider/s) en størrelsesorden lavere enn i prokaryoter (1000 nukleotider/s). Årsaken til dette kan være dannelsen av eukaryotisk DNA i ganske sterke forbindelser med proteiner (se kapittel 3.5.2.), som kompliserer dens despiralisering nødvendig for replikativ syntese.

I 1869 oppdaget den sveitsiske biokjemikeren Friedrich Miescher forbindelser med sure egenskaper og enda høyere molekylvekt enn proteiner i cellekjernen. Altman kalte dem nukleinsyrer, fra det latinske ordet "kjerne" - kjerne. Akkurat som proteiner er nukleinsyrer polymerer. Monomerene deres er nukleotider, og derfor kan nukleinsyrer også kalles polynukleotider.

Nukleinsyrer er funnet i cellene til alle organismer, fra de enkleste til de høyeste. Det mest overraskende er at den kjemiske sammensetningen, strukturen og de grunnleggende egenskapene til disse stoffene viste seg å være like i en rekke levende organismer. Men hvis rundt 20 typer aminosyrer deltar i konstruksjonen av proteiner, så er det bare fire forskjellige nukleotider som utgjør nukleinsyrer.

Nukleinsyrer er delt inn i to typer - deoksyribonukleinsyre (DNA) og ribonukleinsyre (RNA). DNA inneholder nitrogenholdige baser (adenin (A), guanin (G), tymin (T), cytosin (C)), deoksyribose C5H10O4 og en fosforsyrerest. RNA inneholder uracil (U) i stedet for tymin, og ribose (C5H10O5) i stedet for deoksyribose. Monomerene til DNA og RNA er nukleotider, som består av nitrogenholdige, purin (adenin og guanin) og pyrimidin (uracil, tymin og cytosin) baser, en fosforsyrerest og karbohydrater (ribose og deoksyribose).

DNA-molekyler finnes i kromosomene i cellekjernen til levende organismer, i de tilsvarende strukturene til mitokondrier, kloroplaster, i prokaryote celler og i mange virus. Strukturen til DNA-molekylet ligner på en dobbel helix. Strukturell modell av DNA i
form for en dobbel helix ble først foreslått i 1953 av den amerikanske biokjemikeren J. Watson og den engelske biofysikeren og genetikeren F. Crick, som sammen med den engelske biofysikeren M. Wilkinson, som mottok røntgendiffraksjonsmønsteret til DNA, ble tildelt prisen. Nobelprisen i 1962. Nukleinsyrer er biopolymerer, hvis makromolekyler består av gjentatte repeterende enheter - nukleotider. Derfor kalles de også polynukleotider. Den viktigste egenskapen til nukleinsyrer er deres nukleotidsammensetning. Sammensetningen av et nukleotid - en strukturell enhet av nukleinsyrer - inkluderer tre komponenter:

nitrogenholdig base - pyrimidin eller purin. Nukleinsyrer inneholder fire forskjellige typer baser: to av dem tilhører klassen puriner og to til klassen pyrimidiner. Nitrogenet i ringene gir molekylene deres grunnleggende egenskaper.

monosakkarid - ribose eller 2-deoksyribose. Sukkeret som er en del av nukleotidet inneholder fem karbonatomer, dvs. er en pentose. Avhengig av typen pentose som er tilstede i nukleotidet, skilles to typer nukleinsyrer - ribonukleinsyrer (RNA), som inneholder ribose, og deoksyribonukleinsyrer (DNA), som inneholder deoksyribose.

fosforsyrerester. Nukleinsyrer er syrer fordi molekylene deres inneholder fosforsyre.

Metoden for å bestemme sammensetningen av PC er basert på analysen av hydrolysater dannet under deres enzymatiske eller kjemiske nedbrytning. Tre metoder for kjemisk spaltning av NC er ofte brukt. Syrehydrolyse under strenge forhold (70 % perklorsyre, 100 °C, 1 time eller 100 % maursyre, 175 °C, 2 timer), brukt til analyse av både DNA og RNA, fører til spaltning av alle N-glykosidbindinger og dannelsen av en blanding av purin- og pyrimidinbaser.

Nukleotider er koblet til en kjede gjennom kovalente bindinger. Nukleotidkjedene som dannes på denne måten er kombinert til ett DNA-molekyl langs hele lengden ved hjelp av hydrogenbindinger: adenin-nukleotidet til en kjede er koblet til tymin-nukleotidet i den andre kjeden, og guanin-nukleotidet til cytosinet. I dette tilfellet gjenkjenner adenin alltid bare tymin og binder seg til det og omvendt. Et lignende par dannes av guanin og cytosin. Slike basepar kalles i likhet med nukleotider komplementære, og prinsippet for dannelsen av et dobbelttrådet DNA-molekyl kalles komplementaritetsprinsippet. Antall nukleotidpar, for eksempel, i menneskekroppen er 3 - 3,5 milliarder.

DNA er en vesentlig bærer av arvelig informasjon, som er kodet av en sekvens av nukleotider. Plasseringen av de fire typene nukleotider i DNA-kjedene bestemmer sekvensen av aminosyrer i proteinmolekyler, dvs. deres primære struktur. Egenskapene til celler og de individuelle egenskapene til organismer avhenger av settet med proteiner. En viss kombinasjon av nukleotider som bærer informasjon om strukturen til proteinet og sekvensen av deres plassering i DNA-molekylet danner den genetiske koden. Et gen (fra gresk genos - slekt, opprinnelse) er en enhet av arvelig materiale som er ansvarlig for dannelsen av enhver egenskap. Det okkuperer en del av DNA-molekylet som bestemmer strukturen til ett proteinmolekyl. Settet med gener som finnes i et enkelt sett med kromosomer til en gitt organisme kalles genomet, og den genetiske konstitusjonen til organismen (settet med alle dens gener) kalles genotypen. Brudd på nukleotidsekvensen i DNA-kjeden, og derfor i genotypen, fører til arvelige endringer i kroppen - mutasjoner.

DNA-molekyler er preget av den viktige egenskapen til duplisering - dannelsen av to identiske doble helixer, som hver er identisk med det opprinnelige molekylet. Denne prosessen med å doble et DNA-molekyl kalles replikasjon. Replikering innebærer brudd av gammelt og dannelse av nye hydrogenbindinger som forener nukleotidkjeder. I begynnelsen av replikeringen begynner de to gamle trådene å slappe av og skille seg fra hverandre. Deretter festes nye kjeder i henhold til komplementaritetsprinsippet til de to gamle kjedene. Dette skaper to identiske doble helikser. Replikering sikrer nøyaktig kopiering av genetisk informasjon som finnes i DNA-molekyler og gir den videre fra generasjon til generasjon.

DNA-sammensetning

DNA (deoksyribonukleinsyre)- en biologisk polymer som består av to polynukleotidkjeder koblet til hverandre. Monomerene som utgjør hver DNA-streng er komplekse organiske forbindelser som inneholder en av fire nitrogenholdige baser: adenin (A) eller tymin (T), cytosin (C) eller guanin (G); pentaatomisk sukker pentose - deoksyribose, hvorfra selve DNA er navngitt, samt en fosforsyrerest. Disse forbindelsene kalles nukleotider. I hver kjede bindes nukleotider sammen ved å danne kovalente bindinger mellom deoksyribosen til ett nukleotid og fosforsyreresten til neste nukleotid. To kjeder er kombinert til ett molekyl ved hjelp av hydrogenbindinger som oppstår mellom nitrogenholdige baser som er en del av nukleotidene som danner forskjellige kjeder.

Ved å undersøke nukleotidsammensetningen til DNA av forskjellig opprinnelse, oppdaget Chargaff følgende mønstre.

1. Alt DNA, uavhengig av opprinnelse, inneholder samme antall purin- og pyrimidinbaser. Følgelig er det i ethvert DNA ett pyrimidinnukleotid for hvert purinnukleotid.

2. Ethvert DNA inneholder alltid like mengder i par av adenin og tymin, guanin og cytosin, som vanligvis betegnes som A=T og G=C. Den tredje følger av disse regelmessighetene.

3. Antall baser som inneholder aminogrupper i posisjon 4 i pyrimidinkjernen og 6 i purinkjernen (cytosin og adenin) er lik antall baser som inneholder en oksogruppe i samme posisjoner (guanin og tymin), dvs. A +C=G+T. Disse mønstrene kalles Chargaffs regler. Sammen med dette ble det funnet at for hver type DNA er det totale innholdet av guanin og cytosin ikke likt det totale innholdet av adenin og tymin, dvs. at (G+C)/(A+T), som regel, skiller seg fra enhet (kanskje både mer og mindre av det). Basert på denne egenskapen skilles to hovedtyper av DNA: En T-type med et dominerende innhold av adenin og tymin og G C-type med et dominerende innhold av guanin og cytosin.

Forholdet mellom innholdet av summen av guanin og cytosin og summen av innholdet av adenin og tymin, som karakteriserer nukleotidsammensetningen til en gitt type DNA, kalles vanligvis spesifisitetskoeffisient. Hvert DNA har en karakteristisk spesifisitetskoeffisient, som kan variere fra 0,3 til 2,8. Ved beregning av spesifisitetskoeffisienten tas innholdet av mindre baser i betraktning, samt erstatning av hovedbaser med deres derivater. Når man for eksempel beregner spesifisitetskoeffisienten for hvetekim EDNA, som inneholder 6 % 5-metylcytosin, inngår sistnevnte i summen av innholdet av guanin (22,7 %) og cytosin (16,8 %). Betydningen av Chargaffs regler for DNA ble tydelig etter at dens romlige struktur ble etablert.

Makromolekylær struktur av DNA

I 1953 dechiffrerte Watson og Crick, basert på kjente data om konformasjonen av nukleosiderester, arten av internukleotidbindinger i DNA og regelmessighetene i nukleotidsammensetningen til DNA (Chargaffs regler), røntgendiffraksjonsmønstre av den parakrystallinske formen av DNA [den såkalte B-formen, dannet ved en fuktighet over 80 % og ved høy konsentrasjon av motioner (Li+) i prøven]. I følge deres modell er DNA-molekylet en vanlig helix dannet av to polydeoksyribonukleotidkjeder vridd i forhold til hverandre og rundt en felles akse. Diameteren til helixen er nesten konstant langs hele lengden og er lik 1,8 nm (18 A).

Makromolekylær struktur av DNA.

(a)-Watson-Crick-modell;

(6) parametere for B-, C- og T-formens DNA-helixer (projeksjoner vinkelrett på helix-aksen);

(G)-parametere til DNA-helixen i A-form;

(d)- tverrsnitt av en DNA-helix i A-form.
Lengden på helix-svingen, som tilsvarer dens identitetsperiode, er 3,37 nm (33,7 A). For en omdreining av helixen er det 10 baserester i en kjede. Avstanden mellom grunnplanene er dermed omtrent 0,34 nm (3,4 A). Planene til baserestene er vinkelrett på helixens lange akse. Planene med karbohydratrester avviker noe fra denne aksen (opprinnelig antydet Watson og Crick at de var parallelle med den).

Figuren viser at karbohydrat-fosfat-ryggraden i molekylet vender utover. Spiralen er vridd på en slik måte at to spor av forskjellig størrelse kan skilles på overflaten (de kalles ofte også spor) - en stor, ca. 2,2 nm bred (22 A), og en liten, ca. 1,2 nm. bred (12 A). Spiralen er høyredreiende. Polydeoksyribonukleotidkjedene i den er antiparallelle: dette betyr at hvis vi beveger oss langs helixens lange akse fra den ene enden til den andre, så vil vi i den ene kjeden passere fosfodiesterbindinger i 3"à5"-retningen, og i den andre - i retning 5"à3". Med andre ord, i hver ende av et lineært DNA-molekyl er det en 5" ende av en tråd og en 3" ende av en annen tråd.

Regelmessigheten til helixen krever at en purinbase-rest på den ene kjeden er motsatt en pyrimidin-base-rest på den andre kjeden. Som allerede understreket, er dette kravet implementert i form av prinsippet om dannelse av komplementære basepar, dvs. adenin- og guaninrester i en kjede tilsvarer tymin- og cytosinrester i den andre kjeden (og omvendt).

Dermed bestemmer sekvensen av nukleotider i en kjede av et DNA-molekyl nukleotidsekvensen til den andre kjeden.

Dette prinsippet er hovedkonsekvensen av Watson og Crick-modellen, siden den forklarer i overraskende enkle kjemiske termer det viktigste funksjonelle formålet med DNA - å være lageret av genetisk informasjon.

For å avslutte betraktningen av Watson og Crick-modellen, gjenstår det å legge til at nabopar med baserester i DNA, som er i B-form, roteres i forhold til hverandre med 36° (vinkelen mellom de rette linjene som forbinder C-en). 1 atomer i tilstøtende komplementære par).
4.1 Isolering av deoksyribonukleinsyrer
Levende celler, med unntak av sædceller, inneholder normalt betydelig mer ribonukleinsyre enn deoksyribonukleinsyre. Metoder for å isolere deoksyribonukleinsyrer har blitt sterkt påvirket av det faktum at mens ribonukleoproteiner og ribonukleinsyrer er løselige i en fortynnet (0,15 M) løsning av natriumklorid, er dfaktisk uløselige i den. Derfor vaskes det homogeniserte organet eller organismen grundig med en fortynnet saltvannsløsning, og deoksyribonukleinsyre ekstraheres fra resten ved bruk av en sterk saltløsning, som deretter utfelles ved tilsetning av etanol. På den annen side gir eluering av samme rest med vann en løsning hvorfra deoksyribonukleoproteinet utfelles når salt tilsettes. Spaltning av nukleoproteinet, som i utgangspunktet er et saltlignende kompleks mellom polybasiske og polysyreelektrolytter, oppnås lett ved oppløsning i en sterk saltvannsløsning eller behandling med kaliumtiocyanat. Det meste proteinet kan fjernes enten ved å tilsette etanol eller ved å emulgere med kloroform og amylalkohol (proteinet danner en gel med kloroform). Vaskemiddelbehandlinger ble også mye brukt. Senere ble deoksyribonukleinsyrer isolert ved ekstraksjon med vandige n-aminosalicylat-fenoliske løsninger. Ved å bruke denne metoden ble deoksyribonukleinsyrepreparater oppnådd, hvorav noen inneholdt restprotein, mens andre var praktisk talt fri for protein, noe som indikerer at arten av protein-nukleinsyreassosiasjonen er forskjellig i forskjellige vev. En praktisk modifikasjon er å homogenisere dyrevevet i 0,15 M fenolftaleindifosfatløsning, etterfulgt av tilsetning av fenol for å utfelle DNA (fritt for RNA) i godt utbytte.

Deoksyribonukleinsyrer, uansett hvordan de er isolert, er blandinger av polymerer med forskjellig molekylvekt, med unntak av prøver hentet fra visse typer bakteriofager.
4.2 Fraksjonering
En tidlig separasjonsmetode involverte fraksjonert dissosiasjon av deoksyribonukleoproteingeler (f.eks. nukleohiston) ved ekstraksjon med vandige løsninger med økende molaritet natriumklorid. På denne måten ble deoksyribonukleinsyrepreparater delt inn i en rekke fraksjoner karakterisert ved forskjellige forhold mellom adenin og tymin og summen av guanin og cytosin, hvor fraksjoner anriket på guanin og cytosin ble lettere isolert. Lignende resultater ble oppnådd ved kromatografisk separasjon av deoksyribonukleinsyre fra histon adsorbert på kiselgur ved bruk av gradienteluering med natriumkloridløsninger. I en forbedret versjon av denne metoden ble rensede histonfraksjoner kombinert med n-aminobenzylcellulose for å danne diazobroer fra tyrosin- og histidingruppene i proteinet. Fraksjonering av nukleinsyrer på metylert serumalbumin (med diatoméjord som bærer) er også beskrevet. Elueringshastigheten fra kolonnen med saltvannsløsninger med økende konsentrasjon avhenger av molekylvekten, sammensetningen (nukleinsyrer med høyt guanininnhold med cytosin elueres lettere) og sekundær struktur (denaturert DNA holdes fastere av kolonnen enn naturlig DNA ). På denne måten ble en naturlig komponent, polydeoksyadenyl-tymidylsyre, isolert fra DNA fra havkrabben Cancer borealis. Fraksjonering av deoksyribonukleinsyrer ble også utført ved gradienteluering fra en kolonne fylt med kalsiumfosfat.

Funksjoner av DNA

I DNA-molekylet er sekvensen av aminosyrer i peptider kryptert ved hjelp av en biologisk kode. Hver aminosyre er kodet av en kombinasjon av tre nukleotider, i dette tilfellet dannes 64 tripletter, hvorav 61 koder for aminosyrer, og 3 er meningsløse og tjener som skilletegn (ATT, ACT, ATC). Krypteringen av en aminosyre med flere tripletter kalles trillingkodedegenerasjon. Viktige egenskaper ved den genetiske koden er dens spesifisitet (hver triplett er i stand til å kode bare én aminosyre), universalitet (som indikerer opprinnelsesenheten til alt liv på jorden) og ikke-overlappende kodoner når de leses.

DNA utfører følgende funksjoner:

lagring av arvelig informasjon skjer ved hjelp av histoner. DNA-molekylet folder seg og danner først et nukleosom, og deretter heterokromatin, som utgjør kromosomer;

overføring av arvelig materiale skjer gjennom DNA-replikasjon;

implementering av arvelig informasjon i prosessen med proteinsyntese.

Hvilken av de ovennevnte strukturelle og funksjonelle egenskaper ved DNA-molekylet la den lagre og overføre arvelig informasjon fra celle til celle, fra generasjon til generasjon, for å gi nye kombinasjoner av egenskaper hos avkommet?

1. Stabilitet. Det leveres av hydrogen-, glykosid- og fosfodiesterbindinger, så vel som av mekanismen for reparasjon av spontan og indusert skade;

2. Replikasjonsevne. Takket være denne mekanismen opprettholdes det diploide antallet kromosomer i somatiske celler. Alle de oppførte egenskapene til DNA som et genetisk molekyl er vist skjematisk i figuren.

3. Tilstedeværelse av genetisk kode. Sekvensen av baser i DNA omdannes gjennom prosessene med transkripsjon og translasjon til sekvensen av aminosyrer i en polypeptidkjede;
4. Kapasitet for genetisk rekombinasjon. Takket være denne mekanismen dannes nye kombinasjoner av koblede gener.