Kako se zove spirala DNK? Nukleinske kiseline. Struktura i funkcije RNK

Skraćenica ćelijska DNK mnogima je poznata školski kurs biologije, ali malo ko može lako odgovoriti o čemu se radi. Samo nejasna ideja o naslijeđu i genetici ostaje u sjećanju odmah nakon diplomiranja. Znati šta je DNK i kakav uticaj ima na naše živote ponekad može biti veoma potrebno.

DNK molekula

Biohemičari razlikuju tri tipa makromolekula: DNK, RNK i proteine. Deoksiribonukleinska kiselina je biopolimer koji je odgovoran za prenošenje podataka o nasljednim osobinama, karakteristikama i razvoju vrste s generacije na generaciju. Njegov monomer je nukleotid. Šta su molekuli DNK? Ovo glavna komponenta hromozoma i sadrži genetski kod.

DNK struktura

Ranije su naučnici zamišljali da je model strukture DNK periodičan, gde se ponavljaju identične grupe nukleotida (kombinacije molekula fosfata i šećera). Određena kombinacija nukleotidnih sekvenci pruža mogućnost "kodiranja" informacija. Zahvaljujući istraživanjima, postalo je jasno da se struktura razlikuje u različitim organizmima.

Američki naučnici Alexander Rich, David Davis i Gary Felsenfeld posebno su poznati u proučavanju pitanja šta je DNK. Oni su 1957. predstavili opis nukleinske kiseline sa tri spirale. 28 godina kasnije, naučnik Maxim Davidovič Frank-Kamenitsky pokazao je kako se deoksiribonukleinska kiselina, koja se sastoji od dvije spirale, savija u H-oblik od 3 niti.

Struktura deoksiribonukleinske kiseline je dvolančana. U njemu su nukleotidi povezani u parove da formiraju dugačke polinukleotidne lance. Ovi lanci omogućavaju formiranje dvostruke spirale pomoću vodikovih veza. Izuzetak su virusi koji imaju jednolančani genom. Postoji linearna DNK (neki virusi, bakterije) i kružna (mitohondriji, hloroplasti).

DNK sastav

Bez znanja o tome od čega se sastoji DNK, ne bi bilo medicinskog napretka. Svaki nukleotid se sastoji od tri dijela: ostatka šećera pentoze, azotne baze i ostatka fosforne kiseline. Na osnovu karakteristika jedinjenja, kiseline se mogu nazvati deoksiribonukleinskim ili ribonukleinskim. DNK sadrži ogroman broj mononukleotida od dvije baze: citozina i timina. Osim toga, sadrži derivate pirimidina, adenin i gvanin.

U biologiji postoji definicija koja se zove DNK - junk DNK. Njegove funkcije su još uvijek nepoznate. Alternativna verzija naziva je “nekodirajuća”, što nije tačno, jer sadrži kodirajuće proteine ​​i transpozone, ali je i njihova svrha misterija. Jedna od radnih hipoteza sugerira da određena količina ove makromolekule doprinosi strukturnoj stabilizaciji genoma s obzirom na mutacije.

Gdje je

Lokacija unutar ćelije ovisi o karakteristikama vrste. Kod jednoćelijskih organizama DNK se nalazi u membrani. Kod ostalih živih bića nalazi se u jezgru, plastidima i mitohondrijima. Ako govorimo o ljudskoj DNK, ona se zove hromozom. Istina, to nije sasvim točno, jer su hromozomi kompleks kromatina i deoksiribonukleinske kiseline.

Uloga u kavezu

Glavna uloga DNK u stanicama je prijenos nasljednih gena i opstanak buduće generacije. O tome ne ovise samo vanjski podaci budućeg pojedinca, već i njegov karakter i zdravlje. Deoksiribonukleinska kiselina je u supersmotanom stanju, ali za kvalitetan životni proces mora se odmotati. U tome joj pomažu enzimi - topoizomeraze i helikaze.

Topoizomeraze su nukleaze, sposobne su promijeniti stepen torzije. Druga njihova funkcija je učešće u transkripciji i replikaciji (ćelijska dioba). Helikaze razbijaju vodikove veze između baza. Postoje enzimi ligaza, koji "poprečno povezuju" prekinute veze, i polimeraze koje su uključene u sintezu novih polinukleotidnih lanaca.

Kako se dešifruje DNK

Ova skraćenica za biologiju je poznata. Puni naziv DNK je deoksiribonukleinska kiselina. Ne može svako to reći prvi put, pa se dekodiranje DNK često izostavlja u govoru. Postoji i koncept RNK - ribonukleinske kiseline, koja se sastoji od aminokiselinskih sekvenci u proteinima. Oni su direktno povezani, a RNA je druga po važnosti makromolekula.

Ljudski DNK

Ljudski hromozomi su razdvojeni unutar jezgra, čineći ljudsku DNK najstabilnijim i najpotpunijim nosiocem informacija. Tokom genetske rekombinacije, spirale se odvajaju, razmjenjuju sekcije, a zatim se veza obnavlja. Zbog oštećenja DNK nastaju nove kombinacije i obrasci. Cijeli mehanizam promovira prirodnu selekciju. Još uvijek nije poznato koliko je dugo bio odgovoran za prijenos genoma i kakva je bila njegova metabolička evolucija.

Ko je otvorio

Prvo otkriće strukture DNK pripisuje se engleskim biolozima Jamesu Watsonu i Francisu Cricku, koji su 1953. otkrili strukturne karakteristike molekula. Pronašao ga je švajcarski lekar Fridrih Mišer 1869. On je studirao hemijski sastavživotinjske ćelije uz pomoć leukocita, koji se masovno nakupljaju u gnojnim lezijama.

Miescher je proučavao metode za pranje bijelih krvnih zrnaca, izoliranih proteina kada je otkrio da postoji još nešto osim njih. Na dnu posude tokom obrade nastaje talog pahuljica. Pregledavši ove naslage pod mikroskopom, mladi doktor je otkrio jezgre koje su ostale nakon tretmana hlorovodoničnom kiselinom. Sadržao je spoj koji je Friedrich nazvao nuklein (od latinskog nucleus - jezgro).

Sav život na planeti sastoji se od mnogih ćelija koje održavaju urednost svoje organizacije zahvaljujući genetskim informacijama sadržanim u jezgru. Pohranjuju, implementiraju i prenose složena visokomolekularna jedinjenja - nukleinske kiseline, koje se sastoje od monomernih jedinica - nukleotida. Uloga nukleinskih kiselina ne može se precijeniti. Stabilnost njihove strukture određuje normalno funkcioniranje tijela, a svaka odstupanja u strukturi neminovno dovode do promjena u ćelijskoj organizaciji, aktivnosti fizioloških procesa i vitalnosti stanica općenito.

Pojam nukleotida i njegova svojstva

Svaka RNK je sastavljena od manjih monomernih jedinjenja - nukleotida. Drugim riječima, nukleotid je građevinski materijal za nukleinske kiseline, koenzime i mnoga druga biološka jedinjenja koja su bitna za ćeliju tokom njenog života.

Glavna svojstva ovih esencijalnih supstanci uključuju:

Pohranjivanje informacija o i naslijeđenim karakteristikama;
. vršenje kontrole nad rastom i reprodukcijom;
. učešće u metabolizmu i mnogim drugim fiziološkim procesima koji se odvijaju u ćeliji.

Govoreći o nukleotidima, ne možemo a da se ne zadržimo na tako važnom pitanju kao što je njihova struktura i sastav.

Svaki nukleotid se sastoji od:

Ostatak šećera;
. azotna baza;
. fosfatne grupe ili ostataka fosforne kiseline.

Možemo reći da je nukleotid složeno organsko jedinjenje. U zavisnosti od sastava vrsta dušičnih baza i vrste pentoze u strukturi nukleotida, nukleinske kiseline se dijele na:

Deoksiribonukleinska kiselina, ili DNK;
. ribonukleinska kiselina ili RNK.

Sastav nukleinske kiseline

U nukleinskim kiselinama, šećer je predstavljen pentozom. To je šećer sa pet ugljenika, koji se zove deoksiriboza u DNK i riboza u RNK. Svaki molekul pentoze ima pet atoma ugljika, od kojih četiri zajedno s atomom kisika čine petočlani prsten, a peti je dio HO-CH2 grupe.

Položaj svakog atoma ugljika u molekuli pentoze označen je arapskim brojem sa prostim brojem (1C´, 2C´, 3C´, 4C´, 5C´). Budući da svi procesi čitanja iz molekula nukleinske kiseline imaju strogi smjer, numeracija atoma ugljika i njihova lokacija u prstenu služe kao svojevrsni pokazatelj ispravnog smjera.

Na hidroksilnoj grupi, ostatak fosforne kiseline je vezan za treći i peti atom ugljika (3C´ i 5C´). Određuje hemijsku pripadnost DNK i RNK grupi kiselina.

Dušična baza je vezana za prvi atom ugljika (1C´) u molekulu šećera.

Vrsni sastav azotnih baza

DNK nukleotidi na bazi azotne baze predstavljeni su u četiri tipa:

Adenin (A);
. gvanin (G);
. citozin (C);
. timin (T).

Prva dva pripadaju klasi purina, zadnja dva pripadaju klasi pirimidina. U smislu molekularne težine, purini su uvijek teži od pirimidina.

RNA nukleotidi na bazi azotne baze predstavljeni su:

Adenin (A);
. gvanin (G);
. citozin (C);
. uracil (U).

Uracil, kao i timin, je pirimidinska baza.

IN naučna literaturaČesto možete pronaći drugu oznaku za dušične baze - latiničnim slovima (A, T, C, G, U).

Zaustavimo se detaljnije na hemijskoj strukturi purina i pirimidina.

Pirimidini, odnosno citozin, timin i uracil, sastoje se od dva atoma dušika i četiri atoma ugljika, tvoreći šesteročlani prsten. Svaki atom ima svoj broj od 1 do 6.

Purini (adenin i gvanin) se sastoje od pirimidina i imidazola ili dva heterocikla. Molekul baze purina predstavljen je sa četiri atoma dušika i pet atoma ugljika. Svaki atom je numerisan od 1 do 9.

Kao rezultat kombinacije dušične baze i pentoznog ostatka, nastaje nukleozid. Nukleotid je spoj nukleozida i fosfatne grupe.

Formiranje fosfodiestarskih veza

Važno je razumjeti pitanje kako su nukleotidi povezani u polipeptidni lanac i formiraju molekul nukleinske kiseline. To se događa zbog takozvanih fosfodiestarskih veza.

Interakcija dva nukleotida proizvodi dinukleotid. Do stvaranja novog spoja dolazi kondenzacijom, kada se fosfodiesterska veza javlja između fosfatnog ostatka jednog monomera i hidroksi grupe pentoze drugog.

Sinteza polinukleotida je ponovljeno ponavljanje ove reakcije (nekoliko miliona puta). Polinukleotidni lanac je izgrađen formiranjem fosfodiestarskih veza između trećeg i petog ugljika šećera (3C´ i 5C´).

Sklapanje polinukleotida je složen proces koji se odvija uz učešće enzima DNK polimeraze, koji osigurava rast lanca sa samo jednog kraja (3´) sa slobodnom hidroksi grupom.

Struktura molekula DNK

Molekul DNK, kao i protein, može imati primarnu, sekundarnu i tercijarnu strukturu.

Redoslijed nukleotida u lancu DNK određuje njegovu primarnu, nastaje zahvaljujući vodikovim vezama, čija je osnova princip komplementarnosti. Drugim riječima, tokom sinteze dvostrukog lanca primjenjuje se određeni obrazac: adenin jednog lanca odgovara timinu drugog, gvanin citozinu, i obrnuto. Parovi adenina i timina ili gvanina i citozina nastaju zbog dvije u prvom i tri u drugom slučaju vodikovih veza. Ova kombinacija nukleotida obezbeđuje jaka veza lancima i jednakim rastojanjem između njih.

Poznavajući nukleotidnu sekvencu jednog lanca DNK, drugi se može završiti primjenom principa komplementarnosti ili adicije.

Tercijarna struktura DNK formirana je zbog složenih trodimenzionalnih veza, što čini njenu molekulu kompaktnijom i sposobnom da se uklopi u mali volumen ćelije. Na primjer, dužina DNK E. coli je veća od 1 mm, dok je dužina ćelije manja od 5 mikrona.

Broj nukleotida u DNK, odnosno njihov kvantitativni odnos, poštuje Chergaffovo pravilo (broj purinskih baza je uvijek jednak broju pirimidinskih baza). Udaljenost između nukleotida je konstantna vrijednost, jednaka 0,34 nm, kao i njihova molekularna težina.

Struktura molekula RNK

RNK je predstavljena jednim polinukleotidnim lancem formiranim kroz pentozu (in u ovom slučaju riboza) i ostatak fosfata. Mnogo je kraće od DNK. Postoje i razlike u sastavu vrsta azotnih baza u nukleotidu. U RNK se uracil koristi umjesto pirimidinske baze timina. U zavisnosti od funkcija koje se obavljaju u tijelu, RNK može biti tri vrste.

Ribosomalna (rRNA) - obično sadrži od 3000 do 5000 nukleotida. Kao neophodna strukturna komponenta, učestvuje u formiranju aktivnog centra ribozoma, mesta jednog od najvažnijih procesa u ćeliji – biosinteze proteina.
. Transport (tRNA) - sastoji se od prosječno 75 - 95 nukleotida, vrši prijenos željene aminokiseline do mjesta sinteze polipeptida u ribosomu. Svaki tip tRNA (najmanje 40) ima svoju jedinstvenu sekvencu monomera ili nukleotida.
. Informacija (mRNA) - vrlo raznolika u sastavu nukleotida. Transferi genetske informacije od DNK do ribozoma, djeluje kao šablon za sintezu proteinskih molekula.

Uloga nukleotida u tijelu

Nukleotidi u ćeliji obavljaju niz važnih funkcija:

Koriste se kao gradivni blokovi za nukleinske kiseline (nukleotidi purinskog i pirimidinskog niza);
. učestvuju u mnogim metaboličkim procesima u ćeliji;
. dio su ATP-a - glavnog izvora energije u stanicama;
. djeluju kao nosioci redukcijskih ekvivalenata u ćelijama (NAD+, NADP+, FAD, FMN);
. obavljaju funkciju bioregulatora;
. mogu se smatrati sekundarnim glasnicima ekstracelularne regularne sinteze (na primjer, cAMP ili cGMP).

Nukleotid je monomerna jedinica koja formira složenije spojeve - nukleinske kiseline, bez kojih je prijenos genetskih informacija, njihovo pohranjivanje i reprodukcija nemoguć. Slobodni nukleotidi su glavne komponente uključene u signalne i energetske procese koji podržavaju normalno funkcioniranje stanica i tijela u cjelini.

TO nukleinske kiseline uključuju visokopolimerna jedinjenja koja se tokom hidrolize raspadaju na purinske i pirimidinske baze, pentozu i fosfornu kiselinu. Nukleinske kiseline sadrže ugljenik, vodonik, fosfor, kiseonik i azot. Postoje dvije klase nukleinskih kiselina: ribonukleinske kiseline (RNA) I dezoksiribonukleinske kiseline (DNK).

Struktura i funkcije DNK

DNK- polimer čiji su monomeri deoksiribonukleotidi. Model prostorne strukture molekule DNK u obliku dvostruke spirale predložili su 1953. J. Watson i F. Crick (za izgradnju ovog modela koristili su rad M. Wilkinsa, R. Franklina, E. Chargaffa ).

DNK molekula formirana od dva polinukleotidna lanca, spiralno uvijena jedan oko drugog i zajedno oko zamišljene ose, tj. je dvostruka spirala (s izuzetkom da neki virusi koji sadrže DNK imaju jednolančanu DNK). Promjer dvostruke spirale DNK je 2 nm, udaljenost između susjednih nukleotida je 0,34 nm, a po okretu spirale ima 10 parova nukleotida. Dužina molekula može doseći nekoliko centimetara. Molekularna težina - desetine i stotine miliona. Ukupna dužina DNK u jezgru ljudske ćelije je oko 2 m. U eukariotskim ćelijama DNK formira komplekse sa proteinima i ima specifičnu prostornu konformaciju.

DNK monomer - nukleotid (deoksiribonukleotid)- sastoji se od ostataka tri supstance: 1) azotne baze, 2) monosaharida sa pet ugljenika (pentoze) i 3) fosforne kiseline. Dušične baze nukleinskih kiselina pripadaju klasama pirimidina i purina. DNK pirimidinske baze(imaju jedan prsten u svojoj molekuli) - timin, citozin. Purinske baze(imaju dva prstena) - adenin i guanin.

DNK nukleotid monosaharid je deoksiriboza.

Ime nukleotida izvedeno je iz imena odgovarajuće baze. Nukleotidi i azotne baze su označeni velikim slovima.

Polinukleotidni lanac nastaje kao rezultat reakcija kondenzacije nukleotida. U ovom slučaju, između 3"-ugljika ostatka deoksiriboze jednog nukleotida i ostatka fosforne kiseline drugog, fosfoesterska veza(spada u kategoriju jakih kovalentnih veza). Jedan kraj polinukleotidnog lanca završava ugljenikom od 5" (koji se naziva kraj od 5"), drugi završava ugljenikom od 3" (3" kraj).

Nasuprot jednom lancu nukleotida nalazi se drugi lanac. Raspored nukleotida u ova dva lanca nije slučajan, već je strogo definisan: timin se uvek nalazi nasuprot adenina jednog lanca u drugom lancu, a citozin se uvek nalazi nasuprot gvanina, dve vodikove veze nastaju između adenina i timina, a tri vodonične veze nastaju između gvanina i citozina. Obrazac prema kojem su nukleotidi različitih DNK lanaca strogo uređeni (adenin - timin, gvanin - citozin) i selektivno se međusobno povezuju naziva se princip komplementarnosti. Treba napomenuti da su J. Watson i F. Crick shvatili princip komplementarnosti nakon što su se upoznali sa radovima E. Chargaffa. E. Chargaff, proučavajući ogroman broj uzoraka tkiva i organa različitih organizama, otkrio je da u bilo kojem fragmentu DNK sadržaj ostataka gvanina uvijek tačno odgovara sadržaju citozina, a adenina timinu ( "Chargaffovo pravilo"), ali tu činjenicu nije mogao objasniti.

Iz principa komplementarnosti slijedi da nukleotidni niz jednog lanca određuje nukleotidni niz drugog.

DNK lanci su antiparalelni (višesmjerni), tj. nukleotidi različitih lanaca nalaze se u suprotnim smjerovima, i, stoga, nasuprot 3" kraja jednog lanca nalazi se 5" kraj drugog. Molekul DNK se ponekad upoređuje sa spiralnim stepenicama. „Ograda“ ovog stepeništa je šećerno-fosfatna kičma (naizmjenični ostaci dezoksiriboze i fosforne kiseline); “stepenice” su komplementarne azotne baze.

Funkcija DNK- čuvanje i prenošenje nasljednih informacija.

DNK replikacija (reduplikacija)

- proces samoumnožavanja, glavno svojstvo molekula DNK. Replikacija spada u kategoriju reakcija sinteze matriksa i odvija se uz učešće enzima. Pod dejstvom enzima, molekula DNK se odmotava, a oko svakog lanca se gradi novi lanac, koji deluje kao šablon, prema principima komplementarnosti i antiparalelnosti. Dakle, u svakoj ćerki DNK, jedan lanac je majčinski lanac, a drugi je novosintetizovan. Ova metoda sinteze se zove polukonzervativan.

“Građevinski materijal” i izvor energije za replikaciju su deoksiribonukleozid trifosfati(ATP, TTP, GTP, CTP) koji sadrži tri ostatka fosforne kiseline. Kada se deoksiribonukleozid trifosfati ugrade u polinukleotidni lanac, dva terminalna ostatka fosforne kiseline se odcjepljuju, a oslobođena energija se koristi za formiranje fosfodiestarske veze između nukleotida.

U replikaciji su uključeni sljedeći enzimi:

1. helikaze („odmotavanje“ DNK);
2. destabilizirajući proteini;
3. DNK topoizomeraze (isječena DNK);
4. DNK polimeraze (odabrati deoksiribonukleozid trifosfate i komplementarno ih vezati za lanac DNK šablona);
5. RNA primaze (formiraju RNA prajmere);
6. DNK ligaze (povezuju fragmente DNK zajedno).

Uz pomoć helikaza, DNK se raspliće u određenim dijelovima, jednolančani dijelovi DNK su vezani destabilizirajućim proteinima, a viljuška za replikaciju. Sa divergencijom od 10 parova nukleotida (jedan okret spirale), molekul DNK mora napraviti punu revoluciju oko svoje ose. Da bi sprečila ovu rotaciju, DNK topoizomeraza preseca jedan lanac DNK, dozvoljavajući mu da se rotira oko drugog lanca.

DNK polimeraza može vezati nukleotid samo za 3" ugljik deoksiriboze prethodnog nukleotida, stoga se ovaj enzim može kretati duž DNK šablona u samo jednom smjeru: od 3" kraja do 5" kraja ovog šablonskog DNK. Pošto su u matičnoj DNK lanci antiparalelni, onda se na njenim različitim lancima sklapanje ćerki polinukleotidnih lanaca odvija različito iu suprotnim smerovima. Na lancu 3"-5", sinteza ćerki polinukleotidnog lanca teče bez prekida; ova ćerka lanac će biti pozvan vodeći. Na lancu od 5"-3" - povremeno, u fragmentima ( fragmenti Okazakija), koji se, nakon završetka replikacije, spajaju u jedan lanac pomoću DNK ligaza; ovaj podređeni lanac će biti pozvan zaostajanje (zaostaje).

Posebnost DNK polimeraze je da ona može započeti svoj rad samo sa "sjemenke" (prajmer). Ulogu “prajmera” obavljaju kratke RNA sekvence formirane od enzima RNA primaze i uparene sa šablonom DNK. RNA prajmeri se uklanjaju nakon završetka sastavljanja polinukleotidnih lanaca.

Replikacija se odvija slično kod prokariota i eukariota. Stopa sinteze DNK kod prokariota je red veličine veća (1000 nukleotida u sekundi) nego kod eukariota (100 nukleotida u sekundi). Replikacija počinje istovremeno u nekoliko dijelova molekule DNK. Fragment DNK od jednog izvora replikacije do drugog formira jedinicu replikacije - replicon.

Replikacija se događa prije diobe ćelije. Zahvaljujući ovoj sposobnosti DNK, nasljedne informacije se prenose sa ćelije majke na ćelije kćeri.

Popravka ("popravka")

Reparacije je proces eliminacije oštećenja nukleotidne sekvence DNK. Izvodi se posebnim enzimskim sistemima ćelije ( popravljaju enzime). U procesu obnavljanja strukture DNK mogu se razlikovati sljedeće faze: 1) nukleaze popravke DNK prepoznaju i uklanjaju oštećeno područje, uslijed čega nastaje praznina u lancu DNK; 2) DNK polimeraza popunjava ovu prazninu, kopirajući informacije iz drugog (“dobrog”) lanca; 3) DNK ligaza "poprečno povezuje" nukleotide, dovršavajući popravku.

Najviše su proučavana tri mehanizma popravka: 1) fotoreparacija, 2) eksciziona, ili pre-replikacijska popravka, 3) post-replikacijska popravka.

Promjene u strukturi DNK nastaju u ćeliji konstantno pod uticajem reaktivnih metabolita, ultraljubičastog zračenja, teških metala i njihovih soli itd. Zbog toga defekti sistema popravke povećavaju brzinu mutacijskih procesa i uzrokuju nasljedne bolesti (xeroderma pigmentosum, progerija, itd.). itd.).

Struktura i funkcije RNK

- polimer čiji su monomeri ribonukleotidi. Za razliku od DNK, RNK se ne formira od dva, već od jednog polinukleotidnog lanca (s izuzetkom da neki virusi koji sadrže RNK imaju dvolančanu RNK). RNA nukleotidi su sposobni da formiraju vodonične veze jedni s drugima. RNK lanci su mnogo kraći od lanaca DNK.

RNA monomer - nukleotid (ribonukleotid)- sastoji se od ostataka tri supstance: 1) azotne baze, 2) monosaharida sa pet ugljenika (pentoze) i 3) fosforne kiseline. Azotne baze RNK takođe pripadaju klasama pirimidina i purina.

Pirimidinske baze RNK su uracil i citozin, a purinske baze su adenin i gvanin. RNA nukleotidni monosaharid je riboza.

Istaknite tri vrste RNK: 1) informativni(messenger) RNA - mRNA (mRNA), 2) transport RNA - tRNA, 3) ribosomalni RNA - rRNA.

Sve vrste RNK su nerazgranati polinukleotidi, imaju specifičnu prostornu konformaciju i učestvuju u procesima sinteze proteina. Informacije o strukturi svih vrsta RNK pohranjene su u DNK. Proces sinteze RNK na DNK šablonu naziva se transkripcija.

Transfer RNA obično sadrže 76 (od 75 do 95) nukleotida; molekulska težina - 25 000-30 000. tRNA čini oko 10% ukupnog sadržaja RNK u ćeliji. Funkcije tRNA: 1) transport aminokiselina do mesta sinteze proteina, do ribozoma, 2) translacioni posrednik. U ćeliji se nalazi oko 40 tipova tRNA, a svaka od njih ima jedinstvenu sekvencu nukleotida. Međutim, sve tRNA imaju nekoliko intramolekularnih komplementarnih regiona, zbog čega tRNA dobijaju konformaciju nalik na list djeteline. Svaka tRNA ima petlju za kontakt sa ribozomom (1), petlju antikodona (2), petlju za kontakt sa enzimom (3), akceptorsku stabljiku (4) i antikodon (5). Aminokiselina se dodaje na 3" kraj akceptorske stabljike. Anticodon- tri nukleotida koji "identifikuju" kodon mRNA. Treba naglasiti da specifična tRNA može transportirati striktno definiranu aminokiselinu koja odgovara njenom antikodonu. Specifičnost veze između aminokiseline i tRNA postiže se zahvaljujući svojstvima enzima aminoacil-tRNA sintetaze.

Ribosomalna RNA sadrže 3000-5000 nukleotida; molekulska težina - 1 000 000-1 500 000. rRNA čini 80-85% ukupnog sadržaja RNK u ćeliji. U kompleksu sa ribosomskim proteinima, rRNA formira ribozome - organele koje provode sintezu proteina. U eukariotskim ćelijama, sinteza rRNA se odvija u jezgrama. Funkcije rRNA: 1) neophodna strukturna komponenta ribozoma i time osigurava funkcionisanje ribozoma; 2) obezbeđivanje interakcije ribozoma i tRNK; 3) početno vezivanje ribozoma i inicijatorskog kodona mRNK i određivanje okvira čitanja, 4) formiranje aktivnog centra ribozoma.

Messenger RNA varirao u sadržaju nukleotida i molekularnoj težini (od 50.000 do 4.000.000). mRNA čini do 5% ukupnog sadržaja RNK u ćeliji. Funkcije mRNA: 1) prenos genetske informacije sa DNK na ribozome, 2) matrica za sintezu proteinskog molekula, 3) određivanje aminokiselinske sekvence primarne strukture proteinskog molekula.

Struktura i funkcije ATP-a

Adenozin trifosforna kiselina (ATP)- univerzalni izvor i glavni akumulator energije u živim ćelijama. ATP se nalazi u svim biljnim i životinjskim ćelijama. Količina ATP-a je u prosjeku 0,04% (od vlažne težine ćelije), najveća količina ATP-a (0,2-0,5%) nalazi se u skeletnim mišićima.

ATP se sastoji od ostataka: 1) azotne baze (adenin), 2) monosaharida (riboza), 3) tri fosforne kiseline. Pošto ATP ne sadrži jedan, već tri ostatka fosforne kiseline, on pripada ribonukleozid trifosfatima.

Većina posla koji se dešava u ćelijama koristi energiju hidrolize ATP-a. U tom slučaju, kada se eliminiše terminalni ostatak fosforne kiseline, ATP se transformiše u ADP (adenozin difosforna kiselina), a kada se eliminiše drugi ostatak fosforne kiseline, pretvara se u AMP (adenozin monofosforna kiselina). Prinos slobodne energije nakon eliminacije i terminalnog i drugog ostatka fosforne kiseline je 30,6 kJ. Eliminacija treće fosfatne grupe je praćena oslobađanjem samo 13,8 kJ. Veze između terminala i drugog, drugog i prvog ostataka fosforne kiseline nazivaju se visokoenergetske (visokoenergetske).

Rezerve ATP-a se stalno popunjavaju. U ćelijama svih organizama do sinteze ATP-a dolazi u procesu fosforilacije, tj. dodavanje fosforne kiseline u ADP. Fosforilacija se javlja različitim intenzitetom tokom disanja (mitohondrije), glikolize (citoplazma) i fotosinteze (hloroplasti).

ATP je glavna veza između procesa praćenih oslobađanjem i akumulacijom energije i procesa koji se odvijaju uz potrošnju energije. Osim toga, ATP, zajedno sa drugim ribonukleozid trifosfatima (GTP, CTP, UTP), je supstrat za sintezu RNK.

Idi predavanja br. 3„Struktura i funkcije proteina. enzimi"

Idi predavanja br. 5„Ćelijska teorija. Vrste ćelijske organizacije"

Nukleinske kiseline su visokomolekularne supstance koje se sastoje od mononukleotida, koji su međusobno povezani u polimerni lanac pomoću fosfodiestarskih veza od 3", 5" i na određeni način se pakuju u ćelijama.

Nukleinske kiseline su biopolimeri dva tipa: ribonukleinska kiselina (RNA) i deoksiribonukleinska kiselina (DNK). Svaki biopolimer sastoji se od nukleotida koji se razlikuju po ostatku ugljikohidrata (riboza, deoksiriboza) i jednoj od dušičnih baza (uracil, timin). Prema ovim razlikama, nukleinske kiseline su dobile svoje ime.

Struktura deoksiribonukleinske kiseline

Nukleinske kiseline imaju primarnu, sekundarnu i tercijarnu strukturu.

Primarna struktura DNK

Primarna struktura DNK je linearni polinukleotidni lanac u kojem su mononukleotidi povezani 3", 5" fosfodiestarskim vezama. Početni materijal za sastavljanje lanca nukleinske kiseline u ćeliji je 5"-trifosfatni nukleozid, koji je, kao rezultat uklanjanja ostataka β i γ fosforne kiseline, sposoban da veže 3" atom ugljika drugog nukleozida. . Dakle, 3" atom ugljika jedne deoksiriboze je kovalentno vezan za atom ugljika od 5" druge deoksiriboze preko jednog ostatka fosforne kiseline i formira linearni polinukleotidni lanac nukleinske kiseline. Otuda i naziv: 3", 5" fosfodiestarske veze. Azotne baze ne učestvuju u povezivanju nukleotida jednog lanca (slika 1.).

Takva veza, između ostatka molekule fosforne kiseline jednog nukleotida i ugljikohidrata drugog, dovodi do formiranja pentozo-fosfatnog skeleta polinukleotidnog molekula, na kojem su azotne baze jedna za drugom pričvršćene na stranu. Njihov slijed rasporeda u lancima molekula nukleinskih kiselina striktno je specifičan za ćelije različitih organizama, tj. ima specifičan karakter (Chargaffovo pravilo).

Linearni DNK lanac, čija dužina zavisi od broja nukleotida uključenih u lanac, ima dva kraja: jedan se zove 3" kraj i sadrži slobodni hidroksil, a drugi se zove 5" kraj i sadrži fosforni kiseli ostatak. Krug je polaran i može imati smjer od 5"->3" i 3"->5". Izuzetak je kružna DNK.

Genetski "tekst" DNK sastoji se od kodnih "riječi" - trojki nukleotida zvanih kodoni. Dijelovi DNK koji sadrže informacije o primarnoj strukturi svih vrsta RNK nazivaju se strukturni geni.

Polinukleotidni DNK lanci dostižu gigantske veličine, pa se na određeni način pakuju u ćeliji.

Proučavajući sastav DNK, Chargaff (1949) je ustanovio važne obrasce u vezi sa sadržajem pojedinačnih baza DNK. Oni su pomogli da se otkrije sekundarna struktura DNK. Ovi obrasci se nazivaju Chargaffova pravila. Chargaff pravila zbir purinskih nukleotida jednak je zbiru nukleotida pirimidina, tj. A+G / C+T = 1 sadržaj adenina je jednak sadržaju timina (A = T, ili A/T = 1); sadržaj gvanina je jednak sadržaju citozina (G = C, ili G/C = 1); broj 6-amino grupa je jednak broju 6-keto grupa baza sadržanih u DNK: G + T = A + C; varijabilan je samo zbir A + T i G + C. Ako je A + T > G-C, onda je ovo AT tip DNK; ako je G+C > A+T, onda je ovo GC tip DNK. Ova pravila ukazuju na to da se prilikom konstruisanja DNK mora poštovati prilično stroga korespondencija (uparivanje) ne purinskih i pirimidinskih baza uopšte, već posebno timina sa adeninom i citozina sa gvaninom. Na osnovu ovih pravila, 1953. godine, Watson i Crick su predložili model sekundarne strukture DNK, nazvan dvostruka spirala (sl.).

Sekundarna struktura DNK

Sekundarna struktura DNK je dvostruka spirala, čiji su model predložili D. Watson i F. Crick 1953. godine.

Preduvjeti za izradu DNK modela

Kao rezultat početnih analiza, vjerovalo se da DNK bilo kojeg porijekla sadrži sva četiri nukleotida u jednakim molarnim količinama. Međutim, 1940-ih, E. Chargaff i njegove kolege, kao rezultat analize DNK izolovane iz raznih organizama, jasno su pokazali da sadrže azotne baze u različitim kvantitativnim omjerima. Chargaff je otkrio da iako su ovi omjeri isti za DNK iz svih ćelija iste vrste organizma, DNK različitih vrsta može se značajno razlikovati u sadržaju određenih nukleotida. Ovo sugerira da razlike u omjeru dušičnih baza mogu biti povezane s nekom vrstom biološkog koda. Iako se pokazalo da je omjer pojedinačnih purinskih i pirimidinskih baza u različitim uzorcima DNK različit, pri upoređivanju rezultata testa pokazao se određeni obrazac: u svim uzorcima ukupan broj purina bio je jednak ukupnom broju pirimidina (A + G = T + C), količina adenina je bila jednaka količini timina (A = T), a količina gvanina je količina citozina (G = C). DNK izolirana iz stanica sisara općenito je bila bogatija adeninom i timinom i relativno siromašnija gvaninom i citozinom, dok je DNK iz bakterija bila bogatija gvaninom i citozinom i relativno siromašnija adeninom i timinom. Ovi podaci činili su važan dio činjeničnog materijala na osnovu kojeg je kasnije izgrađen Watson-Crick model strukture DNK.

Još jednu važnu indirektnu indikaciju moguće strukture DNK dali su podaci L. Paulinga o strukturi proteinskih molekula. Pauling je pokazao da je moguće nekoliko različitih stabilnih konfiguracija lanca aminokiselina u molekulu proteina. Jedna uobičajena konfiguracija peptidnog lanca, α-heliks, je pravilna spiralna struktura. S ovom strukturom moguće je stvaranje vodikovih veza između aminokiselina koje se nalaze na susjednim zavojima lanca. Pauling je opisao α-heličnu konfiguraciju polipeptidnog lanca 1950. godine i sugerirao da molekuli DNK vjerovatno imaju spiralnu strukturu koju drže vodonične veze.

Ipak, najvrednije informacije o strukturi molekule DNK dali su rezultati analize difrakcije rendgenskih zraka. X-zrake koje prolaze kroz DNK kristal podliježu difrakciji, odnosno odbijaju se u određenim smjerovima. Stepen i priroda skretanja zraka zavise od strukture samih molekula. Difrakcija rendgenskih zraka (slika 3) daje iskusnom oku brojne indirektne indikacije u vezi sa strukturom molekula supstance koja se proučava. Analiza uzoraka difrakcije rendgenskih zraka DNK dovela je do zaključka da su dušične baze (koje imaju ravan oblik) raspoređene kao hrpa ploča. Difrakcijski uzorci rendgenskih zraka otkrili su tri glavna perioda u strukturi kristalne DNK: 0,34, 2 i 3,4 nm.

Watson-Crick DNK model

Na osnovu Chargaffovih analitičkih podataka, Wilkinsovih uzoraka rendgenske difrakcije i istraživanja hemičara koji su pružili informacije o preciznim udaljenostima između atoma u molekuli, uglovima između veza datog atoma i veličini atoma, Watson i Crick je počeo da gradi fizički modeli pojedinačne komponente molekule DNK na određenoj skali i „prilagođavaju“ ih jedna drugoj na način da dobijeni sistem odgovara različitim eksperimentalnim podacima [prikaži] .

Još ranije je bilo poznato da su susjedni nukleotidi u lancu DNK povezani fosfodiesterskim mostovima, povezujući 5"-ugljični atom deoksiriboze jednog nukleotida sa 3"-ugljični deoksiribozni atom sljedećeg nukleotida. Watson i Crick nisu sumnjali da period od 0,34 nm odgovara udaljenosti između uzastopnih nukleotida u lancu DNK. Nadalje, moglo bi se pretpostaviti da period od 2 nm odgovara debljini lanca. A da bi objasnili kojoj stvarnoj strukturi odgovara period od 3,4 nm, Watson i Crick, kao i Pauling ranije, sugerirali su da je lanac uvijen u obliku spirale (ili, preciznije, formira spiralnu liniju, jer spirala u strogom smislu ovih reči se dobija kada zavojnice formiraju konusnu, a ne cilindričnu površinu u prostoru). Tada će period od 3,4 nm odgovarati udaljenosti između uzastopnih zavoja ove spirale. Takva spirala može biti vrlo gusta ili donekle rastegnuta, odnosno njeni zavoji mogu biti ravni ili strmi. Budući da je period od 3,4 nm tačno 10 puta veći od udaljenosti između uzastopnih nukleotida (0,34 nm), jasno je da svaki potpuni okret spirale sadrži 10 nukleotida. Iz ovih podataka, Watson i Crick su uspjeli izračunati gustinu polinukleotidnog lanca uvijenog u spiralu prečnika 2 nm, sa razmakom između zavoja od 3,4 nm. Ispostavilo se da bi takav lanac imao gustinu koja je upola manja od stvarne gustine DNK, što je već bilo poznato. Morao sam pretpostaviti da se molekul DNK sastoji od dva lanca – da je to dvostruka spirala nukleotida.

Sljedeći zadatak je, naravno, bio razjasniti prostorne odnose između dva lanca koji formiraju dvostruku spiralu. Nakon što su isprobali niz opcija za raspored lanaca na svom fizičkom modelu, Watson i Crick su otkrili da se svi dostupni podaci najbolje podudaraju s opcijom u kojoj dvije polinukleotidne spirale idu u suprotnim smjerovima; u ovom slučaju, lanci koji se sastoje od ostataka šećera i fosfata formiraju površinu dvostruke spirale, a purini i pirimidini se nalaze unutra. Baze koje se nalaze jedna naspram druge, pripadaju dva lanca, povezane su u parovima vodoničnim vezama; Ove vodonične veze drže lance zajedno, fiksirajući tako ukupnu konfiguraciju molekula.

Dvostruka spirala DNK može se zamisliti kao ljestve od užeta koje su uvijene na spiralni način, tako da prečke ostaju horizontalne. Tada će dva uzdužna užeta odgovarati lancima ostataka šećera i fosfata, a prečke će odgovarati parovima dušičnih baza povezanih vodikovim vezama.

Kao rezultat daljeg proučavanja mogućih modela, Watson i Crick su zaključili da bi se svaka "prečka" trebala sastojati od jednog purina i jednog pirimidina; u periodu od 2 nm (što odgovara prečniku dvostruke spirale), ne bi bilo dovoljno prostora za dva purina, a dva pirimidina ne bi mogla biti dovoljno blizu jedan drugom da formiraju odgovarajuće vodonične veze. Detaljna studija detaljnog modela pokazala je da adenin i citozin, iako tvore kombinaciju odgovarajuće veličine, još uvijek ne mogu biti postavljeni na takav način da bi se između njih stvorile vodikove veze. Slični izvještaji natjerali su da se isključi kombinacija gvanin - timin, dok su se kombinacije adenin - timin i guanin - citozin pokazale sasvim prihvatljivim. Priroda vodikovih veza je takva da adenin formira par sa timinom, a gvanin sa citozinom. Ova ideja specifičnog uparivanja baza omogućila je da se objasni "Chargaffovo pravilo", prema kojem je u bilo kojoj molekuli DNK količina adenina uvijek jednaka sadržaju timina, a količina gvanina uvijek jednaka količini citozina. Dvije vodikove veze formiraju se između adenina i timina, a tri između gvanina i citozina. Zbog ove specifičnosti, formiranje vodikovih veza protiv svakog adenina u jednom lancu uzrokuje stvaranje timina na drugom; na isti način, samo citozin može biti nasuprot svakom guaninu. Dakle, lanci su komplementarni jedni drugima, odnosno sekvenca nukleotida u jednom lancu jedinstveno određuje njihov niz u drugom. Dva lanca idu u suprotnim smjerovima i njihove terminalne fosfatne grupe su na suprotnim krajevima dvostruke spirale.

Kao rezultat svog istraživanja, Watson i Crick su 1953. godine predložili model strukture molekula DNK (slika 3), koji ostaje relevantan do današnjih dana. Prema modelu, molekul DNK se sastoji od dva komplementarna polinukleotidna lanca. Svaki lanac DNK je polinukleotid koji se sastoji od nekoliko desetina hiljada nukleotida. U njemu susjedni nukleotidi formiraju pravilnu pentozo-fosfatnu kičmu zbog veze ostatka fosforne kiseline i deoksiriboze snažnom kovalentnom vezom. Dušične baze jednog polinukleotidnog lanca raspoređene su u strogo definisanom redosledu nasuprot azotnim bazama drugog. Izmjena dušičnih baza u polinukleotidnom lancu je nepravilna.

Raspored azotnih baza u lancu DNK je komplementaran (od grčkog "komplement" - dodavanje), tj. Timin (T) je uvijek protiv adenina (A), a samo citozin (C) je protiv guanina (G). Ovo se objašnjava činjenicom da A i T, kao i G i C, striktno odgovaraju jedno drugom, tj. dopunjuju jedno drugo. Ova korespondencija je data hemijska struktura baze koje omogućavaju stvaranje vodikovih veza u paru purina i pirimidina. Postoje dvije veze između A i T, a tri između G i C. Ove veze obezbeđuju delimičnu stabilizaciju DNK molekula u svemiru. Stabilnost dvostruke spirale je direktno proporcionalna broju G≡C veza, koje su stabilnije u odnosu na A=T veze.

Poznata sekvenca rasporeda nukleotida u jednom lancu DNK omogućava da se, po principu komplementarnosti, uspostave nukleotidi drugog lanca.

Osim toga, utvrđeno je da se dušične baze koje imaju aromatičnu strukturu u vodenom rastvoru nalaze jedna iznad druge, tvoreći, takoreći, hrpu novčića. Ovaj proces formiranja naslaga organskih molekula naziva se slaganje. Polinukleotidni lanci molekule DNK Watson-Crickovog modela koji se razmatra imaju slično fizičko-hemijsko stanje, njihove azotne baze su raspoređene u obliku hrpe novčića, između čijih ravnina nastaju van der Waalsove interakcije (interakcije slaganja).

Vodikove veze između komplementarnih baza (horizontalno) i interakcije slaganja između ravni baza u polinukleotidnom lancu zbog van der Waalsovih sila (vertikalno) pružaju molekuli DNK dodatnu stabilizaciju u prostoru.

Šećerno-fosfatne okosnice oba lanca okrenute su prema van, a baze okrenute prema unutra, jedna prema drugoj. Smjer lanaca u DNK je antiparalelan (jedan od njih ima smjer 5"->3, drugi - 3"->5", tj. kraj od 3" jednog lanca nalazi se nasuprot kraju od 5" drugi.). Lanci formiraju desne spirale sa zajedničkom osom. Jedan zavoj spirale je 10 nukleotida, veličina zavoja je 3,4 nm, visina svakog nukleotida je 0,34 nm, prečnik spirale je 2,0 nm. Kao rezultat rotacije jednog lanca oko drugog, formiraju se glavni žljeb (oko 20 Å u prečniku) i manji žleb (oko 12 Å u prečniku) dvostruke spirale DNK. Ovaj oblik Watson-Crickove dvostruke spirale kasnije je nazvan B-oblik. U ćelijama DNK obično postoji u B obliku, koji je najstabilniji.

Funkcije DNK

Predloženi model je objasnio mnoge biološka svojstva dezoksiribonukleinska kiselina, uključujući skladištenje genetskih informacija i raznolikost gena koju osigurava široka lepeza uzastopnih kombinacija od 4 nukleotida i činjenica postojanja genetskog koda, sposobnost samoreprodukcije i prijenosa genetskih informacija dobivenih replikacijom proces, te implementacija genetske informacije u obliku proteina, kao i svih drugih spojeva nastalih uz pomoć proteina enzima.

Osnovne funkcije DNK.

1. DNK je nosilac genetske informacije, što je osigurano činjenicom postojanja genetskog koda.
2. Reprodukcija i prijenos genetskih informacija kroz generacije ćelija i organizama. Ovu funkcionalnost osigurava proces replikacije.
3. Implementacija genetskih informacija u obliku proteina, kao i svih drugih spojeva formiranih uz pomoć proteina enzima. Ovu funkciju pružaju procesi transkripcije i prevođenja.

Oblici organizacije dvolančane DNK

DNK može formirati nekoliko tipova dvostrukih spirala (slika 4). Trenutno je već poznato šest oblika (od A do E i Z-forme).

Strukturni oblici DNK, kako je ustanovila Rosalind Franklin, zavise od zasićenosti molekula nukleinske kiseline vodom. U studijama DNK vlakana uz pomoć rendgenske difrakcijske analize, pokazalo se da rendgenski uzorak radikalno zavisi od relativne vlažnosti pri kojem stepenu zasićenosti vodom ovog vlakna se eksperiment odvija. Ako je vlakno bilo dovoljno zasićeno vodom, tada se dobija jedna radiografija. Kada se osušio, pojavio se potpuno drugačiji rendgenski uzorak, vrlo različit od rendgenskog uzorka vlakana visoke vlage.

Molekul DNK visoke vlažnosti naziva se B-oblik. U fiziološkim uslovima (niska koncentracija soli, visok stepen hidratacije), dominantan strukturni tip DNK je B-oblik (glavni oblik dvolančane DNK - Watson-Crick model). Korak spirale takvog molekula je 3,4 nm. Postoji 10 komplementarnih parova po okretu u obliku upletenih hrpa "kovanica" - azotnih baza. Hrpe se drže zajedno vodoničnim vezama između dva suprotna „kovačića“ naslaga, a „namotane“ su pomoću dvije trake fosfodiestarske kičme uvijene u desnu spiralu. Ravnine azotnih baza su okomite na osu spirale. Susedni komplementarni parovi su rotirani jedan u odnosu na drugi za 36°. Prečnik spirale je 20Å, sa purinskim nukleotidom 12Å i pirimidinskim 8Å.

Molekul DNK niže vlažnosti naziva se A-oblik. A-oblik nastaje u uslovima manje visoke hidratacije i pri većem sadržaju Na+ ili K+ jona. Ova šira desna spiralna konformacija ima 11 parova baza po okretu. Ravnine azotnih baza imaju jači nagib prema osi heliksa, odstupaju od normale na os heliksa za 20°. To implicira prisustvo unutrašnje praznine prečnika 5Å. Udaljenost između susjednih nukleotida je 0,23 nm, dužina zavoja je 2,5 nm, a promjer spirale je 2,3 nm.

U početku se smatralo da je A oblik DNK manje važan. Međutim, kasnije je postalo jasno da A-forma DNK, kao i B-oblika, ima ogroman biološki značaj. Heliks RNA-DNK u kompleksu šablon-prajmer ima A-oblik, kao i RNA-RNA spiralu i RNA ukosne strukture (2'-hidroksilna grupa riboze sprečava molekule RNK da formiraju B-oblik). A-oblik DNK nalazi se u sporama. Utvrđeno je da je A-oblik DNK 10 puta otporniji na UV zrake od B-oblika.

A-oblik i B-oblik se nazivaju kanonskim oblicima DNK.

Obrasci C-E takođe dešnjaci, njihovo formiranje se može posmatrati samo u posebnim eksperimentima, i, očigledno, ne postoje in vivo. C oblik DNK ima strukturu sličnu B DNK. Broj parova baza po zavoju je 9,33, dužina zavoja heliksa je 3,1 nm. Parovi baza su nagnuti pod uglom od 8 stepeni u odnosu na okomitu poziciju na osu. Žljebovi su slične veličine žljebovima B-DNK. U ovom slučaju glavni žlijeb je nešto plići, a manji žljeb dublji. Prirodni i sintetički DNK polinukleotidi mogu se transformirati u C-oblik.

Tabela 1. Karakteristike nekih tipova DNK struktura
Spiralni tip	A	B	Z
Spiral pitch	0,32 nm	3,38 nm	4,46 nm
Spiral twist	U redu	U redu	lijevo
Broj parova baza po okretu	11	10	12
Udaljenost između osnovnih ravnina	0,256 nm	0,338 nm	0,371 nm
Konformacija glikozidne veze	anti	anti	anti-C sin-G
Konformacija furanoznog prstena	C3"-endo	C2"-endo	C3"-endo-G C2"-endo-C
Širina utora, mala/velika	1,11/0,22 nm	0,57/1,17 nm	0,2/0,88 nm
Dubina utora, mala/velika	0,26/1,30 nm	0,82/0,85 nm	1,38/0,37 nm
Prečnik spirale	2,3 nm	2,0 nm	1,8 nm

Strukturni elementi DNK
(nekanonske strukture DNK)

Strukturni elementi DNK uključuju neobične strukture ograničene nekim posebnim sekvencama:

Z-oblika DNK - formira se na mjestima B-forme DNK, gdje se purini izmjenjuju sa pirimidinima ili u ponavljanjima koja sadrže metilirani citozin. Palindromi su obrnuti nizovi, obrnuti ponavljanja baznih sekvenci koje imaju simetriju drugog reda u odnosu na dva lanca DNK i formiraju "ukosnice" i "križeve". H-oblik DNK i DNK trostruke spirale nastaju kada postoji dio koji sadrži samo purine u jednom lancu normalnog Watson-Crickovog dupleksa, au drugom lancu komplementarne njima pirimidine. G-kvadrupleks (G-4) je četverolančana spirala DNK, gdje 4 gvaninske baze iz različitih lanaca formiraju G-kvartete (G-tetrade), koje se drže zajedno vodoničnim vezama kako bi formirale G-kvadruplekse.

DNK u obliku slova Z otkriven je 1979. godine tokom proučavanja heksanukleotida d(CG)3 -. Otkrili su ga MIT profesor Alexander Rich i njegove kolege. Z-oblik je postao jedan od najvažnijih strukturnih elemenata DNK zbog činjenice da je njegovo formiranje uočeno u DNK regijama gdje se purini izmjenjuju s pirimidinima (na primjer, 5'-GCGCGC-3'), ili u ponavljanjima 5 '-CGCGCG-3' koji sadrži metilovani citozin. Bitan uslov za formiranje i stabilizaciju Z-DNK bilo je prisustvo purinskih nukleotida u njoj u sin konformaciji, naizmjenično sa pirimidinskim bazama u anti konformaciji.

Prirodni molekuli DNK uglavnom postoje u desnorukom B-obliku osim ako ne sadrže sekvence poput (CG)n. Međutim, ako su takve sekvence dio DNK, onda ovi dijelovi, kada se promijeni ionska snaga otopine ili kationa koji neutraliziraju negativni naboj na fosfodiesterskom okviru, ovi dijelovi se mogu transformirati u Z-oblik, dok ostali dijelovi DNK u lanac ostaje u klasičnom B obliku. Mogućnost takvog prijelaza ukazuje na to da su dva lanca u dvostrukoj spirali DNK u dinamičkom stanju i da se mogu odmotati jedan u odnosu na drugi, prelazeći iz desnog oblika u lijevu formu i obrnuto. Biološke posljedice takve labilnosti, koja omogućava konformacijske transformacije strukture DNK, još uvijek nisu u potpunosti shvaćene. Vjeruje se da dijelovi Z-DNK igraju određenu ulogu u regulaciji ekspresije određenih gena i učestvuju u genetskoj rekombinaciji.

Z-oblik DNK je lijeva dvostruka spirala u kojoj je fosfodiesterska kičma smještena u cik-cak uzorku duž ose molekule. Otuda i naziv molekula (cik-cak)-DNK. Z-DNK je najmanje uvrnuta (12 parova baza po okretu) i najtanja DNK poznata u prirodi. Udaljenost između susjednih nukleotida je 0,38 nm, dužina zavoja je 4,56 nm, a prečnik Z-DNK je 1,8 nm. osim toga, izgled Ovaj molekul DNK odlikuje se prisustvom jednog žlijeba.

Z oblik DNK je pronađen u prokariotskim i eukariotskim ćelijama. Sada su dobijena antitijela koja mogu razlikovati Z-oblik od B-oblika DNK. Ova antitela se vezuju za određene regione ogromnih hromozoma ćelija pljuvačne žlezde Drosophile (Dr. melanogaster). Reakciju vezivanja je lako pratiti zbog neobične strukture ovih hromozoma, u kojoj gušće regije (diskovi) u kontrastu s manje gustim regijama (interdiskovi). Z-DNK regioni se nalaze u interdiskovima. Iz ovoga proizilazi da Z-oblik zapravo postoji u prirodnim uvjetima, iako su veličine pojedinih dijelova Z-oblike još uvijek nepoznate.

(invertori) su najpoznatije i najčešće prisutne bazne sekvence u DNK. Palindrom je riječ ili fraza koja se čita isto s lijeva na desno i obrnuto. Primjeri takvih riječi ili fraza su: KOLIBA, KOZAK, POPLAVA I RUŽA JE PALA NA AZOROVU ŠAPU. Kada se primjenjuje na dijelove DNK, ovaj termin (palindrom) označava istu izmjenu nukleotida duž lanca s desna na lijevo i s lijeva na desno (kao slova u riječi "koliba" itd.).

Palindrom je karakteriziran prisustvom invertiranih ponavljanja baznih sekvenci koje imaju simetriju drugog reda u odnosu na dva lanca DNK. Takve sekvence su, iz očiglednih razloga, samokomplementarne i imaju tendenciju formiranja ukosnih ili krstastih struktura (Sl.). Ukosnice pomažu regulatornim proteinima da prepoznaju gdje je kopiran genetski tekst hromozomske DNK.

Kada je obrnuti ponavljanje prisutan na istom lancu DNK, sekvenca se naziva zrcalno ponavljanje. Ponavljanja ogledala nemaju svojstva samokomplementarnosti i stoga nisu u stanju da formiraju ukosne ili kruciformne strukture. Sekvence ovog tipa nalaze se u gotovo svim velikim molekulima DNK i mogu se kretati od samo nekoliko parova baza do nekoliko hiljada parova baza.

Prisustvo palindroma u obliku kruciformnih struktura u eukariotskim ćelijama nije dokazano, iako je određeni broj kruciformnih struktura otkriven in vivo u ćelijama E. coli. Prisustvo samokomplementarnih sekvenci u RNK ili jednolančanoj DNK glavni je razlog savijanja lanca nukleinske kiseline u rastvorima u određenu prostornu strukturu, koju karakteriše formiranje mnogih „ukosnica“.

H-oblika DNK je spirala formirana od tri lanca DNK - trostruka spirala DNK. To je kompleks Watson-Crickove dvostruke spirale sa trećim jednolančanim DNK lancem, koji se uklapa u svoj glavni žljeb, formirajući takozvani Hoogsteen par.

Formiranje takvog tripleksa događa se kao rezultat savijanja dvostruke spirale DNK na način da polovina njegovog dijela ostaje u obliku dvostruke spirale, a druga polovina je odvojena. U ovom slučaju, jedna od nepovezanih spirala tvori novu strukturu s prvom polovinom dvostruke spirale - trostruku spiralu, a druga se ispostavi da je nestrukturirana, u obliku jednolančane sekcije. Karakteristika ovog strukturnog prijelaza je njegova oštra ovisnost o pH medija, čiji protoni stabiliziraju novu strukturu. Zbog ove karakteristike nova struktura je nazvan H-oblik DNK, čije je formiranje otkriveno u supersmotanim plazmidima koji sadrže homopurin-homopirimidinske regije, koje su zrcalno ponavljanje.

U daljnjim istraživanjima ustanovljeno je da je moguće izvršiti strukturnu tranziciju nekih homopurin-homopirimidin dvolančanih polinukleotida sa formiranjem trolančane strukture koja sadrži:

• jedan homopurinski i dva homopirimidinska lanca ( Py-Pu-Py triplex) [Hoogsteen interakcija].

  Sastavni blokovi Py-Pu-Py tripleksa su kanonske izomorfne CGC+ i TAT trijade. Za stabilizaciju tripleksa potrebna je protonacija CGC+ trijade, tako da ovi tripleksi zavise od pH rastvora.

• jedan homopirimidin i dva homopurinska lanca ( Py-Pu-Pu triplex) [inverzna Hoogsteenova interakcija].

  Sastavni blokovi Py-Pu-Pu tripleksa su kanonske izomorfne CGG i TAA trijade. Bitno svojstvo Py-Pu-Pu tripleksa je zavisnost njihove stabilnosti od prisustva dvostruko nabijenih jona, a za stabilizaciju tripleksa različitih sekvenci potrebni su različiti ioni. Budući da formiranje Py-Pu-Pu tripleksa ne zahtijeva protoniranje njihovih sastavnih nukleotida, takvi tripleksi mogu postojati pri neutralnom pH.

  Napomena: direktne i reverzne Hoogsteen interakcije se objašnjavaju simetrijom 1-metiltimina: rotacija od 180° dovodi do toga da atom O2 zauzima mjesto atoma O4, dok je sistem vodoničnih veza očuvan.

Poznata su dva tipa trostrukih spirala:

1. paralelne trostruke spirale u kojima se polaritet trećeg lanca poklapa sa polaritetom homopurinskog lanca Watson-Crickovog dupleksa
2. antiparalelne trostruke spirale, u kojima su polaritet trećeg i homopurinskog lanca suprotni.

Hemijski homologni lanci u Py-Pu-Pu i Py-Pu-Py tripleksima su u antiparalelnoj orijentaciji. Ovo je dalje potvrđeno podacima NMR spektroskopije.

G-kvadrupleks- 4-lančani DNK. Ova struktura nastaje ako postoje četiri guanina, koji formiraju takozvani G-kvadrupleks - okrugli ples od četiri guanina.

Prvi nagovještaji mogućnosti formiranja takvih struktura dobili su mnogo prije probojnog rada Watsona i Cricka - davne 1910. godine. Tada je njemački hemičar Ivar Bang otkrio da jedna od komponenti DNK - gvanozinska kiselina - formira gelove u visokim koncentracijama, dok druge komponente DNK nemaju ovo svojstvo.

Godine 1962. metodom difrakcije rendgenskih zraka bilo je moguće utvrditi ćelijsku strukturu ovog gela. Ispostavilo se da se sastoji od četiri ostatka gvanina, koji se međusobno povezuju u krug i formiraju karakterističan kvadrat. U centru vezu podržava jon metala (Na, K, Mg). Iste strukture se mogu formirati u DNK ako sadrži puno gvanina. Ovi ravni kvadrati (G-kvarteti) su naslagani da formiraju prilično stabilne, guste strukture (G-kvadrupleksi).

Četiri odvojena lanca DNK mogu se utkati u četverolančane komplekse, ali ovo je prilično izuzetak. Češće se jedan lanac nukleinske kiseline jednostavno veže u čvor, formirajući karakteristična zadebljanja (na primjer, na krajevima hromozoma), ili dvolančana DNK na nekoj regiji bogatoj gvaninom formira lokalni kvadrupleks.

Najviše je proučavano postojanje kvadrupleksa na krajevima hromozoma - na telomerima i u tumorskim promotorima. Međutim, potpuna slika lokalizacije takve DNK u ljudskim hromozomima još uvijek nije poznata.

Sve ove neobične strukture DNK u linearnom obliku su nestabilne u poređenju sa B-formom DNK. Međutim, DNK često postoji u kružnom obliku topološke napetosti kada ima ono što se naziva supersmotanjem. Pod ovim uslovima lako se formiraju nekanonske DNK strukture: Z-oblici, „križevi” i „ukosnice”, H-oblici, gvaninski kvadrupleksi i i-motiv.

• Superzamotani oblik – primećuje se kada se oslobodi iz jezgra ćelije bez oštećenja pentozofosfatne kičme. Ima oblik super-upletenih zatvorenih prstenova. U supernamotanom stanju, dvostruka spirala DNK se barem jednom „uvrće u sebe“, odnosno sadrži najmanje jedan superokret (poprimi oblik osmice).
• Opušteno stanje DNK - posmatrano sa jednim prekidom (prekid jednog lanca). U ovom slučaju, superzavojnice nestaju i DNK poprima oblik zatvorenog prstena.
• Linearni oblik DNK se opaža kada su dva lanca dvostruke spirale prekinuta.

Sva tri ova oblika DNK lako se odvajaju gel elektroforezom.

Tercijarna struktura DNK

Tercijarna struktura DNK nastaje kao rezultat dodatnog uvijanja u prostoru dvostruke spiralne molekule - njenog supersmotanja. Supersmotavanje molekula DNK u eukariotskim ćelijama, za razliku od prokariota, javlja se u obliku kompleksa sa proteinima.

Gotovo sav DNK eukariota nalazi se u hromozomima jezgara; samo mala količina sadržana je u mitohondrijima, a u biljkama u plastidima. Glavna tvar hromozoma eukariotskih ćelija (uključujući ljudske hromozome) je kromatin, koji se sastoji od dvolančane DNK, histona i nehistonskih proteina.

Proteini histonskog hromatina

Histoni su jednostavni proteini koji čine do 50% hromatina. U svim proučavanim životinjskim i biljnim ćelijama pronađeno je pet glavnih klasa histona: H1, H2A, H2B, H3, H4, koji se razlikuju po veličini, sastavu aminokiselina i naboju (uvijek pozitivno).

Histon H1 sisara sastoji se od jednog polipeptidnog lanca koji sadrži približno 215 aminokiselina; veličine ostalih histona variraju od 100 do 135 aminokiselina. Svi su spiralizirani i uvijeni u globulu prečnika oko 2,5 nm, a sadrže neobično veliku količinu pozitivno nabijenih aminokiselina lizina i arginina. Histoni mogu biti acetilirani, metilirani, fosforilirani, poli(ADP)-ribozilirani, a histoni H2A i H2B su kovalentno vezani za ubikvitin. Uloga takvih modifikacija u formiranju strukture i obavljanju funkcija histona još nije u potpunosti razjašnjena. Pretpostavlja se da je to njihova sposobnost da komuniciraju sa DNK i obezbede jedan od mehanizama za regulaciju delovanja gena.

Histoni komuniciraju sa DNK uglavnom putem jonske veze(slani mostovi) formirani između negativno nabijenih fosfatnih grupa DNK i pozitivno nabijenih lizinskih i argininskih ostataka histona.

Nehistonski hromatinski proteini

Nehistonski proteini, za razliku od histona, veoma su raznoliki. Izolovano je do 590 različitih frakcija nehistonskih proteina koji se vezuju za DNK. Nazivaju se i kiselim proteinima, jer njihovom strukturom dominiraju kisele aminokiseline (oni su polianioni). Raznolikost nehistonskih proteina povezana je sa specifičnom regulacijom aktivnosti hromatina. Na primjer, enzimi potrebni za replikaciju i ekspresiju DNK mogu se privremeno vezati za kromatin. Drugi proteini, recimo, oni koji su uključeni u različite regulatorne procese, vezuju se za DNK samo u određenim tkivima ili u određenim fazama diferencijacije. Svaki protein je komplementaran specifičnoj sekvenci DNK nukleotida (DNK mjesto). Ova grupa uključuje:

• porodica proteina cinkovog prsta specifičnih za lokaciju. Svaki „cink prst“ prepoznaje određeno mjesto koje se sastoji od 5 parova nukleotida.
• porodica proteina specifičnih za lokaciju - homodimeri. Fragment takvog proteina u kontaktu s DNK ima strukturu spirala-zavoj-heliks.
• gel proteini visoke pokretljivosti (HMG proteini) su grupa strukturnih i regulatornih proteina koji su stalno povezani sa hromatinom. Oni imaju molekularna težina manje od 30 kD i karakteriše ih visok sadržaj nabijenih aminokiselina. Zbog svoje male molekularne težine, HMG proteini imaju veliku pokretljivost tokom elektroforeze u poliakrilamidnom gelu.
• enzimi replikacije, transkripcije i popravke.

Uz učešće strukturnih, regulatornih proteina i enzima uključenih u sintezu DNK i RNK, nit nukleosoma se pretvara u visoko kondenzovani kompleks proteina i DNK. Dobivena struktura je 10.000 puta kraća od originalne DNK molekule.

hromatin

Kromatin je kompleks proteina s nuklearnom DNK i neorganske supstance. Većina hromatina je neaktivna. Sadrži čvrsto zbijenu, kondenzovanu DNK. Ovo je heterohromatin. Postoje konstitutivni, genetski neaktivni hromatin (satelitska DNK) koji se sastoje od neizraženih regiona, i fakultativni - neaktivni u nizu generacija, ali pod određenim okolnostima sposoban za ekspresiju.

Aktivni hromatin (euhromatin) je nekondenzovan, tj. manje zbijeno. IN različite ćelije njegov sadržaj se kreće od 2 do 11%. U ćelijama mozga ga ima najviše - 10-11%, u ćelijama jetre - 3-4 i ćelijama bubrega - 2-3%. Uočena je aktivna transkripcija euhromatina. Štaviše, njegova strukturna organizacija omogućava da se iste genetske informacije o DNK svojstvene određenom tipu organizma koriste drugačije u specijalizovanim ćelijama.

U elektronskom mikroskopu, slika hromatina podsjeća na perle: sferna zadebljanja veličine oko 10 nm, odvojena mostovima nalik na niti. Ova sferna zadebljanja nazivaju se nukleosomi. Nukleosom je strukturna jedinica hromatina. Svaki nukleosom sadrži supernamotani DNK segment od 146 bp koji formira 1,75 lijevog zavoja po nukleosomskom jezgru. Nukleosomsko jezgro je histonski oktamer koji se sastoji od histona H2A, H2B, H3 i H4, po dva molekula svakog tipa (slika 9), koji izgleda kao disk prečnika 11 nm i debljine 5,7 nm. Peti histon, H1, nije dio nukleozomskog jezgra i nije uključen u proces namotavanja DNK na histonski oktamer. Kontaktira DNK na mjestima gdje dvostruka spirala ulazi i izlazi iz nukleosomskog jezgra. To su intercore (linker) sekcije DNK, čija dužina varira u zavisnosti od tipa ćelije od 40 do 50 parova nukleotida. Kao rezultat toga, dužina fragmenta DNK uključenog u nukleozome također varira (od 186 do 196 parova nukleotida).

Nukleozomi sadrže otprilike 90% DNK, a ostatak su linkeri. Vjeruje se da su nukleosomi fragmenti "tihog" kromatina, a linker je aktivan. Međutim, nukleosomi se mogu razviti i postati linearni. Nesavijeni nukleosomi su već aktivni kromatin. Ovo jasno pokazuje zavisnost funkcije od strukture. Može se pretpostaviti da što je više hromatina sadržano u globularnim nukleosomima, to je manje aktivan. Očigledno je da je u različitim stanicama nejednak udio kromatina u mirovanju povezan s brojem takvih nukleosoma.

Na elektronskim mikroskopskim fotografijama, u zavisnosti od uslova izolacije i stepena rastezanja, kromatin može izgledati ne samo kao duga nit sa zadebljanjima - „zrncima“ nukleozoma, već i kao kraća i gušća fibrila (vlakna) prečnika od 30 nm, čije se formiranje uočava tokom interakcije histona H1 vezanog za vezni region DNK i histona H3, što dovodi do dodatnog uvrtanja heliksa od šest nukleozoma po okretu kako bi se formirao solenoid prečnika 30 nm. U ovom slučaju, histonski protein može ometati transkripciju brojnih gena i tako regulirati njihovu aktivnost.

Kao rezultat interakcije DNK sa histonima opisanim gore, segment dvostruke spirale DNK od 186 parova baza prosječnog prečnika 2 nm i dužine 57 nm pretvara se u spiralu prečnika 10 nm i dužine 5 nm. Kada se ova spirala naknadno sabije u vlakno prečnika 30 nm, stepen kondenzacije se povećava još šest puta.

Konačno, pakovanje DNK dupleksa sa pet histona rezultira 50-strukom kondenzacijom DNK. Međutim, čak i tako visok stepen kondenzacija ne može objasniti skoro 50.000 - 100.000 puta zbijanje DNK u hromozomu metafaze. Nažalost, detalji daljnjeg pakiranja hromatina do metafaznog kromosoma još nisu poznati, tako da možemo samo razmotriti opšte karakteristike ovaj proces.

Nivoi zbijenosti DNK u hromozomima

Svaki molekul DNK je upakovan u poseban hromozom. Ljudske diploidne ćelije sadrže 46 hromozoma, koji se nalaze u ćelijskom jezgru. Ukupna dužina DNK svih hromozoma u ćeliji je 1,74 m, ali je prečnik jezgra u koji su hromozomi upakovani milionima puta manji. Takvo kompaktno pakovanje DNK u hromozomima i hromozomima u ćelijskom jezgru je obezbeđeno raznim histonskim i nehistonskim proteinima koji u određenoj sekvenci interaguju sa DNK (vidi gore). Zbijanje DNK u hromozomima omogućava smanjenje njenih linearnih dimenzija za približno 10.000 puta - otprilike od 5 cm do 5 mikrona. Postoji nekoliko nivoa zbijenosti (slika 10).

• Dvostruka spirala DNK je negativno nabijena molekula promjera 2 nm i dužine od nekoliko cm.
• nivo nukleozoma- hromatin u elektronskom mikroskopu izgleda kao lanac "perli" - nukleozoma - "na niti". Nukleosom je univerzalna strukturna jedinica koja se nalazi i u euhromatinu i u heterohromatinu, u interfaznom jezgru i metafaznim hromozomima.

  Nukleosomski nivo zbijenosti osiguravaju posebni proteini - histoni. Osam pozitivno nabijenih histonskih domena formiraju jezgro nukleozoma oko kojeg je namotana negativno nabijena DNK molekula. To daje skraćenje od 7 puta, dok se prečnik povećava sa 2 na 11 nm.

• nivo solenoida

  Solenoidni nivo organizacije hromozoma karakteriše se uvijanjem filamenta nukleosoma i formiranjem debljih fibrila prečnika 20-35 nm - solenoida ili superbida. Korak solenoida je 11 nm; ima oko 6-10 nukleozoma po okretu. Solenoidno pakovanje se smatra verovatnijim od superbid pakovanja, prema kojem je hromatinska fibrila prečnika 20-35 nm lanac granula, odnosno superbida, od kojih se svaki sastoji od osam nukleozoma. Na nivou solenoida, linearna veličina DNK se smanjuje za 6-10 puta, promjer se povećava na 30 nm.

• nivo petlje

  Nivo petlje osiguravaju DNK-vezujući proteini koji nisu specifični za histonsko mjesto, koji prepoznaju i vezuju se za specifične sekvence DNK, formirajući petlje od približno 30-300 kb. Petlja osigurava ekspresiju gena, tj. petlja nije samo strukturna, već i funkcionalna formacija. Skraćivanje na ovom nivou se dešava 20-30 puta. Prečnik se povećava na 300 nm. U citološkim preparatima mogu se vidjeti strukture u obliku petlje, poput „četkica lampe“ u oocitima vodozemaca. Čini se da su ove petlje superzamotane i predstavljaju domene DNK, vjerovatno koje odgovaraju jedinicama transkripcije i replikacije hromatina. Specifični proteini fiksiraju baze petlji i, moguće, neke od njihovih unutrašnjih dijelova. Organizacija domena nalik petlji promovira savijanje hromatina u metafaznim hromozomima u spiralne strukture višeg reda.

• nivo domena

  Nivo domena organizacije hromozoma nije dovoljno proučavan. Na ovom nivou uočava se formiranje domena petlje - strukture niti (vlakna) debljine 25-30 nm, koje sadrže 60% proteina, 35% DNK i 5% RNK, praktično su nevidljive u svim fazama ćelijskog ciklusa sa izuzetak mitoze i donekle su nasumično raspoređeni po ćelijskom jezgru. U citološkim preparatima mogu se vidjeti strukture u obliku petlje, poput „četkica lampe“ u oocitima vodozemaca.

  Domeni petlje su vezani na svojoj bazi za intranuklearni proteinski matriks na takozvanim ugrađenim mjestima vezivanja, koji se često nazivaju MAR/SAR sekvence (MAR, iz engleskog matriks povezanog regiona; SAR, iz engleskog područja vezanja skele) - DNK fragmenti dužine nekoliko stotina parova baza koje karakteriše visok sadržaj (>65%) A/T nukleotidnih parova. Čini se da svaka domena ima jedno porijeklo replikacije i funkcionira kao autonomna superhelikalna jedinica. Bilo koja domena petlje sadrži mnogo transkripcionih jedinica čije je funkcionisanje vjerovatno koordinisano - cijeli domen je ili u aktivnom ili neaktivnom stanju.

  Na nivou domena, kao rezultat sekvencijalnog pakovanja hromatina, dolazi do smanjenja linearnih dimenzija DNK za približno 200 puta (700 nm).

• hromozomskom nivou

  Na hromozomskom nivou, kondenzacija hromozoma profaze u metafazni hromozom se dešava sa zbijanjem domena petlje oko aksijalnog okvira nehistonskih proteina. Ovo supersmotanje je praćeno fosforilacijom svih H1 molekula u ćeliji. Kao rezultat toga, metafazni hromozom se može prikazati kao gusto zbijene solenoidne petlje, umotane u čvrstu spiralu. Tipični ljudski hromozom može sadržavati do 2.600 petlji. Debljina takve strukture dostiže 1400 nm (dvije hromatide), a molekula DNK se skraćuje 104 puta, tj. od 5 cm rastegnute DNK do 5 µm.

Funkcije hromozoma

U interakciji sa ekstrahromozomskim mehanizmima, hromozomi obezbeđuju

1. pohranjivanje nasljednih informacija
2. koristeći ove informacije za stvaranje i održavanje ćelijske organizacije
3. regulisanje čitanja nasljednih informacija
4. samoumnožavanje genetskog materijala
5. transfer genetskog materijala sa ćelije majke na ćelije kćeri.

Postoje dokazi da kada se aktivira regija hromatina, tj. tokom transkripcije, prvo histon H1, a zatim histonski oktet se reverzibilno uklanjaju iz njega. To uzrokuje dekondenzaciju hromatina, sekvencijalni prijelaz 30-nm hromatinske fibrile u 10-nm fibril i njeno dalje odvijanje u dijelove slobodne DNK, tj. gubitak strukture nukleozoma.

Desno je najveća spirala ljudske DNK, izgrađena od ljudi na plaži u Varni (Bugarska), uvrštena u Ginisovu knjigu rekorda 23. aprila 2016.

Dezoksiribonukleinska kiselina. Opće informacije

DNK (deoksiribonukleinska kiselina) je svojevrsni plan za život, složeni kod koji sadrži podatke o nasljednim informacijama. Ova složena makromolekula je sposobna pohranjivati ​​i prenositi nasljedne genetske informacije s generacije na generaciju. DNK određuje svojstva svakog živog organizma kao što su nasljednost i varijabilnost. Informacije koje su u njemu kodirane postavljaju cjelokupni razvojni program bilo kojeg živog organizma. Genetski uvjetovani faktori predodređuju cjelokupni tok života kako čovjeka tako i svakog drugog organizma. Veštački ili prirodni uticaji spoljašnje sredine mogu samo neznatno uticati na ukupnu ekspresiju individualnih genetskih osobina ili uticati na razvoj programiranih procesa.

Dezoksiribonukleinska kiselina(DNK) je makromolekula (jedna od tri glavna, druga dva su RNK i proteini) koja osigurava skladištenje, prijenos s generacije na generaciju i implementaciju genetskog programa za razvoj i funkcioniranje živih organizama. DNK sadrži informacije o strukturi različitih tipova RNK i proteina.

U eukariotskim ćelijama (životinje, biljke i gljive) DNK se nalazi u jezgri ćelije kao dio hromozoma, kao iu nekim ćelijskim organelama (mitohondrije i plastide). U ćelijama prokariotskih organizama (bakterija i arheja) kružna ili linearna molekula DNK, takozvani nukleoid, vezan je iznutra za ćelijsku membranu. U njima i nižim eukariotima (na primjer, kvasac), također se nalaze mali autonomni, pretežno kružni molekuli DNK koji se nazivaju plazmidi.

Sa hemijske tačke gledišta, DNK je duga polimerna molekula koja se sastoji od blokova koji se ponavljaju zvani nukleotidi. Svaki nukleotid se sastoji od azotne baze, šećera (deoksiriboze) i fosfatne grupe. Veze između nukleotida u lancu nastaju zbog deoksiriboze ( WITH) i fosfat ( F) grupe (fosfodiestarske veze).

Rice. 2. Nukleotid se sastoji od azotne baze, šećera (deoksiriboze) i fosfatne grupe

U velikoj većini slučajeva (osim nekih virusa koji sadrže jednolančanu DNK), makromolekula DNK se sastoji od dva lanca orijentirana azotnim bazama jedan prema drugom. Ovaj dvolančani molekul je uvijen duž spirale.

Postoje četiri vrste azotnih baza koje se nalaze u DNK (adenin, gvanin, timin i citozin). Dušične baze jednog od lanaca povezane su sa dušičnim bazama drugog lanca vodoničnim vezama prema principu komplementarnosti: adenin se kombinuje samo sa timinom ( A-T), gvanin - samo sa citozinom ( G-C). Upravo ovi parovi čine „prečke“ DNK spiralnog „stepeništa“ (vidi: slike 2, 3 i 4).

Rice. 2. Azotne baze

Niz nukleotida vam omogućava da "kodirate" informacije o različitim tipovima RNK, od kojih su najvažniji glasnik ili šablon (mRNA), ribosomalna (rRNA) i transportna (tRNA). Sve ove vrste RNK se sintetišu na DNK šablonu kopiranjem DNK sekvence u RNK sekvencu sintetizovanu tokom transkripcije i učestvuju u biosintezi proteina (proces translacije). Osim kodirajućih sekvenci, ćelijska DNK sadrži sekvence koje obavljaju regulatorne i strukturne funkcije.

Rice. 3. Replikacija DNK

Lokacija osnovnih kombinacija hemijska jedinjenja DNK i kvantitativni odnosi između ovih kombinacija daju kodiranje nasljednih informacija.

Obrazovanje nova DNK (replikacija)

1. Proces replikacije: odmotavanje dvostruke spirale DNK - sinteza komplementarnih lanaca pomoću DNK polimeraze - formiranje dva molekula DNK iz jednog.
2. Dvostruka spirala se "otključa" u dvije grane kada enzimi razbiju vezu između osnovnih parova kemijskih spojeva.
3. Svaka grana je element nove DNK. Novi bazni parovi se povezuju istim redoslijedom kao u roditeljskoj grani.

Po završetku duplikacije formiraju se dvije nezavisne spirale, stvorene od kemijskih spojeva roditeljske DNK i imaju isti genetski kod. Na taj način DNK je u stanju da prenosi informacije od ćelije do ćelije.

Detaljnije informacije:

STRUKTURA NUKLEINSKIH KISELINE

Rice. 4 . Azotne baze: adenin, gvanin, citozin, timin

Dezoksiribonukleinska kiselina(DNK) se odnosi na nukleinske kiseline. Nukleinske kiseline su klasa nepravilnih biopolimera čiji su monomeri nukleotidi.

NUKLEOTIDI sastoji se od azotna baza, povezan sa petougljičnim hidratom (pentozom) - deoksiriboza(u slučaju DNK) ili riboza(u slučaju RNK), koji se kombinuje sa ostatkom fosforne kiseline (H 2 PO 3 -).

Azotne baze Postoje dvije vrste: pirimidinske baze - uracil (samo u RNK), citozin i timin, purinske baze - adenin i gvanin.

Rice. 5. Struktura nukleotida (lijevo), lokacija nukleotida u DNK (dolje) i vrste azotnih baza (desno): pirimidin i purin

Atomi ugljika u molekuli pentoze označeni su brojevima od 1 do 5. Fosfat se spaja s trećim i petim atomom ugljika. Tako se nukleinotidi spajaju u lanac nukleinske kiseline. Dakle, možemo razlikovati 3' i 5' krajeve DNK lanca:

Rice. 6. Izolacija 3' i 5' krajeva DNK lanca

Formiraju se dva lanca DNK dvostruka spirala. Ovi lanci u spirali su orijentisani u suprotnim smjerovima. U različitim lancima DNK, azotne baze su međusobno povezane vodonične veze. Adenin je uvijek u paru sa timinom, a citozin uvijek u paru sa gvaninom. To se zove pravilo komplementarnosti(cm. princip komplementarnosti).

Pravilo komplementarnosti:

A-T G-C

Na primjer, ako nam se da lanac DNK sa sekvencom

3’- ATGTCCTAGCTGCTCG - 5’,

tada će mu drugi lanac biti komplementaran i usmjeren u suprotnom smjeru - od kraja 5’ do kraja 3’:

5'- TACAGGATCGACGAGC- 3'.

Rice. 7. Smjer lanaca molekule DNK i veza azotnih baza pomoću vodikovih veza

DNK REPLIKACIJA

DNK replikacija je proces udvostručavanja molekule DNK kroz sintezu šablona. U većini slučajeva prirodna replikacija DNKprajmerza sintezu DNK je kratki fragment (rekreirano). Takav ribonukleotidni prajmer stvara enzim primaza (DNK primaza kod prokariota, DNK polimeraza kod eukariota), a zatim ga zamjenjuje deoksiribonukleotidna polimeraza, koja normalno obavlja funkcije popravke (ispravlja kemijska oštećenja i lomove u molekuli DNK).

Replikacija se odvija prema polukonzervativnom mehanizmu. To znači da se dvostruka spirala DNK odmotava i na svakom njenom lancu se gradi novi lanac prema principu komplementarnosti. Molekul DNK kćeri tako sadrži jedan lanac iz matičnog molekula i jedan novosintetizirani. Replikacija se događa u smjeru od 3' do 5' kraja matične niti.

Rice. 8. Replikacija (udvostručavanje) molekula DNK

DNK sinteza- ovo nije tako komplikovan proces kao što se na prvi pogled čini. Ako razmislite o tome, prvo morate shvatiti šta je sinteza. Ovo je proces spajanja nečega u jednu cjelinu. Formiranje nove molekule DNK odvija se u nekoliko faza:

1) DNK topoizomeraza, koja se nalazi ispred viljuške za replikaciju, seče DNK kako bi olakšala njeno odmotavanje i odmotavanje.
2) DNK helikaza, nakon topoizomeraze, utiče na proces „raspletanja“ spirale DNK.
3) Proteini koji se vezuju za DNK vezuju lance DNK i takođe ih stabilizuju, sprečavajući da se lepe jedan za drugi.
4) DNK polimeraza δ(delta) , usklađen sa brzinom kretanja viljuške za replikaciju, vrši sintezuvodećilancima podružnica DNK u smjeru 5"→3" na matrici majčinski DNK lanci u pravcu od njenog kraja od 3" do kraja od 5" (brzina do 100 parova nukleotida u sekundi). Ovi događaji na ovome majčinski DNK lanci su ograničeni.

Rice. 9. Šematski prikaz procesa replikacije DNK: (1) Zaostali lanac (lagging lanac), (2) Vodeći lanac (vodeći lanac), (3) DNK polimeraza α (Polα), (4) DNK ligaza, (5) RNK -prajmer, (6) primaza, (7) Okazaki fragment, (8) DNK polimeraza δ (Polδ), (9) helikaza, (10) jednolančani DNK-vezujući proteini, (11) topoizomeraza.

Sinteza zaostalog lanca kćerke DNK opisana je u nastavku (vidi. Šema viljuška replikacije i funkcije enzima replikacije)

Za više informacija o replikaciji DNK, pogledajte

5) Odmah nakon što se drugi lanac matične molekule rasplete i stabilizira, on se zakači za njegaDNK polimeraza α(alfa)a u pravcu 5"→3" sintetiše prajmer (RNA prajmer) - RNA sekvencu na DNK šablonu dužine od 10 do 200 nukleotida. Nakon toga enzimuklonjen iz DNK lanca.

Umjesto DNK polimerazeα pričvršćen je na 3" kraj prajmera DNK polimerazaε .

6) DNK polimerazaε (epsilon) izgleda da nastavlja da produžava prajmer, ali ga ubacuje kao podlogudeoksiribonukleotidi(u količini od 150-200 nukleotida). Kao rezultat toga, jedna nit se formira iz dva dijela -RNA(tj. prajmer) i DNK. DNK polimeraza εradi sve dok ne naiđe na prethodni prajmerfragment Okazakija(sintetizovano malo ranije). Nakon toga, ovaj enzim se uklanja iz lanca.

7) DNK polimeraza β(beta) stoji umjesto togaDNK polimeraza ε,kreće se u istom smjeru (5"→3") i uklanja prajmer ribonukleotide dok istovremeno ubacuje deoksiribonukleotide na njihovo mjesto. Enzim djeluje sve dok se prajmer potpuno ne ukloni, tj. sve do deoksiribonukleotida (još ranije sintetizovanogDNK polimeraza ε). Enzim nije u stanju da poveže rezultat svog rada sa DNK ispred, pa odlazi van lanca.

Kao rezultat toga, fragment kćerke DNK "leži" na matrici matičnog lanca. To se zovefragment Okazakija.

8) DNK ligaza umreži dva susedna fragmenti Okazakija , tj. 5" kraj sintetiziranog segmentaDNK polimeraza ε,i ugrađen lanac od 3" na krajuDNK polimerazaβ .

STRUKTURA RNK

Ribonukleinska kiselina(RNA) je jedna od tri glavne makromolekule (druge dvije su DNK i proteini) koje se nalaze u stanicama svih živih organizama.

Baš kao i DNK, RNK se sastoji od dugog lanca u kojem se naziva svaka karika nukleotida. Svaki nukleotid se sastoji od azotne baze, riboze šećera i fosfatne grupe. Međutim, za razliku od DNK, RNK obično ima jedan lanac, a ne dva. Pentoza u RNK je riboza, a ne deoksiriboza (riboza ima dodatnu hidroksilnu grupu na drugom atomu ugljikohidrata). Konačno, DNK se razlikuje od RNK po sastavu azotnih baza: umjesto timina ( T) RNK sadrži uracil ( U) , koji je takođe komplementaran adeninu.

Niz nukleotida omogućava RNK da kodira genetske informacije. Sve ćelijskih organizama koristite RNK (mRNA) za programiranje sinteze proteina.

Ćelijska RNK se proizvodi kroz proces tzv transkripcija , odnosno sinteza RNK na matrici DNK, koju provode posebni enzimi - RNA polimeraze.

Messenger RNA (mRNA) tada učestvuju u procesu tzv emitovanje, one. sinteza proteina na matriksu mRNA uz sudjelovanje ribozoma. Ostale RNK se nakon transkripcije podvrgavaju kemijskim modifikacijama, a nakon formiranja sekundarnih i tercijarnih struktura, obavljaju funkcije ovisno o vrsti RNK.

Rice. 10. Razlika između DNK i RNK u dušičnoj bazi: umjesto timina (T), RNK sadrži uracil (U), koji je također komplementaran adeninu.

TRANSKRIPCIJA

Ovo je proces sinteze RNK na DNK šablonu. DNK se odvija na jednom od mjesta. Jedan od lanaca sadrži informacije koje treba kopirati na molekulu RNK - ovaj lanac se naziva kodirajući lanac. Drugi lanac DNK, komplementaran onom kodirajućem, naziva se šablon. Tokom transkripcije, komplementarni lanac RNK se sintetiše na lancu šablona u smjeru 3’ - 5’ (duž lanca DNK). Ovo stvara RNA kopiju kodirajućeg lanca.

Rice. 11. Šematski prikaz transkripcije

Na primjer, ako nam je data sekvenca lanca kodiranja

3’- ATGTCCTAGCTGCTCG - 5’,

tada će, prema pravilu komplementarnosti, matrični lanac nositi sekvencu

5’- TACAGGATCGACGAGC- 3’,

a RNA sintetizirana iz nje je sekvenca

BROADCAST

Hajde da razmotrimo mehanizam sinteza proteina na RNA matrici, kao i genetski kod i njegova svojstva. Također, radi jasnoće, na linku ispod preporučujemo da pogledate kratki video o procesima transkripcije i prevođenja koji se dešavaju u živoj ćeliji:

Rice. 12. Proces sinteze proteina: DNK kodovi za RNK, RNK kodovi za protein

GENETSKI KOD

Genetski kod- metoda kodiranja sekvence aminokiselina proteina korištenjem sekvence nukleotida. Svaka aminokiselina je kodirana nizom od tri nukleotida - kodonom ili tripletom.

Genetski kod uobičajen za većinu pro- i eukariota. Tabela prikazuje svih 64 kodona i odgovarajuće aminokiseline. Osnovni redosled je od 5" do 3" kraja mRNA.

Tabela 1. Standardni genetski kod

1st osnovu tion	2nd base								3rd osnovu tion
	U		C		A		G
U	U U U	(Phe/F)	U C U	(Ser/S)	U A U	(Tyr/Y)	U G U	(Cys/C)	U
	U U C		U C C		U A C		U G C		C
	U U A	(Leu/L)	U C A		U A A	Stop kodon**	U G A	Stop kodon**	A
	U U G		U C G		U A G	Stop kodon**	U G G	(Trp/W)	G
C	C U U		C C U	(Pro/P)	C A U	(njegov/h)	C G U	(Arg/R)	U
	C U C		C C C		C A C		C G C		C
	C U A		C C A		C A A	(Gln/Q)	C GA		A
	C U G		C C G		C A G		C G G		G
A	A U U	(Ile/I)	A C U	(Thr/T)	A A U	(Asn/N)	A G U	(Ser/S)	U
	A U C		A C C		A A C		A G C		C
	A U A		A C A		A A A	(Lys/K)	A G A		A
	A U G	(Met/M)	A C G		A A G		A G G		G
G	G U U	(Val/V)	G C U	(Ala/A)	G A U	(Asp/D)	G G U	(Gly/G)	U
	G U C		G C C		G A C		G G C		C
	G U A		G C A		G A A	(Ljepilo)	G G A		A
	G U G		G C G		G A G		G G G		G

Među trojkama postoje 4 posebne sekvence koje služe kao "znakovi interpunkcije":

• *Triplet AUG, koji također kodira metionin, naziva se start kodon. Ovim kodonom počinje sinteza proteinske molekule. Dakle, tokom sinteze proteina, prva aminokiselina u nizu uvijek će biti metionin.

• **Trojke UAA, UAG I U.G.A. su pozvani stop kodoni i ne kodiraju za jednu aminokiselinu. Na ovim sekvencama se zaustavlja sinteza proteina.

Osobine genetskog koda

1. Trostruko. Svaka aminokiselina je kodirana nizom od tri nukleotida - tripletom ili kodonom.

2. Kontinuitet. Nema dodatnih nukleotida između tripleta; informacije se čitaju neprekidno.

3. Nepreklapanje. Jedan nukleotid ne može biti uključen u dva tripleta u isto vrijeme.

4. Nedvosmislenost. Jedan kodon može kodirati samo jednu aminokiselinu.

5. Degeneracija. Jedna aminokiselina može biti kodirana s nekoliko različitih kodona.

6. Svestranost. Genetski kod je isti za sve žive organizme.

Primjer. Dat nam je redoslijed lanca kodiranja:

3’- CCGATTGCACGTCGATCGTATA- 5’.

Matrični lanac će imati niz:

5’- GGCTAACGTGCAGCTAGCATAT- 3’.

Sada "sintetišemo" informacijsku RNK iz ovog lanca:

3’- CCGAUUGCACGUCGAUCGUAUA- 5’.

Sinteza proteina se odvija u smjeru 5’ → 3’, stoga moramo obrnuti sekvencu da bismo „pročitali“ genetski kod:

5’- AUAUGCUAGCUGCACGUUAGCC- 3’.

Sada pronađimo početni kodon AUG:

5’- AU AUG CUAGCUGCACGUUAGCC- 3’.

Podijelimo niz na trojke:

zvuči ovako: informacije se prenose sa DNK na RNK (transkripcija), sa RNK na protein (translacija). DNK se može duplicirati i replikacijom, a moguć je i proces reverzne transkripcije, kada se DNK sintetiše iz RNK šablona, ​​ali je taj proces uglavnom karakterističan za viruse.

Rice. 13. Centralna dogma molekularne biologije

GENOM: geni i hromozomi

(opći koncepti)

Genom - ukupnost svih gena jednog organizma; njegov kompletan hromozomski set.

Termin “genom” je predložio G. Winkler 1920. godine da opiše skup gena sadržanih u haploidnom skupu hromozoma organizama jedne biološke vrste. Prvobitno značenje ovog pojma je ukazivalo da je koncept genoma, za razliku od genotipa, genetska karakteristika vrste u cjelini, a ne pojedinca. S razvojem molekularne genetike, značenje ovog pojma se promijenilo. Poznato je da DNK, koja je nosilac genetske informacije u većini organizama i stoga čini osnovu genoma, uključuje ne samo gene u modernom smislu te riječi. Većina DNK eukariotskih ćelija predstavljena je nekodirajućim („redundantnim“) nukleotidnim sekvencama koje ne sadrže informacije o proteinima i nukleinskim kiselinama. Dakle, glavni dio genoma bilo kojeg organizma je cjelokupna DNK njegovog haploidnog seta hromozoma.

Geni su dijelovi molekula DNK koji kodiraju polipeptide i RNA molekule

Iza prošlog veka naše razumevanje gena se značajno promenilo. Ranije je genom bio dio hromozoma koji kodira ili definira jednu karakteristiku ili fenotipski(vidljivo) svojstvo, kao što je boja očiju.

1940. George Beadle i Edward Tatham predložili su molekularnu definiciju gena. Naučnici su obrađivali spore gljivica Neurospora crassa X-zrake i drugi agensi koji uzrokuju promjene u sekvenci DNK ( mutacije), i otkrili su mutantne sojeve gljive koji su izgubili neke specifične enzime, što je u nekim slučajevima dovelo do poremećaja cijelog metaboličkog puta. Beadle i Tatem su zaključili da je gen dio genetskog materijala koji specificira ili kodira jedan enzim. Ovako se pojavila hipoteza "jedan gen - jedan enzim". Ovaj koncept je kasnije proširen da definiše "jedan gen - jedan polipeptid", budući da mnogi geni kodiraju proteine ​​koji nisu enzimi, a polipeptid može biti podjedinica kompleksnog proteinskog kompleksa.

Na sl. Slika 14 prikazuje dijagram kako tripleti nukleotida u DNK određuju polipeptid - aminokiselinsku sekvencu proteina posredovanjem mRNA. Jedan od lanaca DNK igra ulogu šablona za sintezu mRNA, čiji su nukleotidni tripleti (kodoni) komplementarni DNK tripletima. Kod nekih bakterija i mnogih eukariota kodirajuće sekvence su prekinute nekodirajućim regijama (tzv. introni).

Savremeno biohemijsko određivanje gena još konkretnije. Geni su svi dijelovi DNK koji kodiraju primarnu sekvencu krajnjih proizvoda, koji uključuju polipeptide ili RNK koji imaju strukturnu ili katalitičku funkciju.

Uz gene, DNK sadrži i druge sekvence koje obavljaju isključivo regulatornu funkciju. Regulatorne sekvence može označiti početak ili kraj gena, utjecati na transkripciju ili ukazati na mjesto inicijacije replikacije ili rekombinacije. Neki geni se mogu eksprimirati na različite načine, pri čemu ista regija DNK služi kao šablon za formiranje različitih proizvoda.

Možemo otprilike izračunati minimalna veličina gena, koji kodira srednji protein. Svaka amino kiselina u polipeptidnom lancu je kodirana sekvencom od tri nukleotida; sekvence ovih tripleta (kodona) odgovaraju lancu aminokiselina u polipeptidu koji je kodiran ovim genom. Polipeptidni lanac od 350 aminokiselinskih ostataka (lanac srednje dužine) odgovara sekvenci od 1050 bp. ( bazni parovi). Međutim, mnogi eukariotski geni i neki prokariotski geni su prekinuti segmentima DNK koji ne nose informacije o proteinima, pa se stoga ispostavilo da su mnogo duži nego što pokazuje jednostavna kalkulacija.

Koliko gena ima na jednom hromozomu?

Rice. 15. Prikaz hromozoma u prokariotskim (lijevo) i eukariotskim ćelijama. Histoni su velika klasa nuklearnih proteina koji obavljaju dvije glavne funkcije: učestvuju u pakiranju lanaca DNK u jezgri i u epigenetskoj regulaciji nuklearnih procesa kao što su transkripcija, replikacija i popravak.

DNK prokariota je jednostavnija: njihove ćelije nemaju jezgro, pa se DNK nalazi direktno u citoplazmi u obliku nukleoida.

Kao što je poznato, bakterijske ćelije imaju hromozom u obliku lanca DNK raspoređenog u kompaktnu strukturu - nukleoid. Prokariotski hromozom Escherichia coli, čiji je genom potpuno dešifrovan, kružni je DNK molekul (u stvari, nije savršen krug, već petlja bez početka i kraja), koji se sastoji od 4.639.675 bp. Ova sekvenca sadrži približno 4.300 proteinskih gena i još 157 gena za stabilne RNA molekule. IN ljudski genom otprilike 3,1 milijarda parova baza koji odgovaraju gotovo 29.000 gena smještenih na 24 različita hromozoma.

Prokarioti (bakterije).

Bakterija E. coli ima jednu dvolančanu kružnu DNK molekulu. Sastoji se od 4,639,675 bp. i dostiže dužinu od približno 1,7 mm, što premašuje dužinu same ćelije E. coli otprilike 850 puta. Osim velikog kružnog hromozoma kao dijela nukleoida, mnoge bakterije sadrže jednu ili nekoliko malih kružnih molekula DNK koje se slobodno nalaze u citosolu. Ovi ekstrahromozomski elementi se nazivaju plazmidi(Sl. 16).

Većina plazmida se sastoji od samo nekoliko hiljada parova baza, neki sadrže više od 10.000 bp. Oni nose genetske informacije i umnožavaju se kako bi formirali ćerke plazmide, koji ulaze u ćelije kćeri tokom diobe roditeljske ćelije. Plazmidi se nalaze ne samo u bakterijama, već iu kvascima i drugim gljivama. U mnogim slučajevima, plazmidi ne pružaju nikakvu korist ćelijama domaćinima i njihova jedina svrha je da se razmnožavaju nezavisno. Međutim, neki plazmidi nose gene korisne za domaćina. Na primjer, geni sadržani u plazmidima mogu učiniti bakterijske stanice otpornim na antibakterijske agense. Plazmidi koji nose gen β-laktamaze pružaju otpornost na β-laktamske antibiotike kao što su penicilin i amoksicilin. Plazmidi mogu preći iz ćelija koje su otporne na antibiotike u druge ćelije iste ili različite vrste bakterija, uzrokujući da i te ćelije postanu otporne. Intenzivna upotreba antibiotika je snažan selektivni faktor koji potiče širenje plazmida koji kodiraju rezistenciju na antibiotike (kao i transpozona koji kodiraju slične gene) među patogenim bakterijama, što dovodi do pojave bakterijskih sojeva otpornih na više antibiotika. Liječnici počinju shvaćati opasnosti široke upotrebe antibiotika i prepisuju ih samo u slučajevima hitne potrebe. Iz sličnih razloga, široka upotreba antibiotika za liječenje domaćih životinja je ograničena.

Vidi također: Ravin N.V., Šestakov S.V. Genom prokariota // Vavilov Journal of Genetics and Breeding, 2013. T. 17. br. 4/2. str. 972-984.

Eukarioti.

Tabela 2. DNK, geni i hromozomi nekih organizama

	Zajednički DNK p.n.	Broj hromozoma*	Približan broj gena
Escherichia coli(bakterija)	4 639 675		4 435
Saccharomyces cerevisiae(kvasac)	12 080 000	16**	5 860
Caenorhabditis elegans(nematoda)	90 269 800	12***	23 000
Arabidopsis thaliana(biljka)	119 186 200		33 000
Drosophila melanogaster(voćna mušica)	120 367 260		20 000
Oryza sativa(pirinač)	480 000 000		57 000
Mus musculus(miš)	2 634 266 500		27 000
Homo sapiens(Čovjek)	3 070 128 600		29 000

Bilješka. Informacije se stalno ažuriraju; Za više ažuriranih informacija, pogledajte web stranice pojedinačnih projekata genomike

* Za sve eukariote, osim kvasca, dat je diploidni set hromozoma. Diploid komplet hromozomi (od grčkog diploos - dvostruki i eidos - vrsta) - dvostruki set hromozoma(2n), od kojih svaka ima homolognu.
**Haploidni set. Sojevi divljeg kvasca obično imaju osam (oktaploidnih) ili više skupova ovih hromozoma.
***Za žene sa dva X hromozoma. Muškarci imaju X hromozom, ali nemaju Y, odnosno samo 11 hromozoma.

Kvasac, jedan od najmanjih eukariota, ima 2,6 puta više DNK nego E. coli(Tabela 2). Ćelije voćne mušice Drosophila, klasični predmet genetskog istraživanja, sadrže 35 puta više DNK, a ljudske ćelije sadrže približno 700 puta više DNK od ljudskih ćelija E. coli. Mnoge biljke i vodozemci sadrže još više DNK. Genetski materijal eukariotskih ćelija organiziran je u obliku hromozoma. Diploidni skup hromozoma (2 n) zavisi od vrste organizma (tabela 2).

Na primjer, u ljudskoj somatskoj ćeliji postoji 46 hromozoma ( pirinač. 17). Svaki hromozom eukariotske ćelije, kao što je prikazano na sl. 17, A, sadrži jednu vrlo veliku dvolančanu DNK molekulu. Dvadeset četiri ljudska hromozoma (22 uparena hromozoma i dva polna hromozoma X i Y) variraju u dužini više od 25 puta. Svaki eukariotski hromozom sadrži specifičan skup gena.

Rice. 17. Hromozomi eukariota.A- par povezanih i kondenzovanih sestrinskih hromatida iz ljudskog hromozoma. U ovom obliku, eukariotski hromozomi ostaju nakon replikacije i u metafazi tokom mitoze. b- kompletan set hromozoma iz leukocita jednog od autora knjige. Svaka normalna ljudska somatska ćelija sadrži 46 hromozoma.

Veličina i funkcija DNK kao matrice za skladištenje i prenošenje naslednog materijala objašnjava prisustvo posebnih strukturnih elemenata u organizaciji ovog molekula. U višim organizmima, DNK je raspoređena između hromozoma.

Kolekcija DNK (hromozoma) organizma naziva se genom. Kromosomi se nalaze u ćelijskom jezgru i formiraju strukturu koja se naziva kromatin. Hromatin je kompleks DNK i bazičnih proteina (histona) u omjeru 1:1. Dužina DNK se obično mjeri brojem komplementarnih parova nukleotida (bp). Na primjer, treći ljudski hromozomstoljeća je molekul DNK veličine 160 miliona bp Izolirana linearizirana DNK dimenzija 3*10 6 bp. ima dužinu od približno 1 mm, stoga bi linearizirani molekul trećeg ljudskog hromozoma bio dugačak 5 mm, a DNK sva 23 hromozoma (~3 * 10 9 bp, MR = 1,8 * 10 12) haploida ćelija – jaje ili spermatozoid – u linearizovanom obliku iznosila bi 1 m. Sa izuzetkom zametnih ćelija, sve ćelije ljudskog tela (ima ih oko 1013) sadrže dupli set hromozoma. Tokom diobe ćelije, svih 46 molekula DNK se repliciraju i reorganiziraju u 46 hromozoma.

Ako povežete molekule DNK ljudskog genoma (22 hromozoma i hromozoma X i Y ili X i X), dobićete sekvencu dugu oko jedan metar. Napomena: Kod svih sisara i drugih heterogametnih muških organizama, ženke imaju dva X hromozoma (XX), a mužjaci imaju jedan X hromozom i jedan Y hromozom (XY).

Većina ljudskih ćelija, tako da je ukupna dužina DNK takvih ćelija oko 2 m. Odrasli čovjek ima otprilike 10 14 ćelija, tako da je ukupna dužina svih DNK molekula 2 ・ 10 11 km. Poređenja radi, obim Zemlje je 4・10 4 km, a udaljenost od Zemlje do Sunca je 1,5・10 8 km. Ovako je neverovatno kompaktan DNK spakovan u našim ćelijama!

U eukariotskim ćelijama postoje i druge organele koje sadrže DNK - mitohondrije i hloroplaste. Iznesene su mnoge hipoteze o porijeklu DNK mitohondrija i hloroplasta. Danas je općeprihvaćeno gledište da oni predstavljaju rudimente hromozoma drevnih bakterija, koje su prodrle u citoplazmu ćelija domaćina i postale prethodnici ovih organela. Mitohondrijska DNK kodira mitohondrijalne tRNA i rRNA, kao i nekoliko mitohondrijalnih proteina. Više od 95% mitohondrijalnih proteina je kodirano nuklearnom DNK.

STRUKTURA GENA

Razmotrimo strukturu gena u prokariota i eukariota, njihove sličnosti i razlike. Unatoč činjenici da je gen dio DNK koji kodira samo jedan protein ili RNK, osim neposrednog kodirajućeg dijela, uključuje i regulatorne i druge strukturne elemente koji imaju različite strukture kod prokariota i eukariota.

Sekvenca kodiranja- glavna strukturna i funkcionalna jedinica gena, u njoj se nalaze tripleti nukleotida koji kodirajusekvenca aminokiselina. Počinje početnim kodonom i završava se stop kodonom.

Prije i poslije sekvence kodiranja postoje neprevedene 5' i 3' sekvence. Oni obavljaju regulatorne i pomoćne funkcije, na primjer, osiguravaju slijetanje ribosoma na mRNA.

Neprevedene i kodirajuće sekvence čine transkripcionu jedinicu - transkribovani deo DNK, odnosno deo DNK iz kojeg dolazi do sinteze mRNA.

Terminator- netranskribovani deo DNK na kraju gena gde se zaustavlja sinteza RNK.

Na početku je gen regulatorna regija, što uključuje promoter I operater.

Promoter- sekvenca za koju se polimeraza vezuje tokom iniciranja transkripcije. Operater- ovo je područje za koje se mogu vezati posebni proteini - represori, što može smanjiti aktivnost sinteze RNK iz ovog gena - drugim riječima, smanjiti je izraz.

Struktura gena u prokariota

Opšti plan strukture gena kod prokariota i eukariota se ne razlikuje – oba sadrže regulatornu regiju sa promotorom i operatorom, transkripcionu jedinicu sa kodirajućim i neprevedenim sekvencama i terminator. Međutim, organizacija gena kod prokariota i eukariota je drugačija.

Rice. 18. Šema strukture gena kod prokariota (bakterija) -slika je uvećana

Na početku i na kraju operona nalaze se zajedničke regulatorne regije za nekoliko strukturnih gena. Iz transkribovane regije operona čita se jedan mRNA molekul koji sadrži nekoliko kodirajućih sekvenci, od kojih svaka ima svoj startni i stop kodon. Iz svake od ovih oblasti sasintetiše se jedan protein. dakle, Nekoliko proteinskih molekula se sintetizira iz jedne mRNA molekule.

Prokariote karakterizira kombinacija nekoliko gena u jednu funkcionalnu jedinicu - operon. Rad operona mogu regulisati i drugi geni, koji mogu biti značajno udaljeni od samog operona - regulatori. Protein preveden iz ovog gena se zove represor. Veže se za operator operona, regulišući ekspresiju svih gena sadržanih u njemu odjednom.

Ovaj fenomen karakteriše i prokariote Interfejsi za transkripciju-prevođenje.

Rice. 19 Fenomen spajanja transkripcije i translacije kod prokariota - slika je uvećana

Takvo spajanje se ne događa kod eukariota zbog prisutnosti nuklearnog omotača koji odvaja citoplazmu, gdje se događa translacija, od genetskog materijala na kojem se događa transkripcija. Kod prokariota, tokom sinteze RNK na DNK šablonu, ribosom se može odmah vezati za sintetizirani RNA molekul. Dakle, prijevod počinje čak i prije nego što je transkripcija završena. Štaviše, nekoliko ribozoma se može istovremeno vezati za jedan RNA molekul, sintetizirajući nekoliko molekula jednog proteina odjednom.

Struktura gena kod eukariota

Geni i hromozomi eukariota su veoma složeno organizovani

Mnoge vrste bakterija imaju samo jedan hromozom i u gotovo svim slučajevima postoji po jedna kopija svakog gena na svakom hromozomu. Samo nekoliko gena, poput gena rRNA, nalazi se u više kopija. Geni i regulatorne sekvence čine gotovo cijeli prokariotski genom. Štaviše, skoro svaki gen striktno odgovara sekvenci aminokiselina (ili RNA sekvenci) koju kodira (slika 14).

Strukturna i funkcionalna organizacija eukariotskih gena je mnogo složenija. Proučavanje eukariotskih hromozoma, a kasnije i sekvenciranje kompletnih sekvenci eukariotskog genoma, donijelo je mnoga iznenađenja. Mnogi, ako ne i većina, eukariotski geni imaju zanimljiva karakteristika: njihove nukleotidne sekvence sadrže jedan ili više DNK regiona koji ne kodiraju sekvencu aminokiselina polipeptidnog proizvoda. Takve neprevedene insercije remete direktnu korespondenciju između nukleotidne sekvence gena i sekvence aminokiselina kodiranog polipeptida. Ovi neprevedeni segmenti unutar gena se nazivaju introni, ili ugrađen sekvence, a segmenti kodiranja su egzoni. Kod prokariota samo nekoliko gena sadrži introne.

Dakle, kod eukariota kombinacija gena u operone praktički se ne događa, a kodirajuća sekvenca eukariotskog gena najčešće se dijeli na prevedene dijelove - egzoni, i neprevedeni dijelovi - introni.

U većini slučajeva, funkcija introna nije uspostavljena. Generalno, samo oko 1,5% ljudske DNK je "kodirano", odnosno nosi informacije o proteinima ili RNK. Međutim, uzimajući u obzir velike introne, ispada da je ljudska DNK 30% gena. Budući da geni čine relativno mali dio ljudskog genoma, značajan dio DNK ostaje nepoznat.

Rice. 16. Šema strukture gena kod eukariota - slika je uvećana

Iz svakog gena prvo se sintetizira nezrela ili pre-RNA, koja sadrži i introne i egzone.

Nakon toga se odvija proces spajanja, kao rezultat toga se intronični regioni izrezuju i formira se zrela mRNA iz koje se može sintetizirati protein.

Rice. 20. Alternativni proces spajanja - slika je uvećana

Ovakva organizacija gena omogućava, na primjer, da se iz jednog gena mogu sintetizirati različiti oblici proteina, zbog činjenice da se tokom spajanja egzoni mogu spojiti u različite sekvence.

Rice. 21. Razlike u strukturi gena prokariota i eukariota - slika je uvećana

MUTACIJE I MUTAGENEZA

Mutacija naziva se perzistentna promjena genotipa, odnosno promjena nukleotidnog niza.

Proces koji dovodi do mutacija naziva se mutageneza, i tijelo Svečije ćelije nose istu mutaciju - mutant.

Teorija mutacije prvi put je formulisao Hugo de Vries 1903. Njegova moderna verzija uključuje sljedeće odredbe:

1. Mutacije se javljaju iznenada, grčevito.

2. Mutacije se prenose s generacije na generaciju.

3. Mutacije mogu biti korisne, štetne ili neutralne, dominantne ili recesivne.

4. Vjerovatnoća otkrivanja mutacija ovisi o broju proučavanih pojedinaca.

5. Slične mutacije se mogu ponavljati.

6. Mutacije nisu usmjerene.

Mutacije mogu nastati pod uticajem različitih faktora. Postoje mutacije koje nastaju pod uticajem mutageno uticaji: fizičke (na primjer, ultraljubičasto ili zračenje), kemijske (na primjer, kolhicin ili reaktivne kisikove vrste) i biološke (na primjer, virusi). Mutacije također mogu biti uzrokovane greške u replikaciji.

U zavisnosti od uslova pod kojima se pojavljuju mutacije, mutacije se dele na spontano- odnosno mutacije koje su nastale u normalnim uslovima, i inducirano- odnosno mutacije koje su nastale pod posebnim uslovima.

Mutacije se mogu pojaviti ne samo u nuklearnoj DNK, već i, na primjer, u mitohondrijskoj ili plastidnoj DNK. Prema tome, možemo razlikovati nuklearna I citoplazmatski mutacije.

Kao rezultat mutacija, često se mogu pojaviti novi aleli. Ako mutantni alel potiskuje djelovanje normalnog, mutacija se naziva dominantan. Ako normalni alel potiskuje mutantni, ova mutacija se naziva recesivan. Većina mutacija koje dovode do pojave novih alela su recesivne.

Mutacije se razlikuju po efektu adaptivni dovodi do povećane prilagodljivosti organizma okolini, neutralan, koji ne utiču na preživljavanje, štetno, smanjenje prilagodljivosti organizama uslovima sredine i smrtonosna, što dovodi do smrti organizma u ranim fazama razvoja.

Prema posljedicama, mutacije koje dovode do gubitak funkcije proteina, mutacije koje dovode do emergence protein ima novu funkciju, kao i mutacije koje promijeniti dozu gena, i, shodno tome, doza proteina sintetiziranog iz njega.

Mutacija se može pojaviti u bilo kojoj ćeliji tijela. Ako se mutacija dogodi u zametnoj ćeliji, to se zove germinal(germinativne ili generativne). Takve mutacije se ne pojavljuju u organizmu u kojem su se pojavile, već dovode do pojave mutanata u potomstvu i nasljeđuju se, pa su važne za genetiku i evoluciju. Ako se mutacija dogodi u bilo kojoj drugoj ćeliji, to se zove somatski. Takva mutacija se može manifestirati u jednom ili drugom stupnju u organizmu u kojem je nastala, na primjer, dovodeći do stvaranja kancerogenih tumora. Međutim, takva mutacija nije naslijeđena i ne utječe na potomke.

Mutacije mogu utjecati na regije genoma različitih veličina. Istaknite genetski, hromozomski I genomski mutacije.

Genske mutacije

Mutacije koje se javljaju na skali manjoj od jednog gena nazivaju se genetski, ili tačka (tačka). Takve mutacije dovode do promjena u jednom ili nekoliko nukleotida u nizu. Među genskim mutacijama postojezamjenešto dovodi do zamjene jednog nukleotida drugim,brisanjašto dovodi do gubitka jednog od nukleotida,umetanja, što dovodi do dodavanja dodatnog nukleotida u sekvencu.

Rice. 23. Genske (tačkaste) mutacije

Prema mehanizmu djelovanja na protein, mutacije gena se dijele na:sinonim, koji (kao rezultat degeneracije genetskog koda) ne dovode do promjene aminokiselinskog sastava proteinskog proizvoda,misense mutacije, koji dovode do zamjene jedne aminokiseline drugom i mogu utjecati na strukturu sintetiziranog proteina, iako su često beznačajni,besmislene mutacije, što dovodi do zamjene kodnog kodona stop kodonom,mutacije koje dovode do poremećaj spajanja:

Rice. 24. Obrasci mutacija

Također, prema mehanizmu djelovanja na protein razlikuju se mutacije koje dovode do pomeranje okvira čitanje, kao što su umetanja i brisanja. Takve mutacije, poput besmislenih mutacija, iako se javljaju u jednom trenutku gena, često utiču na cjelokupnu strukturu proteina, što može dovesti do potpune promjene u njegovoj strukturi. kada se dio hromozoma rotira za 180 stepeni, Rice. 28. Translokacija

Rice. 29. Hromosom prije i poslije duplikacije

Genomske mutacije

konačno, genomske mutacije utiču na ceo genom, odnosno na promene broja hromozoma. Postoje poliploidije - povećanje ploidnosti ćelije i aneuploidije, odnosno promjena broja hromozoma, na primjer, trisomija (prisustvo dodatnog homologa na jednom od kromosoma) i monosomija (odsutnost homolog na hromozomu).

Video o DNK

REPLIKACIJA DNK, RNK KODIRANJE, SINTEZA PROTEINA

(Ako se video ne prikazuje, dostupan je preko