Funkcjonalna organizacja genetyczna DNA. Strukturalne i funkcjonalne poziomy organizacji materiału dziedzicznego

Podstawa molekularna dziedziczność Wszystkie prokarioty i eukarionty mają specjalną klasę substancji bioorganicznych - kwasów nukleinowych, podzielonych ze względu na ich skład chemiczny i rolę biologiczną na kwasy dezoksyrybonukleinowe (DNA) i kwasy rybonukleinowe (RNA).

Obydwa typy kwasów nukleinowych kwasy to nitkowate cząsteczki składające się z pojedynczych jednostek strukturalnych - nukleotydów, połączonych w wielojednostkowy łańcuch polinukleotydowy. Każdy nukleotyd składa się z trzech odrębnych chemicznie części: I) 5-węglowych reszt cukrowych, deoksyrybozy (w DNA) i rybozy (w RNA), tworzących „szkielet” nici polinukleotydowej; 2) cztery zasady azotowe: adenina (A), guanina (G), cytozyna (C) i tymina (T) (w cząsteczce RNA ostatnią zasadę zastępuje się uracylem U), a każda zasada azotowa jest kowalencyjnie połączona z pierwszym atomem węgla atom cukru poprzez wiązanie glikozydowe; 3) grupa fosforanowa, która łączy sąsiednie nukleotydy w pojedynczy łańcuch poprzez tworzenie wiązań fosfodiestrowych pomiędzy 5" atomem węgla jednego cukru i 3 atomem węgla drugiego.

Zapis genetyczny Informacja przeprowadza się liniowo od końca 5" do końca 3" cząsteczki kwasu nukleinowego. Jedna taka cząsteczka może zawierać nawet wiele milionów nukleotydów.

Cząsteczki w komórce DNA istnieją w postaci spiralnego podwójnego łańcucha (podwójnej helisy), którego wątki są antyrównoległe, tj. mają odwrotną orientację. Podwójna nić DNA powstaje w wyniku słabych wiązań wodorowych pomiędzy komplementarnymi zasadami: adenina jest ściśle komplementarna do tyminy, a cytozyna jest ściśle komplementarna do guaniny.

Pod warunkiem warunki Te wiązania wodorowe mogą zostać zerwane, co prowadzi do powstania cząsteczek jednoniciowych (denaturacja DNA), a następnie ponownie utworzyć się pomiędzy tymi samymi komplementarnymi regionami (renaturacja lub hybrydyzacja DNA). Podczas procesu hybrydyzacji pierwotna podwójna helisa DNA zostaje dokładnie odtworzona. To właśnie obecność komplementarności zapewnia zarówno dokładność samoreprodukcji DNA w każdym cyklu podziału komórki (proces ten nazywany jest replikacją), jak i przywrócenie uszkodzonego składu nukleotydowego cząsteczki DNA. Ze względu na komplementarność nukleotydów w podwójnej helisie długość cząsteczki DNA wyraża się zwykle w parach zasad (bp), a także w tysiącach par zasad (kilozasad, kb) i milionach par zasad (megazasadach, mb). DNA człowieka jako gatunku biologicznego obejmuje około 3 miliardów pz.

Skierowany Synteza cząsteczek DNA w komórce odbywa się za pomocą specjalnego enzymu – polimerazy DNA. Proces ten polega na „rozwinięciu” podwójnej helisy w miejscu syntezy i utworzeniu specjalnej struktury białkowo-jądrowej - widełek replikacyjnych; stopniowemu przesuwaniu się widełek replikacyjnych wzdłuż podwójnej helisy towarzyszy sekwencyjne dodawanie zasad komplementarnych do jednoniciowej matrycy DNA do nowo utworzonego łańcucha (synteza rosnącego łańcucha DNA przebiega zawsze ściśle w kierunku od 5" do 3").

Komplementarna synteza DNA wymaga obecności w środowisku poszczególnych „elementów budulcowych” wydłużania rosnącej cząsteczki – czterech rodzajów cząsteczek trifosforanu dezoksyrybonukleotydów (dATP, dTTP, dCTP i dGTP). Cały proces inicjowany jest przez specjalne zarodki – startery, czyli krótkie cząsteczki oligonukleotydów komplementarne do określonej części wyjściowej matrycy DNA.

Bazując na powyższych definicjach dziedziczności i zmienności, możemy założyć, jakie wymagania musi spełniać materialny substrat tych dwóch właściwości życia.

Po pierwsze, materiał genetyczny musi mieć zdolność do samoreprodukcji, do. w procesie reprodukcji przekazują informacje dziedziczne, na podstawie których odbędzie się formowanie nowego pokolenia. Po drugie, aby zapewnić stabilność cech przez wiele pokoleń, materiał dziedziczny musi utrzymuj stałą organizację. Po trzecie, materiał dziedziczności i zmienności musi posiadać zdolność pozyskiwać zmiany i odtwarzać je, zapewnienie możliwości historycznego rozwoju materii żywej w zmieniających się warunkach. Tylko przy spełnieniu określonych wymagań materialny substrat dziedziczności i zmienności może zapewnić trwałość i ciągłość istnienia przyrody żywej oraz jej ewolucji.

Współczesne wyobrażenia o naturze aparatu genetycznego pozwalają wyróżnić trzy poziomy jego organizacji: genetyczny, chromosomalny I genomowy. Każdy z nich ujawnia podstawowe właściwości materiału, czyli dziedziczność i zmienność oraz pewne wzorce jego przekazywania i funkcjonowania.

3.4. GENOWY POZIOM ORGANIZACJI APARATU GENETYCZNEGO

Elementarną jednostką funkcjonalną aparatu genetycznego, która decyduje o możliwości wykształcenia się odrębnej cechy komórki lub organizmu danego gatunku, jest gen(depozyt dziedziczny wg G. Mendla). Przenosząc geny przez szereg pokoleń komórek lub organizmów, osiąga się ciągłość materialną - dziedziczenie cech rodziców przez potomków.

Pod podpisać rozumieć jednostkę odrębności morfologicznej, fizjologicznej, biochemicznej, immunologicznej, klinicznej i wszelkiej innej odrębności organizmów (komórek), tj. odrębną jakość lub właściwość, dzięki której różnią się one od siebie.

Większość cech organizmów lub komórek wymienionych powyżej należy do tej kategorii znaki złożone, których powstanie wymaga syntezy wielu substancji, przede wszystkim białek o określonych właściwościach - enzymów, immunoprotein, białek strukturalnych, kurczliwych, transportowych i innych. Właściwości cząsteczki białka są określone przez sekwencję aminokwasów jej łańcucha polipeptydowego, która jest bezpośrednio określona przez sekwencję nukleotydów w DNA odpowiedniego genu i jest podstawowy, Lub prosty znak.

Podstawowe właściwości genu jako jednostki funkcjonalnej aparatu genetycznego określa jego organizacja chemiczna,

3.4.1. Chemiczna organizacja genu

Badania mające na celu wyjaśnienie chemicznej natury materiału dziedzicznego niezbicie udowodniły, że materialnym podłożem dziedziczności i zmienności jest kwasy nukleinowe, które odkrył F. Miescher (1868) w jądrach komórek ropnych. Kwasy nukleinowe to makrocząsteczki, tj. mają wysoką masę cząsteczkową. Są to polimery składające się z monomerów - nukleotydy, w tym trzy komponenty: cukier(pentoza), fosforan I zasada azotowa(puryna lub pirymidyna). Zasada azotowa (adenina, guanina, cytozyna, tymina lub uracyl) jest przyłączona do pierwszego atomu węgla w cząsteczce C-1 pentozy, a fosforan jest przyłączony do piątego atomu węgla C-5 za pomocą wiązania estrowego; trzeci atom węgla C-3" zawsze ma grupę hydroksylową - OH (ryc. 3.1).

Łączenie nukleotydów w makrocząsteczkę kwasu nukleinowego następuje poprzez oddziaływanie fosforanu jednego nukleotydu z grupą hydroksylową innego nukleotydu, w wyniku czego wiązanie fosfodiestrowe(ryc. 3.2). W rezultacie powstaje łańcuch polinukleotydowy. Szkielet łańcucha składa się z naprzemiennych cząsteczek fosforanu i cukru. Jedna z wymienionych powyżej zasad azotowych jest przyłączona do cząsteczek pentozy w pozycji C-1 (ryc. 3.3).

Ryż. 3.1. Schemat struktury nukleotydów

Zobacz tekst w celu wyjaśnienia; oznaczenia składników nukleotydów użyte na tej figurze są zachowane na wszystkich kolejnych diagramach kwasów nukleinowych

Montaż łańcucha polinukleotydowego odbywa się przy udziale enzymu polimerazy, który zapewnia przyłączenie grupy fosforanowej kolejnego nukleotydu do grupy hydroksylowej znajdującej się w pozycji 3” poprzedniego nukleotydu (ryc. 3.3). zgodnie z odnotowaną specyfiką działania wymienionego enzymu, wzrost łańcucha polinukleotydowego następuje tylko na jednym końcu: tam, gdzie wolny hydroksyl znajduje się w pozycji 3”. Początek łańcucha zawsze zawiera grupę fosforanową w pozycji 5”. To pozwala nam rozróżnić 5” i 3” – kończy się.

Wśród kwasów nukleinowych wyróżnia się dwa rodzaje związków: kwas dezoksyrybonukleinowy(DNA) I kwas rybonukleinowy(RNA)kwasy. Badanie składu głównych nośników materiału dziedzicznego – chromosomów – wykazało, że ich najbardziej stabilnym chemicznie składnikiem jest DNA, będący substratem dziedziczności i zmienności.

3.4.1.1. Struktura DNA. Model J. Watsona i F. Cricka

DNA składa się z nukleotydów, do których zalicza się cukier – dezoksyrybozę, fosforan i jedną z zasad azotowych – purynę (adeninę lub guaninę) lub pirymidynę (tyminę lub cytozynę).

Cechą struktury strukturalnej DNA jest to, że jego cząsteczki zawierają dwa łańcuchy polinukleotydowe połączone ze sobą w określony sposób. Zgodnie z trójwymiarowym modelem DNA zaproponowanym w 1953 roku przez amerykańskiego biofizyka J. Watsona oraz angielskiego biofizyka i genetyka F. Cricka, łańcuchy te są połączone ze sobą wiązaniami wodorowymi pomiędzy swoimi zasadami azotowymi zgodnie z zasadą komplementarność. Adenina jednego łańcucha jest połączona dwoma wiązaniami wodorowymi z tyminą innego łańcucha, a pomiędzy guaniną i cytozyną różnych łańcuchów powstają trzy wiązania wodorowe. To połączenie zasad azotowych zapewnia silne połączenie pomiędzy dwoma łańcuchami i utrzymanie jednakowej odległości między nimi na całym odcinku.

Ryż. 3.4. Schemat struktury cząsteczki DNA

Strzałki wskazują antyrównoległość celów

Inną ważną cechą połączenia dwóch łańcuchów polinukleotydowych w cząsteczce DNA jest ich antyrównoległość: koniec 5" jednego łańcucha jest połączony z końcem 3" drugiego i odwrotnie (ryc. 3.4).

Dane dyfrakcji promieni rentgenowskich wykazały, że cząsteczka DNA składająca się z dwóch łańcuchów tworzy helisę skręconą wokół własnej osi. Średnica helisy wynosi 2 nm, długość podziałowa wynosi 3,4 nm. Każdy obrót zawiera 10 par nukleotydów.

Najczęściej podwójne helisy są prawoskrętne - poruszając się w górę wzdłuż osi helisy, łańcuchy skręcają w prawo. Większość cząsteczek DNA w roztworze występuje w formie prawoskrętnej – B (B-DNA). Jednakże występują również formy leworęczne (Z-DNA). Nie ustalono jeszcze, ile tego DNA jest obecne w komórkach i jakie jest jego znaczenie biologiczne (ryc. 3.5).

Ryż. 3.5. Modele przestrzenne lewoskrętnego kształtu Z ( I)

I praworęczna forma B ( II) DNA

Zatem w strukturze strukturalnej cząsteczki DNA możemy rozróżnić struktura pierwotna - łańcuch polinukleotydowy, struktura wtórna- dwa komplementarne i antyrównoległe łańcuchy polinukleotydowe połączone wiązaniami wodorowymi, oraz struktura trzeciorzędowa - trójwymiarowa spirala o powyższych cechach przestrzennych.

3.4.1.2. Metoda zapisu informacji genetycznej w cząsteczce DNA. Kod biologiczny i jego właściwości

Przede wszystkim o różnorodności życia decyduje różnorodność cząsteczek białek, które pełnią w komórkach różne funkcje biologiczne. Strukturę białek określa zestaw i kolejność aminokwasów w ich łańcuchach peptydowych. To właśnie ta sekwencja aminokwasów w peptydach jest szyfrowana w cząsteczkach DNA za pomocą biologiczny(genetyczny)kod. Względna prymitywność struktury DNA, reprezentująca naprzemienność tylko czterech różnych nukleotydów, od dawna uniemożliwia badaczom uznanie tego związku za materialny substrat dziedziczności i zmienności, w którym należy szyfrować niezwykle różnorodne informacje.

W 1954 r. G. Gamow zasugerował, że kodowanie informacji w cząsteczkach DNA powinno odbywać się poprzez kombinacje kilku nukleotydów. W różnorodności białek występujących w przyrodzie odkryto około 20 różnych aminokwasów. Aby zaszyfrować taką ich liczbę, można zapewnić jedynie wystarczającą liczbę kombinacji nukleotydów kod potrójny, w którym każdy aminokwas jest szyfrowany przez trzy sąsiadujące nukleotydy. W tym przypadku z czterech nukleotydów powstają 4 3 = 64 triplety. Kod składający się z dwóch nukleotydów umożliwiłby zaszyfrowanie tylko 4 2 = 16 różnych aminokwasów.

Całkowitego rozszyfrowania kodu genetycznego dokonano w latach 60. XX wieku. naszego stulecia. Z 64 możliwych trójek DNA 61 koduje różne aminokwasy; pozostałe 3 nazwano bezsensownymi lub „bezsensownymi trójkami”. Nie szyfrują aminokwasów i pełnią funkcję znaków interpunkcyjnych podczas odczytywania informacji dziedzicznych. Należą do nich ATT, ACT, ATC.

Na uwagę zasługuje oczywista redundancja kodu, objawiająca się tym, że wiele aminokwasów jest szyfrowanych kilkoma trójkami (ryc. 3.6). Jest to właściwość kodu trójkowego zwanego degeneracja, jest bardzo ważne, ponieważ wystąpienie zmian w strukturze cząsteczki DNA, takich jak zastąpienie jednego nukleotydu w łańcuchu polinukleotydowym, może nie zmienić znaczenia tripletu. Powstała w ten sposób nowa kombinacja trzech nukleotydów koduje ten sam aminokwas.

Odkryto to w trakcie badania właściwości kodu genetycznego specyficzność. Każdy triplet może kodować tylko jeden konkretny aminokwas. Ciekawostką jest pełna zgodność kodu w różnych typach organizmów żywych. Taki wszechstronność Kod genetyczny świadczy o jedności pochodzenia całej różnorodności form żywych na Ziemi w procesie ewolucji biologicznej.

W mitochondrialnym DNA niektórych gatunków stwierdzono niewielkie różnice w kodzie genetycznym. Nie stoi to w sprzeczności z twierdzeniem, że kod jest uniwersalny, jednak świadczy o pewnej rozbieżności w jego ewolucji we wczesnych stadiach istnienia życia. Rozszyfrowanie kodu w DNA mitochondriów różnych gatunków wykazało, że we wszystkich przypadkach mitochondrialne DNA ma wspólną cechę: triplet ACC jest odczytywany jako ACC, a zatem zmienia się z nonsensownej tripletu w kod aminokwasu tryptofanu.

Ryż. 3.6. Aminokwasy i kodujące je triplety DNA

Inne cechy są specyficzne dla różnych typów organizmów. W drożdżach triplet GAT i prawdopodobnie cała rodzina GA koduje treoninę zamiast aminokwasu leucyny. U ssaków triplet TAG ma takie samo znaczenie jak TAC i koduje aminokwas metioninę zamiast izoleucyny. Trójki TCG i TCC w mitochondrialnym DNA niektórych gatunków nie kodują aminokwasów, są to tryplety nonsensowne.

Oprócz potrójności, degeneracji, specyficzności i uniwersalności, najważniejszymi cechami kodu genetycznego są jego ciągłość I nienakładających się kodonów podczas odczytu. Oznacza to, że sekwencję nukleotydów czyta się triplet po triplecie bez przerw, a sąsiednie triplety nie nakładają się na siebie, tj. każdy pojedynczy nukleotyd jest częścią tylko jednej trypletu dla danej ramki odczytu (ryc. 3.7). Dowodem niezachodzącego na siebie kodu genetycznego jest zastąpienie tylko jednego aminokwasu w peptydzie podczas zastępowania jednego nukleotydu w DNA. Jeżeli nukleotyd jest zawarty w kilku zachodzących na siebie tripletach, jego wymiana pociągałaby za sobą wymianę 2-3 aminokwasów w łańcuchu peptydowym.

Ryż. 3.7. Ciągłość i niepodważalność kodu genetycznego

Czytając informacje dziedziczne

Liczby wskazują nukleotydy

DNA jest złożonym związkiem organicznym będącym materialnym nośnikiem informacji dziedzicznej. Jest to podwójnie nierozgałęziony polimer liniowy, którego monomerami są nukleotydy. Nukleotyd DNA składa się z zasady azotowej, reszty kwasu fosforowego i węglowodanu dezoksyrybozy. Wyróżnia się 4 rodzaje nukleotydów, różniące się zasadą azotową: adenina, do której zalicza się adenina, cytozyna – cytozyna, guanina – guanina, tymina – tymina. Zasada azotowa jednej nici DNA jest połączona mostkiem wodorowym z zasadą drugiej nici, tak że A jest połączone z T, a G z C. Są one względem siebie komplementarne. Na tym opiera się właściwość DNA, która wyjaśnia jego biologiczną rolę: zdolność do samoreprodukcji, tj. do autoreprodukcji. Autoreprodukcja cząsteczek DNA zachodzi pod wpływem enzymów polimerazy. W tym przypadku komplementarne łańcuchy cząsteczek DNA rozwijają się i rozchodzą. Następnie każdy z nich zaczyna syntetyzować nowy. Ponieważ każda z zasad w nukleotydach może przyłączać inny nukleotyd jedynie o ściśle określonej strukturze, następuje dokładne odwzorowanie cząsteczki macierzystej.
Główną funkcją biologiczną DNA jest przechowywanie, ciągłe samoodnawianie i przekazywanie informacji genetycznej w komórce.
Kod genetyczny to system ułożenia nukleotydów w cząsteczce DNA, który kontroluje sekwencję aminokwasów w cząsteczce DNA. Same geny nie są bezpośrednio zaangażowane w syntezę białek. Mediatorem pomiędzy genem i białkiem jest mRNA. Gen jest szablonem do konstruowania cząsteczki mRNA. Kodowanie informacji musi odbywać się poprzez kombinacje kilku nukleotydów. W różnorodności białek znaleziono 20 aminokwasów. Aby zaszyfrować taką ich liczbę, wystarczającą liczbę kombinacji nukleotydów można zapewnić jedynie za pomocą kodu tripletowego, w którym każdy aminokwas jest szyfrowany przez trzy sąsiednie nukleotydy. W tym przypadku z 4 nukleotydów powstają 64 triplety. Z 64 trójek DNA 61 koduje różne aminokwasy, pozostałe 3 nazywane są trójkami bezsensownymi lub bezsensownymi i pełnią one funkcję znaków interpunkcyjnych. Sekwencja trójek określa kolejność aminokwasów w cząsteczce białka.
Właściwości kodu genetycznego:
Degeneracja. Przejawia się to w tym, że wiele aminokwasów jest szyfrowanych kilkoma trójkami.
Specyficzność. Każda trójka może kodować tylko jeden konkretny aminokwas
Wszechstronność. Dowód na jedność powstania całej różnorodności form żywych na Ziemi w procesie ewolucji biologicznej.
Oprócz tych właściwości najważniejszą cechą kodu genetycznego jest ciągłość i niepodważalność kodonów podczas odczytu. Oznacza to, że sekwencję nukleotydów odczytuje się triplet po triplecie bez przerw, a sąsiadujące triplety nie nakładają się na siebie.

Badania mające na celu wyjaśnienie chemicznej natury materiału dziedzicznego niezbicie to udowodniły materialnym podłożem dziedziczności i zmiennościkwasy nukleinowe, które odkrył F. Miescher (1868) w jądrach komórek ropnych. Kwasy nukleinowe to makrocząsteczki, tj. mają wysoką masę cząsteczkową. Są to polimery składające się z monomerów - nukleotydy, w tym trzy komponenty: cukier(pentoza), fosforan I zasada azotowa(puryna lub pirymidyna). Zasada azotowa (adenina, guanina, cytozyna, tymina lub uracyl) jest przyłączona do pierwszego atomu węgla w cząsteczce C-1 pentozy, a fosforan jest przyłączony do piątego atomu węgla C-5 za pomocą wiązania estrowego; trzeci atom węgla C-3" zawsze ma grupę hydroksylową - OH ( patrz schemat ).

Ryż. 3.1. Schemat struktury nukleotydów

Struktura DNA. Model autorstwa J. Watsona i in. Krzyk

DNA składa się z nukleotydów, do których zalicza się cukier – dezoksyrybozę, fosforan i jedną z zasad azotowych – purynę (adeninę lub guaninę) lub pirymidynę (tyminę lub cytozynę).

Ryż. 3.4. Schemat struktury cząsteczki DNA. Strzałki wskazują antyrównoległość obwodów

Ryż. 3.5. Modele przestrzenne lewoskrętnego kształtu Z ( I)

i praworęczna forma B ( II) DNA

Jedną z głównych właściwości materiału dziedzicznego jest jego zdolność do samokopiowania - replikacja. Właściwość tę zapewniają cechy chemicznej organizacji cząsteczki DNA, składającej się z dwóch komplementarnych łańcuchów. Podczas procesu replikacji na każdym łańcuchu polinukleotydowym macierzystej cząsteczki DNA syntetyzowany jest łańcuch komplementarny. W rezultacie z jednej podwójnej helisy DNA powstają dwie identyczne podwójne helisy. Ta metoda podwajania cząsteczek, w której każda cząsteczka potomna zawiera jednego rodzica i jeden nowo zsyntetyzowany łańcuch, nazywa się półkonserwatywny(patrz ryc. 2.12).

Aby replikacja mogła nastąpić, łańcuchy matczynego DNA muszą zostać oddzielone od siebie, aby stać się matrycami, na których będą syntetyzowane komplementarne łańcuchy cząsteczek potomnych.

Inicjacja replikacji następuje w specjalnych regionach DNA tzw lub ja (od angielskiego pochodzenia - początek). Obejmują one sekwencję 300 par nukleotydów rozpoznawaną przez określone białka. Podwójna helisa DNA w tych loci jest podzielona na dwa łańcuchy i z reguły po obu stronach miejsca początku replikacji powstają obszary rozbieżności łańcuchów polinukleotydowych - widełki replikacyjne, które poruszają się w przeciwnych kierunkach od miejsca lub ja kierunki. Pomiędzy rozwidleniami replikacyjnymi znajduje się struktura zwana oko replikacyjne, gdzie na dwóch niciach matczynego DNA powstają nowe łańcuchy polinukleotydowe (ryc. 3.8, A).

Końcowym rezultatem procesu replikacji jest utworzenie dwóch cząsteczek DNA, których sekwencja nukleotydów jest identyczna z sekwencją podwójnej helisy macierzystego DNA.

Replikacja DNA u prokariotów i eukariotów jest w zasadzie podobna, jednakże tempo syntezy u eukariotów (około 100 nukleotydów/s) jest o rząd wielkości mniejsze niż u prokariotów (1000 nukleotydów/s). Przyczyną tego może być tworzenie się eukariotycznego DNA w dość silnych związkach z białkami (patrz rozdz. 3.5.2.), co komplikuje jego despiralizację niezbędną do syntezy replikacyjnej.

W 1869 roku szwajcarski biochemik Friedrich Miescher odkrył w jądrze komórkowym związki o właściwościach kwasowych i jeszcze większej masie cząsteczkowej niż białka. Altman nazwał je kwasami nukleinowymi, od łacińskiego słowa „jądro” - jądro. Podobnie jak białka, kwasy nukleinowe są polimerami. Ich monomerami są nukleotydy, dlatego kwasy nukleinowe można również nazwać polinukleotydami.

Kwasy nukleinowe znaleziono w komórkach wszystkich organizmów, od najprostszych do najwyższych. Najbardziej zaskakujące jest to, że skład chemiczny, struktura i podstawowe właściwości tych substancji okazały się podobne u różnych organizmów żywych. Ale jeśli w budowie białek bierze udział około 20 rodzajów aminokwasów, wówczas kwasy nukleinowe tworzą tylko cztery różne nukleotydy.

Kwasy nukleinowe dzielą się na dwa typy – kwas dezoksyrybonukleinowy (DNA) i kwas rybonukleinowy (RNA). DNA zawiera zasady azotowe (adeninę (A), guaninę (G), tyminę (T), cytozynę (C)), dezoksyrybozę C5H10O4 i resztę kwasu fosforowego. RNA zawiera uracyl (U) zamiast tyminy i rybozę (C5H10O5) zamiast deoksyrybozy. Monomerami DNA i RNA są nukleotydy, które składają się z zasad azotowych, purynowych (adenina i guanina) i pirymidynowych (uracyl, tymina i cytozyna), reszty kwasu fosforowego i węglowodanów (rybozy i dezoksyrybozy).

Cząsteczki DNA znajdują się w chromosomach jądra komórkowego organizmów żywych, w równoważnych strukturach mitochondriów, chloroplastów, w komórkach prokariotycznych i w wielu wirusach. Struktura cząsteczki DNA przypomina podwójną helisę. Strukturalny model DNA w
Postać podwójnej helisy została po raz pierwszy zaproponowana w 1953 roku przez amerykańskiego biochemika J. Watsona oraz angielskiego biofizyka i genetyka F. Cricka, którzy wraz z angielskim biofizykiem M. Wilkinsonem, którzy otrzymali wzór dyfrakcji rentgenowskiej DNA, otrzymali nagrodę Nagroda Nobla z 1962 r. Kwasy nukleinowe to biopolimery, których makrocząsteczki składają się z wielokrotnie powtarzających się jednostek - nukleotydów. Dlatego nazywane są również polinukleotydami. Najważniejszą cechą kwasów nukleinowych jest ich skład nukleotydowy. Skład nukleotydu – jednostki strukturalnej kwasów nukleinowych – obejmuje trzy składniki:

zasada azotowa - pirymidyna lub puryna. Kwasy nukleinowe zawierają cztery różne rodzaje zasad: dwie z nich należą do klasy puryn, a dwie do klasy pirymidyn. Azot zawarty w pierścieniach nadaje cząsteczkom ich podstawowe właściwości.

monosacharyd - ryboza lub 2-deoksyryboza. Cukier będący częścią nukleotydu zawiera pięć atomów węgla, tj. jest pentozą. W zależności od rodzaju pentozy występującej w nukleotydzie wyróżnia się dwa rodzaje kwasów nukleinowych – kwasy rybonukleinowe (RNA), które zawierają rybozę i kwasy dezoksyrybonukleinowe (DNA), które zawierają deoksyrybozę.

reszta kwasu fosforowego. Kwasy nukleinowe są kwasami, ponieważ ich cząsteczki zawierają kwas fosforowy.

Metoda oznaczania składu PC opiera się na analizie hydrolizatów powstających podczas ich rozkładu enzymatycznego lub chemicznego. Powszechnie stosuje się trzy metody chemicznego rozszczepiania NC. Hydroliza kwasowa w trudnych warunkach (70% kwas nadchlorowy, 100°C, 1 godz. lub 100% kwas mrówkowy, 175°C, 2 godz.), stosowana do analizy zarówno DNA, jak i RNA, prowadzi do rozerwania wszystkich wiązań N-glikozydowych i tworzenie mieszaniny zasad purynowych i pirymidynowych.

Nukleotydy łączą się w łańcuch poprzez wiązania kowalencyjne. Powstałe w ten sposób łańcuchy nukleotydowe łączą się na całej długości w jedną cząsteczkę DNA za pomocą wiązań wodorowych: nukleotyd adeninowy jednego łańcucha łączy się z nukleotydem tyminowym drugiego, a nukleotyd guaninowy z nukleotydem cytozynowym. W tym przypadku adenina zawsze rozpoznaje tylko tyminę i wiąże się z nią i odwrotnie. Podobną parę tworzą guanina i cytozyna. Takie pary zasad, podobnie jak nukleotydy, nazywane są komplementarnymi, a zasada tworzenia dwuniciowej cząsteczki DNA nazywana jest zasadą komplementarności. Na przykład liczba par nukleotydów w organizmie człowieka wynosi 3–3,5 miliarda.

DNA jest materialnym nośnikiem informacji dziedzicznej, która jest kodowana przez sekwencję nukleotydów. Umiejscowienie czterech typów nukleotydów w łańcuchach DNA determinuje kolejność aminokwasów w cząsteczkach białka, tj. ich pierwotną strukturę. Właściwości komórek i indywidualne cechy organizmów zależą od zestawu białek. Pewna kombinacja nukleotydów niosąca informację o strukturze białka i kolejności ich umiejscowienia w cząsteczce DNA tworzy kod genetyczny. Gen (od greckiego genos – rodzaj, pochodzenie) to jednostka materiału dziedzicznego odpowiedzialna za powstawanie dowolnej cechy. Zajmuje część cząsteczki DNA, która określa strukturę jednej cząsteczki białka. Zbiór genów zawartych w pojedynczym zestawie chromosomów danego organizmu nazywa się genomem, a skład genetyczny organizmu (zestaw wszystkich jego genów) nazywa się genotypem. Naruszenie sekwencji nukleotydów w łańcuchu DNA, a tym samym w genotypie, prowadzi do dziedzicznych zmian w organizmie - mutacji.

Cząsteczki DNA charakteryzują się ważną właściwością duplikacji - tworzeniem dwóch identycznych podwójnych helis, z których każda jest identyczna z pierwotną cząsteczką. Ten proces podwajania cząsteczki DNA nazywa się replikacją. Replikacja polega na zrywaniu starych i tworzeniu nowych wiązań wodorowych, które łączą łańcuchy nukleotydowe. Na początku replikacji dwie stare nici zaczynają się rozwijać i oddzielać od siebie. Następnie, zgodnie z zasadą komplementarności, do dwóch starych łańcuchów dołączane są nowe łańcuchy. Tworzy to dwie identyczne podwójne helisy. Replikacja zapewnia dokładne kopiowanie informacji genetycznej zawartej w cząsteczkach DNA i przekazywanie jej z pokolenia na pokolenie.

Skład DNA

DNA (kwas dezoksyrybonukleinowy)- polimer biologiczny składający się z dwóch połączonych ze sobą łańcuchów polinukleotydowych. Monomery tworzące każdą nić DNA to złożone związki organiczne zawierające jedną z czterech zasad azotowych: adeninę (A) lub tyminę (T), cytozynę (C) lub guaninę (G); pentaatomowa pentoza cukru - dezoksyryboza, od której pochodzi nazwa samego DNA, a także reszta kwasu fosforowego. Związki te nazywane są nukleotydami. W każdym łańcuchu nukleotydy są łączone poprzez utworzenie wiązań kowalencyjnych pomiędzy dezoksyrybozą jednego nukleotydu i resztą kwasu fosforowego następnego nukleotydu. Dwa łańcuchy są łączone w jedną cząsteczkę za pomocą wiązań wodorowych, które powstają pomiędzy zasadami azotowymi, które są częścią nukleotydów tworzących różne łańcuchy.

Badając skład nukleotydów DNA różnego pochodzenia, Chargaff odkrył następujące wzorce.

1. Każde DNA, niezależnie od jego pochodzenia, zawiera tę samą liczbę zasad purynowych i pirymidynowych. W rezultacie w każdym DNA na każdy nukleotyd purynowy przypada jeden nukleotyd pirymidynowy.

2. Każde DNA zawsze zawiera równe ilości w parach adeniny i tyminy, guaniny i cytozyny, które są zwykle oznaczane jako A=T i G=C. Trzecia wynika z tych prawidłowości.

3. Liczba zasad zawierających grupy aminowe w pozycji 4 jądra pirymidynowego i 6 jądra purynowego (cytozyna i adenina) jest równa liczbie zasad zawierających grupę okso w tych samych pozycjach (guanina i tymina), tj. A +C=G+T . Wzorce te nazywane są regułami Chargaffa. Jednocześnie stwierdzono, że dla każdego typu DNA całkowita zawartość guaniny i cytozyny nie jest równa całkowitej zawartości adeniny i tyminy, czyli z reguły (G+C)/(A+T) różni się od jedności (może i mniej, i więcej). Na podstawie tej cechy wyróżnia się dwa główne typy DNA: typ T z przewagą adeniny i tyminy oraz typ G C z przewagą guaniny i cytozyny.

Stosunek zawartości sumy guaniny i cytozyny do sumy zawartości adeniny i tyminy, charakteryzujący skład nukleotydowy danego typu DNA, nazywany jest zwykle współczynnik specyficzności. Każde DNA ma charakterystyczny współczynnik specyficzności, który może wahać się od 0,3 do 2,8. Przy obliczaniu współczynnika specyficzności uwzględnia się zawartość zasad podrzędnych, a także zastąpienie zasad głównych ich pochodnymi. Przykładowo przy obliczaniu współczynnika specyficzności dla EDNA z kiełków pszenicy, która zawiera 6% 5-metylocytozyny, ta ostatnia jest uwzględniana w sumie zawartości guaniny (22,7%) i cytozyny (16,8%). Znaczenie reguł Chargaffa dotyczących DNA stało się jasne po ustaleniu jego struktury przestrzennej.

Struktura makromolekularna DNA

W 1953 roku Watson i Crick, opierając się na znanych danych dotyczących konformacji reszt nukleozydowych, natury wiązań międzynukleotydowych w DNA i prawidłowości składu nukleotydowego DNA (reguły Chargaffa), rozszyfrowali dyfrakcję promieni rentgenowskich parakrystalicznej formy DNA [tzw. forma B, powstająca przy wilgotności powyżej 80% i przy wysokim stężeniu przeciwjonów (Li+) w próbce]. Według ich modelu cząsteczka DNA jest regularną helisą utworzoną z dwóch łańcuchów polideoksyrybonukleotydowych skręconych względem siebie i wokół wspólnej osi. Średnica spirali jest prawie stała na całej jej długości i wynosi 1,8 nm (18 A).

Struktura makromolekularna DNA.

(a) – model Watsona-Cricka;

(6) parametry helis DNA form B, C i T (rzuty prostopadłe do osi helisy);

(G)-parametry helisy DNA w formie A;

(D)- przekrój helisy DNA w kształcie litery A.
Długość zwoju helisy, która odpowiada jej okresowi tożsamości, wynosi 3,37 nm (33,7 A). Na jeden obrót helisy w jednym łańcuchu przypada 10 reszt zasadowych. Odległość między płaszczyznami podstawowymi wynosi zatem około 0,34 nm (3,4 A). Płaszczyzny reszt zasadowych są prostopadłe do długiej osi helisy. Płaszczyzny reszt węglowodanowych odbiegają nieco od tej osi (początkowo Watson i Crick sugerowali, że są do niej równoległe).

Rysunek pokazuje, że szkielet węglowodanowo-fosforanowy cząsteczki jest skierowany na zewnątrz. Spirala jest skręcona w taki sposób, że na jej powierzchni można wyróżnić dwa rowki o różnej wielkości (często nazywane są również rowkami) - duży o szerokości około 2,2 nm (22 A) i mały o szerokości około 1,2 nm szeroki (12 A). Spirala jest prawoskrętna. Łańcuchy polideoksyrybonukleotydowe w nim są antyrównoległe: oznacza to, że jeśli przesuniemy się wzdłuż długiej osi helisy z jednego końca na drugi, to w jednym łańcuchu przejdziemy wiązania fosfodiestrowe w kierunku 3"à5", a w drugim - w kierunku 5"à3". Innymi słowy, na każdym końcu liniowej cząsteczki DNA znajduje się 5-calowy koniec jednej nici i 3-calowy koniec drugiej nici.

Regularność helisy wymaga, aby reszta zasady purynowej w jednym łańcuchu znajdowała się naprzeciw reszty zasady pirymidyny w drugim łańcuchu. Jak już podkreślono, wymóg ten realizowany jest w postaci zasady tworzenia komplementarnych par zasad, tj. resztom adeniny i guaniny w jednym łańcuchu odpowiadają resztom tyminy i cytozyny w drugim łańcuchu (i odwrotnie).

Zatem sekwencja nukleotydów w jednym łańcuchu cząsteczki DNA determinuje sekwencję nukleotydów drugiego łańcucha.

Zasada ta jest główną konsekwencją modelu Watsona i Cricka, ponieważ wyjaśnia w zaskakująco prostych kategoriach chemicznych główny cel funkcjonalny DNA – bycie magazynem informacji genetycznej.

Kończąc rozważania na temat modelu Watsona i Cricka, pozostaje dodać, że sąsiednie pary reszt zasadowych w DNA, które mają postać B, są obrócone względem siebie o 36° (kąt pomiędzy liniami prostymi łączącymi C 1 atomy w sąsiadujących parach komplementarnych).
4.1 Izolacja kwasów dezoksyrybonukleinowych
Żywe komórki, z wyjątkiem plemników, zwykle zawierają znacznie więcej kwasu rybonukleinowego niż kwasu dezoksyrybonukleinowego. Na metody izolowania kwasów deoksyrybonukleinowych duży wpływ miał fakt, że o ile rybonukleoproteiny i kwasy rybonukleinowe są rozpuszczalne w rozcieńczonym (0,15 M) roztworze chlorku sodu, o tyle kompleksy deoksyrybonukleoproteinowe są w nim w rzeczywistości nierozpuszczalne. Dlatego homogenizowany narząd lub organizm dokładnie przemywa się rozcieńczonym roztworem soli, a z pozostałości ekstrahuje się kwas dezoksyrybonukleinowy mocnym roztworem soli, który następnie wytrąca się dodając etanol. Z drugiej strony, elucja tej samej pozostałości wodą daje roztwór, z którego po dodaniu soli wytrąca się dezoksyrybonukleoproteina. Rozszczepienie nukleoproteiny, która jest w zasadzie kompleksem podobnym do soli pomiędzy elektrolitami wielozasadowymi i polikwasowymi, można łatwo osiągnąć przez rozpuszczenie w mocnym roztworze soli fizjologicznej lub działanie tiocyjanianem potasu. Większość białek można usunąć przez dodanie etanolu lub emulgację z chloroformem i alkoholem amylowym (białko tworzy żel z chloroformem). Powszechnie stosowano także zabiegi detergentowe. Później wyizolowano kwasy dezoksyrybonukleinowe poprzez ekstrakcję wodnymi roztworami n-aminosalicylanowo-fenolowymi. Metodą tą otrzymano preparaty kwasu dezoksyrybonukleinowego, z których część zawierała białko resztkowe, a inne były praktycznie pozbawione białka, co wskazuje, że charakter asocjacji białko-kwas nukleinowy jest różny w różnych tkankach. Dogodną modyfikacją jest homogenizacja tkanki zwierzęcej w 0,15 M roztworze difosforanu fenoloftaleiny, a następnie dodanie fenolu w celu wytrącenia DNA (wolnego od RNA) z dobrą wydajnością.

Kwasy dezoksyrybonukleinowe, niezależnie od sposobu ich izolacji, są mieszaninami polimerów o różnych masach cząsteczkowych, z wyjątkiem próbek uzyskanych od niektórych typów bakteriofagów.
4.2 Frakcjonowanie
Metoda wczesnej separacji polegała na frakcyjnej dysocjacji żeli dezoksyrybonukleoproteiny (np. nukleohistonu) poprzez ekstrakcję wodnymi roztworami chlorku sodu o wzrastającej molarności. W ten sposób preparaty kwasu dezoksyrybonukleinowego podzielono na szereg frakcji charakteryzujących się różnymi proporcjami adeniny i tyminy do sumy guaniny i cytozyny, przy czym łatwiej wyodrębniono frakcje wzbogacone w guaninę i cytozynę. Podobne wyniki uzyskano metodą chromatograficznego rozdziału kwasu dezoksyrybonukleinowego od histonu zaadsorbowanego na ziemi okrzemkowej, stosując elucję gradientową roztworami chlorku sodu. W ulepszonej wersji tej metody oczyszczone frakcje histonów połączono z n-aminobenzylocelulozą, tworząc mostki diazowe z grup tyrozyny i histydyny białka. Opisano także frakcjonowanie kwasów nukleinowych na metylowanej albuminie surowicy (z ziemią okrzemkową jako nośnikiem). Szybkość elucji z kolumny roztworami soli o rosnącym stężeniu zależy od masy cząsteczkowej, składu (kwasy nukleinowe o dużej zawartości guaniny z cytozyną łatwiej wymywają się) i struktury drugorzędowej (zdenaturowany DNA jest mocniej zatrzymywany na kolumnie niż natywny DNA) ). W ten sposób z DNA kraba morskiego Cancer borealis wyizolowano naturalny składnik, kwas polideoksyadenylo-tymidylowy. Frakcjonowanie kwasów dezoksyrybonukleinowych przeprowadzono także poprzez elucję gradientową z kolumny wypełnionej fosforanem wapnia.

Funkcje DNA

W cząsteczce DNA sekwencja aminokwasów w peptydach jest szyfrowana za pomocą kodu biologicznego. Każdy aminokwas jest kodowany przez kombinację trzech nukleotydów, w tym przypadku powstają 64 triplety, z czego 61 koduje aminokwasy, a 3 są bez znaczenia i służą jako znaki interpunkcyjne (ATT, ACT, ATC). Nazywa się szyfrowanie jednego aminokwasu kilkoma trójkami degeneracja kodu tripletowego. Ważnymi właściwościami kodu genetycznego są jego specyficzność (każda trójka może kodować tylko jeden aminokwas), uniwersalność (wskazująca na jedność pochodzenia wszelkiego życia na Ziemi) oraz brak nakładających się na siebie kodonów podczas odczytu.

DNA pełni następujące funkcje:

przechowywanie informacji dziedzicznych odbywa się za pomocą histonów. Cząsteczka DNA fałduje się, tworząc najpierw nukleosom, a następnie heterochromatynę, z której powstają chromosomy;

przenoszenie materiału dziedzicznego następuje poprzez replikację DNA;

wykorzystanie informacji dziedzicznej w procesie syntezy białek.

Które z powyższych strukturalnych i funkcjonalnych cechy cząsteczki DNA pozwolić mu na przechowywanie i przekazywanie informacji dziedzicznych z komórki do komórki, z pokolenia na pokolenie, aby zapewnić potomstwu nowe kombinacje cech?

1. Stabilność. Zapewniają go wiązania wodorowe, glikozydowe i fosfodiestrowe, a także mechanizm naprawy uszkodzeń samoistnych i indukowanych;

2. Zdolność replikacji. Dzięki temu mechanizmowi w komórkach somatycznych utrzymuje się diploidalna liczba chromosomów. Wszystkie wymienione cechy DNA jako cząsteczki genetycznej pokazano schematycznie na rysunku.

3. Obecność kodu genetycznego. Sekwencja zasad w DNA ulega konwersji w procesach transkrypcji i translacji na sekwencję aminokwasów w łańcuchu polipeptydowym;
4. Zdolność do rekombinacji genetycznej. Dzięki temu mechanizmowi powstają nowe kombinacje połączonych genów.