Какие структурные особенности имеет молекула днк

Содержание
  1. Что такое ДНК: строение молекулы, виды и наследственность
  2. Днк – это основа наследственности
  3. Что собой представляет молекула ДНК?
  4. Как определить какая наследственность хорошая, а какая – нет?
  5. Зачем делать тест на ДНК, что он может нам показать?
  6. Что такое генетическая память поколений?
  7. Можно ли доверять тесту ДНК на отцовство?
  8. Х и м и я
  9. Строение полинуклеотидной цепи. Первичная структура
  10. Пространственная организация цепи ДНК. Вторичная структура
  11. Генетический код
  12. ДНК. Механизмы хранения и обработки информации. Часть I
  13. Упаковка ДНК у бактерий
  14. Упаковка ДНК у эукариот
  15. Есть несколько уровней упаковки ДНК эукариот
  16. Кто разгадает первым
  17. Еще не все пропало
  18. Красота — в простоте
  19. Новая загадка жизни
  20. Формы ДНК, структура и синтез
  21. Уровни организации молекулы ДНК
  22. Первичная структура: компоненты ДНК
  23. Образование вторичной структуры
  24. А-ДНК – сухая молекула
  25. Влажная B-ДНК
  26. Неканоническая Z-ДНК
  27. Репликация ДНК и ее строение
  28. Окончательная компактизация ДНК

Что такое ДНК: строение молекулы, виды и наследственность

Какие структурные особенности имеет молекула днк

Когда-то в совсем юном возрасте мне делали переливание крови, и бабушка просила перелить мне мамину кровь, а не моего отца… Может здесь скрыт секрет ДНК и факторы наследственности? Бабушка так и говорила, что «кровь должна быть хорошая»…

Днк – это основа наследственности

Молекула ДНК действительно несет всю информацию обо всех факторах наследственности. Но вот о каких?

Впервые молекулу ДНК обнаружил в Швейцарии врач Фр. Мишераж в 1869 году. Произошло это совершенно неожиданно, он жил на берегу реки Рейна в Базеле, а эта река кишит лососями. Доктор практически ловил их руками, а дух исследователя животных клеток заставил заглянуть в молоку этих рыб.

Там он обнаружил неизвестное вещество и назвал его нуклеином. Он подумал о том, что это как-то связано с оплодотворением, но что передача информации идет именно с этим нуклеином в ядре, он так и не думал практически до конца жизни.

[attention type=yellow]

Спираль ДНК

[/attention]

Спираль ДНК, в которой и зашифрована вся информация о наследственности была открыта учеными Дж.Уотсоном и Ф.Криком в 1953 году. За это они получили Нобелевскую премию. Френсис Крик даже сказал, что они открыли «главную тайну жизни», он правильно сказал. В ДНК действительно записана вся нужная информация.

Что собой представляет молекула ДНК?

Сейчас так и говорят, что «ДНК несет в себе генетический код».

Это две сильно скрученные спирали, каждое звено в ней – это нуклеотид или участок ДНК. А участок или несколько нуклеотидов такой цепочки назван геном. В самом ДНК хранится важная информация о том, какие белки и в каком порядке будут формироваться, причем в строгой последовательности.

Несколько нуклеотидов образуют ген, который несет данные о внешности, о чертах характера и передается эта информация из поколения в поколение. Если этого не происходит, то идет поломка генов. Сама цепь ДНК очень длинная, поэтому и не происходит повторений, каждая их них индивидуальна.

Несколько генов – это уже называется геномом. Но уложить все это в одну цепочку невозможно, поэтому у человека 46 пар молекул ДНК, и она называется хромосомой. Хромосомы тоже имеют деление на пары: 22 соматических и 1 половая.

От половой хромосомы зависит наш пол, а вот остальные несут признаки, которые и определяют нашу внешность, психотип, особенности поведения и пр. Сочетание половых хромосом ХХ – это женская хромосома, а вот ХУ – это мужская.

Модель строения хромосомы

Молекула ДНК содержит информацию о том, как произвести «себе подобную» копию, то есть иметь способность к размножению и передачу информации, чтобы жизнь нашла продолжение в потомках.

Происходит репликация молекулы ДНК через как бы раскручивание одной цепи и тут же появление второй цепочки, в которой последовательность белков идет в таком же порядке, как и в раскрученной одной спирали ДНК.

Процесс сложный тем, что никаких новых последовательностей не возникает. Все повторяется определенным образом.

Как определить какая наследственность хорошая, а какая – нет?

Многие люди могут есть много и в разное время и совсем не поправляются. И чувствуют они себя очень хорошо! А вот некоторые, используя все советы по ЗОЖ, вдруг неожиданно подхватывают вирус или просто часто болеют, и толстые. В чем здесь дело?

Синдром Дауна бывает от поломки генов, когда вместо двух хромосом находят три хромосомы. Вот такие поломки случаются и по другим признакам. Все они бывают положительными для нас и отрицательными.

Вот, например, бывает такая положительная поломка, как «плотность кости». В Америке был такой случай, когда человек попал в аварию и остался цел и невредим.

Все его кости остались целыми, благодаря этой «поломке» генов.

Синдром Дауна

Такая «поломка» бывает если есть предрасположенность. Например, диабет очень суровая болезнь, и часто она передается по наследству. Зная, что в семье есть диабетики можно предположить, что и у вас он может быть. А может и НЕТ, если вы не будете увлекаться сладким и не переедать, а есть маленьким порциями, чтобы не поправляться.

Есть еще один интересный факт про ген SERT, он отвечает за доставку серотонина, гормона «радости». Поэтому у некоторых людей есть состояние «послепраздничная тоска или депрессия».

Кто-то сегодня гуляет, завтра работает и совсем не тоскует, что праздники или отпуск закончился, а кто-то, где есть «поломка» этого гена сильно переживает, особенно если предшествуют этому какие-то сильные эмоции, эйфория.

И вот тут-то депрессия не дремлет и человек впадает в сильную апатию и тоску.

Зачем делать тест на ДНК, что он может нам показать?

По нему можно определить не только принадлежность к Роду, но и многое другое:

  • Предрасположенность к наследственным заболеваниям
  • Непереносимость каких-то продуктов питания
  • Определиться с выбором диеты
  • Установление отцовства
  • Какие волосы будут у человека
  • Каким видом спорта лучше заниматься, силовым или, наоборот, где больше движений, может марафон на длинные дистанции
  • Даже можно определить как человек принимает решения относительно финансов по степени его невротичности и «поломке» определенных генов

И другое…

Тест на ДНК

Риск наследственного заболевания возрастает в разы, если есть «мутация» или поломка гена и плюс стресс, радиация, или просто сбой в системе организма.

Есть такой интересный факт, что многие известные люди пытаются сохранить свой генетический код. Вот Луи Армстронг поместил свой фрагмент ДНК на международную космическую станцию. В случае какой-то катастрофы те, кто выживет, смогут клонировать его.

Что такое генетическая память поколений?

Вот рождается человек, вырастает, и очень становится похож на какого-то родственника. И мы начинаем удивляться «вот не видел его никогда, а так похож». Это и есть генетическая память. Это то, что уже заложено в наших генах. А потом мы уже начинаем приобретать какую-то новую информацию и опыт.

Генетическая память – это то, что есть в нас еще до нашего рождения, это опыт прошлого, не наш опыт, который записан в нашем ДНК.

Ученые предполагают, что генетическая память есть до рождения, в утробе матери и она передается ребенку в виде каких-то реакций, например, ребенок точно знает, как сосать грудь, она нужна для выживания и приспособления к жизни. Генетическая память, как правило, есть у детей до 2-х лет.

Если ребенок плавает под водой и поддерживать этот навык с самого рождения и развивать его, то потом можно его уже не учить плавать, он знает и осознает потом как это делать.

[attention type=red]

Проявление генетической памяти происходит во взрослом состоянии тогда, когда человек находится под гипнозом, в трансе, или во сне, когда выключатся сознание.

[/attention]

Иногда психологи предлагают такой сеанс арт-терапии как «утренние страницы». Вы еще толком не проснулись, а нужно взять листок и начать писать все, что пришло вам на ум. Не оценивая то, что вы пишите. Здесь ваше подсознание выдает вам что-то интересное …

И вот с 4 до 6 часов утра тоже бывают «вещие сны»… это вот об этом!

Можно ли доверять тесту ДНК на отцовство?

Да, это самый точный тест. У ребенка 46 пар хромосом, и ровно половина их идет от отца. Многих смущает тот факт, что говорят о 99, 99%, а не о 100% совпадении. А это учитывается генетическая погрешность!

Вот ДНК близнецов, например, совпадают также практически на 100%, но вот отпечатки пальцев у них разные…

ДНК всех людей на земле совпадает на 99,9% …а разница в 0,1% делает нас такими разными… Поэтому будем считать, что молекула Днк – это основа наследственности!

Проверьте себя с помощью нашего набора онлайн калькуляторов внешнего вида.

Присоединяйтесь к нам на канале Яндекс.Дзен

Источник: https://ladycase.ru/zdorove/chto-takoe-dnk-nasledstvennost.html

Х и м и я

Какие структурные особенности имеет молекула днк

ДНК содержатся в основном в ядрах клеток, РНК преимущественно находятся в рибосомах, а также в протоплазме клеток.

ДНК является носителем генетической информации, записанной в виде последовательности нуклеотидов с помощью генетического кода. В ходе процесса, называемого репликацией ДНК, образуются две копии исходной цепочки, наследуемые дочерними клетками при делении, таким образом образовавшиеся клетки оказываются генетически идентичны исходной.

Основная роль РНК заключается в непосредственном участии в биосинтезе белка. Известны три вида клеточных РНК:

  • транспортная,
  • матричная и
  • рибосомная.

Они отличаются по местоположению в клетке, составу, размерам и функциям.

Строение полинуклеотидной цепи. Первичная структура

Первичная структура нуклеиновых кислот представляет собой набор нуклеотидных компонентов c последовательностью их чередования.

В полинуклеотидных цепях нуклеотидные звенья связываются через фосфатную группу.

Фосфатная группа образует две сложноэфирные связи: с С-3' предыдущего нуклеотидного звена и с С-5' последующего звена.

Каркас цепи состоит из чередующихся пентозных и фосфатных остатков, а гетероциклические основания являются «боковыми» группами, присоединёнными к пентозным остаткам.

На рисунке выше приведено строение произвольного участка цепи ДНК, включающего четыре нуклеиновых основания.

Принцип построения цепи РНК такой же, как и у ДНК, с двумя исключениями:

  • пентозным остатком служит рибоза (у ДНК – дезоксирибоза),
  • в наборе гетероциклических оснований используется урацил (у ДНК – тимин).

Нуклеиновые кислоты представляют собой гетерополимеры, так как состоят из нуклеотидов с разными гетероциклическими основаниями.

Пространственная организация цепи ДНК.
Вторичная структура

Под вторичной структурой ДНК подразумевают пространственную организацию полинуклеотидной цепи.

В 1953 г. Дж. Уотсон и Ф. Крик, обобщив работы многих современников, описали вторичную структуру ДНК в виде двойной спирали. Она характерна для большинства молекул ДНК, хотя в настоящее время известны и другие пространственные формы.

Согласно модели Уотсона-Крика молекула ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, правозакрученных вокруг общей оси с образованием двойной спирали, имеющей диаметр 1,8-2,0 нм.

Две полинуклеотидные цепи антипараллельны друг другу, т.е. направления образования фосфодиэфирных связей в них противоположны: в одной цепи 5'-3', в другой – 3'-5'.

Пуриновые и пиримидиновые основания направлены внутрь спирали. Между пуриновым основанием одной цепи и пиримидиновым основанием другой цепи возникают водородные связи. Эти основания составляют так называемые комплементарные пары.

В химии комплементарностью называют взаимное соответствие молекул, их взаимное дополнение, что приводит к возникновению связи между ними. Бытовая аналогия: две стороны застёжки-молнии на одежде составляют комплементарную пару.

[attention type=green]

Водородные связи образуются между аминогруппой одного основания и карбонильной группой другого, а также между амидным и имидным атомами азота.

[/attention]

Например, между аденином и тимином образуются две водородные связи. А эти два гетероциклических основания составляют комплементарную пару.

Это значит, что адениновому основанию в одной цепи будет соответствовать тиминовое в другой цепи.

Другую пару комплементарных оснований составляют гуанин и цитозин, между которыми возникают три водородные связи.

Водородные связи между комплементарными основаниями – один из видов взаимодействий, стабилизирующих двойную спираль. Две цепи ДНК, образующих двойную спираль, не идентичны, но комплементарны между собой. Это означает, что первичная структура, т.е. нуклеотидная последовательность, одной цепи предопределяет первичную структуру второй цепи.

Генетический код

Генетический код — свойственный всем живым организмам способ кодирования аминокислотной последовательности белков при помощи последовательности нуклеотидов.

В ДНК используется четыре азотистых основания — аденин (А), гуанин (G), цитозин (С), тимин (T), которые в русскоязычной литературе обозначаются буквами А, Г, Ц и Т. Эти буквы составляют алфавит генетического кода.

В генетическом коде содержится информация о строении белков.

Генетическая информация определяет морфологическое строение, рост, развитие, обмен веществ, психический склад, предрасположенность к заболеваниям и генетические пороки организма.

Реализация генетической информации в живых клетках (то есть синтез белка, кодируемого геном) осуществляется при помощи двух матричных процессов:

  • транскрипции (то есть синтеза РНК на матрице ДНК). При этом генетическая информация копируется с матрицы ДНК на РНК и
  • трансляции генетического кода в аминокислотную последовательность.

Трансляция – процесс синтеза белка из аминокислот. Здесь в качестве матрицы уже выступает РНК. Процесс происходит в рибосомах.

Источник: http://xn----7sbb4aandjwsmn3a8g6b.xn--p1ai/views/alchemy/theory/chemistry/biochemistry/the_structure_of_nucleic_acids.php

ДНК. Механизмы хранения и обработки информации. Часть I

Какие структурные особенности имеет молекула днк

Много людей использует термин ДНК. Но статей, нормально описывающих, как она работает почти нет (понятных не биологам). Я уже описывал в общих чертах устройство клетки и самые основы ее энергетических процессов. Теперь перейдем к ДНК. ДНК хранит информацию. Это знают все. Но вот как она это делает? Начнем с того, где она в клетке хранится.

Примерно 98% хранится в ядре. Остальное в митохондриях и хлоропластах (в этих ребятах протекает фотосинтез). ДНК — это огромный полимер, состоящий из мономерных звеньев. Выглядит примерно так.

Что мы тут видим? Во-первых ДНК — двухцепочечная молекула. Почему это так важно — чуть позже. Далее мы видим синие пятиугольники.

Это молекулы дезоксирибозы (такой сахар, чуть меньше глюкозы. От рибозы отличается отсутствием одной OH группы, что придает стабильности молекуле ДНК, в отличие от РНК, в которой используется рибоза. Дальше, для простоты опущу приставку дезокси и буду просто говорить рибоза, да простят нас щепетильные товарищи).

Маленькие кружкИ — остатки фосфорной кислоты. Ну и собственно есть азотистые основания. Всего их 5, но в ДНК в основном встречаются 4. Это Аденин, Гуанин, Тимин и Цитозин. То есть, есть рибоза с которой связано азотистое основание. Вместе они образуют так называемые нуклеозиды, которые связываются друг с другом с помощью остатков фосфорной кислоты.

Таким образом мы получаем длинную цепь, состоящую из мономеров. Теперь посмотрите на увеличенную левую цепь. Видите C и G соединены тремя пунктирными линиями, а T и A двумя. Что это значит? Да, ДНК состоит из двух цепей, но что удерживает их вместе? Есть такая штука, как водородная связь. Выглядит примерно так.

На атомы кислорода (O) и азота (N) формируется частичный отрицательный заряд, а на водороде (H) — положительный. Это приводит к формированию слабых связей.

Связи действительно очень слабые. Их энергия может быть в 200 раз ниже энергии ковалентных связей (образуются за счет перекрытия пары электронных облаков, например связь в молекуле CO2). Однако таких связей много. В каждой нашей клетке ДНК цепи связаны почти 16 миллиардами слабых связей, не мало, согласны? Но вернемся к числу связей между основаниями. Цитозин и Гуанин связаны тремя связями, а Аденин и Тимин — двумя. Это приводит к тому, что Г и Ц связанны куда прочнее, чем А и Т. Некоторым организмам нужна особая стабильность связей ДНК, например живущим при высоких температурах. При нагревании ДНК содержащая больше ГЦ пар более стабильна. Так что хочешь жить в гейзере — имей много ГЦ пар. Хотя последние исследования говорят, что явной связи между GC составом (% ГЦ пар от всех пар) и температурой обитания нет. Стоит сказать, что варьирует он сильно. Так у Candidatus Carsonella ruddii PV (внутриклеточный эндосимбионт) он примерно 16%, у нас с вами почти 41%, а у Anaeromyxobacter K (бактерия вполне себе средних размеров) достигает 75%. Тут вы можете видеть связь GC состава с размером генома бактерий. Mb — миллион пар нуклеотидов. Показатель довольно вариативный. Его, кстати, часто юзают как фичу при обучении различного рода классификаторов. Сам недавно писал классификатор для распознания патогенов на основе сырых данных секвенирования и оказалось, что GC состав даже по одному риду вполне себе можно использовать. Пока не забыл. Почему важно, что ДНК двухцепочечная? На основе одной цепи можно восстановить другую. Если в одной цепи поврежден кусок напротив последовательности Аденин-Аденин-Цитозин, то мы точно знаем, что до повреждения там был Тимин-Тимин-Гуанин. Таким образом наличие второй цепи позволяет надежней хранить информацию. Круто! Теперь вернемся к самой молекуле ДНК. Это цепочка из 4х типов звеньев. Однако насколько длинная? У Candidatus Carsonella ruddii PV уже упомянутого выше всего 160 000 нуклеотидов. У нас с вами 3.2 миллиарда (в гаплоидной клетке, то есть с одним набором хромосом. У большинства наших клеток их два). Кажется много, да? На самом деле нет. У одноклеточной амебы (Amoeba dubia) он примерно 670 миллиардов пар нуклеотидов. Кажется что это бесконечно длинная цепочка, поэтому давайте переведем размер в любимые нам метры. Если все наши хромосомы (их 46, не забываем; 23 по две копии на каждую) развернуть и вытянуть в одну линию, получится примерно 2х метровая цепочка. ДНК одной амебы хватит, чтоб опоясать футбольный стадион. Но к чему я веду? Ядро, в котором ДНК хранится не очень большое. У нас оно в среднем диаметром в 6 мкм. Не очень то много, если хочешь свернуть 2х метровую нить, пусть и очень тонкую. Причем нужно не просто запихать нить в ядро. Нужно свернуть таким образом, чтобы в любой момент можно было обеспечить доступ к любому ее участку. Задача сложная. И с ней успешно справляются специализированные белки. Они создают ряд спиралей и петель, которые обеспечивают все более и более высокие уровни упаковки и не до допускают спутывания ДНК в гордиев узел. Давайте поговорим о том, как она упаковывается. Сразу скажу, упаковывается она очень по разному. Но если откинуть экзотику, то остается два способа. Первый характерен для бактерий, второй для эукариот (или иначе ядерных).

Упаковка ДНК у бактерий

Начнем с братьев наших меньших. Бактерии сами по себе обладают не очень большим геномом, в среднем от 1 до 5 миллионов пар нуклеотидов. Наиболее характерное их отличия от нас в том, что у них нет ядра и ДНК плавает в клетке. Не совсем плавает, оно частично прикреплено к клеточной мембране и тоже свернуто, но не так сильно как у нас. Второе.

Бактериальная ДНК чаще всего кольцевая. Так ее проще копировать (нет концов, которые могут потеряться при копировании и не нужно придумывать механизмы сохранения концов). Обычно такое кольцо одно, но у некоторых бактерий их может быть 2 или 3. Есть еще кольца поменьше (от пары тысяч до пары сотен тысяч остатков).Имя им плазмиды, и это вообще отдельная история.

Вернемся к упаковке ДНК. ДНК упаковывают белки-гистоны (есть еще гистоноподобные белки). ДНК это дезоксирибонуклеиновая кислота. Кислота. Это значит что она отрицательно заряжена (за счет остатков фосфорной кислоты). Поэтому белки, связывающие ее положительно заряжены. Таким образом они могут связываются с ДНК.

ДНК бактерий вместе с белками ее упаковывающими формируют нуклеоид, при этом на долю ДНК приходится 80% от его массы. Выглядит это примерно так. То есть кольцевая ДНК делится на домены по 40 тысяч пар нуклеотидов. Затем происходит скручивание. Внутри доменов тоже происходит скручивания, но его степень в разных доменах отличается.

В среднем степень упаковки бактериальной ДНК варьирует от сотни до тысячи раз.

Есть еще прикольное видео.

Упаковка ДНК у эукариот

Тут все куда интересней. Наше ДНК хорошо упакована и спрятана внутри ядра. И она куда эффективней упакована, нежели у бактерий. Во время митоза (деление клетки) размер 22й хромосомы составляет 2 мкм. Если ее распутать и вытянуть, она будет уже 1,5 см.

Что соответствует степени упаковки в 10 000 раз. Это около максимальная степень упаковки нашей ДНК. Во время деления нужно максимально упаковать ДНК, что бы эффективно разделить ее между дочерними клетками. В обыденной жизни степень компактизации составляет примерно 500 раз.

Со слишком упакованной ДНК сложно считывать информацию.

Есть несколько уровней упаковки ДНК эукариот

Первый — нуклеосомный уровень. 8 белков-гистонов формируют частицу на которую наматывается ДНК. Затем еще один белок ее фиксирует. Выглядит примерно так.
Получаются своего рода бусы. Плотность упаковки благодаря этому возрастает в 7-10 раз. Далее нуклеосомы упаковываются в фибрилы. Немного похоже на солениод.

Тут суммарная степень упаковки может достигать 60 раз. Следующий этап компактизации ДНК связан с образованием петлеобразных структур, которые называются хромомерами. Фибрила разбита на участки по 10 — 80 тысяч пар азотистых оснований. В местах разбивки находятся глобулы негистоновых белков.

ДНК — связывающие белки узнают глобулы негистоновых белков и сближают их. Образуется устье петли. Средняя длина петли включает примерно 50 тысяч оснований. Эту структуру называют интерфазной хромонемой. И именно в ней наше ДНК находится большую часть времени. Уровень упаковки здесь достигает 500-1500 раз.

При необходимости клетка может еще больше компактизировать генетический материал. Идет образование более крупных петель из хромомерной фибриллы. Эти петли в свою очередь образуют новые петли (петли в петли… и это не вязание). Которые в конечном счете формируют хромосому. В целом процесс упаковки можно описать примерно так.

[attention type=yellow]

В итоге из нитей ДНК мы получаем, при делении, суперскрученные структуры, которые можно увидеть под микроскопом. Их мы и зовем хромосомами. Собственно вещество хромосом зовется хроматином. И степень его упаковки отличается в зависимости от участка хромосомы. Есть эухроматин и гетерохроматин.

[/attention]

Эухроматин это довольно расплетенная область хроматина, в ней ДНК находится на хромомерном уровне (упаковка в 500 — 1000 раз). Здесь происходит активное считывание информации. Например, если сейчас клетка активно синтезирует белок А, то область ДНК, его кодирующая будет в состоянии эухроматина, что бы ферменты, «читающие» ДНК могли до нее добраться.

Гетерохроматин же содержит ту часть ДНК, которая клетке не особо нужна сейчас. То есть ДНК максимально плотно упакована, дабы не путаться под ногами. В зависимости от потребностей клетки одни области хроматина могут частично расплетаться, в то время как другие — сплетаться.

Таким образом еще и осуществляется регуляция (очень грубое приближение), ведь к скрученной области не добраться, и значит ее не прочитать.

Собственно пока это все. Мы обсудили как хранится носитель информации. Сделаем небольшую паузу и через пару дней поговорим о самом кодировании информации.

Только зарегистрированные пользователи могут участвовать в опросе. Войдите, пожалуйста.

  • 19,5%Изи, усложняй смело34
  • 66,1%Изи, можно так и оставить. Больше статей!115
  • 14,4%Много непонятного, больше поясняй, больше примеров!25
  • 29,2%Круто, пиши на свой выбор45
  • 7,8%не интересно, в кач не хожу:)12
  • 47,4%Интересно все! Хватит спрашивать, пиши уже…73
  • 15,6%Если напишешь о прикладных аспектах, будет здорово!24
  • biotechnology
  • genomics
  • cells
  • dna

Хабы:

  • Научно-популярное
  • Биотехнологии
  • Здоровье

Источник: https://habr.com/ru/post/424809/

К 1950-м годам ученые не сомневались, что черты живых организмов в основном предопределены до рождения и передаются по наследству. У ребенка есть глаза, потому что глаза были у его родителей, не случаен и цвет глаз, как и склонность к близорукости.

Чего исследователи не могли понять, так это где хранится вся эта информация. Долгое время считалось, что носитель — белки с их сложной структурой, в которой мерещилось все многообразие жизни.

Но к середине 1940-х главной подозреваемой стала ДНК, огромная — у человека она длиной около метра — молекула, обнаруженная почти во всех типах клеток.

ДНК была открыта еще в 1869 году швейцарцем Иоганном Фридрихом Мишером, но тот не придал находке большого значения: его интересовало строение белых кровяных телец. 

Кто разгадает первым

Обнаружить ДНК — дело нехитрое, и сделать это может любой человек, ученым быть не обязательно.

Нужно аккуратно поскрести зубочисткой по внутренней стороне щеки, прополоскать рот водой или физраствором, чтобы смыть клетки эпителия, и сплюнуть в пробирку.

Сверху нужно добавить немного мыльного раствора, а потом спирта. Вскоре в пробирке проступят белые нити — это и есть молекулы ДНК, вытекшие из клеток с растворенными оболочками.

Продолжение

[attention type=red]

Когда в октябре 1951 года Уотсон начал работать с Фрэнсисом Криком в одном кабинете в Кембриджском университете, о ДНК было известно, что она состоит из четырех повторяющихся кирпичиков-оснований с сахаром и остатком фосфорной кислоты, причем аденина в ней столько же, сколько тимина, а гуанина — как цитозина. Но каким образом связаны эти составляющие, ученые понятия не имели.

[/attention]

Только предполагалось, что ДНК напоминала спираль, точнее, винт, но двойной ли, тройной или какой-нибудь другой, как в нем располагались основания, как эта структура могла хранить и воспроизводить наследственную информацию, если вообще могла, — все это оставалось загадкой. Познакомившись, Уотсон и Крик быстро поняли, что хотят вместе ее разгадать.

Кроме Уотсона и Крика структуру ДНК пытались выяснить еще две группы ученых. В Лондоне Морис Уилкинс и Розалинд Франклин, постоянно ругаясь, всматривались в рентгеновские снимки кристаллизованных молекул, а в Калифорнийском технологическом институте над загадкой жизни бился знаменитый химик Лайнус Полинг, который до этого первым определил строение компонентов белков.

За исследования химических связей в 1954 году ему дадут Нобелевскую премию. На его фоне Крик и Уотсон выглядели случайными прохожими: первый был по образованию физиком и только за четыре года до того переключился на биологию, а второму исполнилось всего 23 года. Правда, к тому времени у Уотсона уже была докторская степень.

Первая модель ДНК, разработанная Уотсоном и Криком, состояла из трех цепочек с фосфатными остовами в середине.

Когда модель показали Франклин, та подняла коллег на смех: она была уверена, что остатки фосфорной кислоты должны располагаться с внешней стороны молекулы, а не в центре.

Начальник Уотсона и Крика — Лоуренс Брэгг — так разозлился из-за этой неудачи, что запретил им дальше заниматься ДНК.

Еще не все пропало

Однако спустя год Брэгг поменял свое решение. В его лаборатории работал сын Лайнуса Полинга, который рассказал, что отец создал свою модель ДНК. В Брэгге взыграло самолюбие.

Они с Полингом были крупнейшими в мире специалистами в своей области, но американец первым определил строение и больших неорганических молекул, и белковой альфа-спирали. Брэгг был — и остается до сих пор — самым молодым лауреатом Нобелевской премии по физике, которую ему и его отцу вручили еще в 1915 году. Но с конца 1920-х он вечно оставался позади Полинга.

Через месяц в Кембридже раздобыли еще не опубликованную статью Полинга с описанием модели.

[attention type=green]

Ко всеобщему удивлению, ДНК в ней представала тройной спиралью с фосфатными остовами в центре, как за год до того предлагали Крик и Уотсон.

[/attention]

В автобиографии Уотсон вспоминал: “Пока Френсис поражался новаторскому подходу Полинга к химии, я начал дышать спокойнее. К этому моменту я знал, что мы все еще в игре”.

По рассказам Уотсона, он приезжал в Лондон, чтобы обсудить статью Полинга с Франклин, но та не разделила его энтузиазм и сказала, что молекула ДНК не может быть спиральной.

Возможно, Уотсон приврал: в лабораторном журнале Франклин сохранились более ранние записи о том, что одна из двух форм ДНК может представлять собой именно спираль. Со слов Уотсона, этот случай стал последней каплей для работавшего с Франклин Мориса Уилкинса.

Ее упрямство так надоело, что он в сердцах достал из ящика рентгеновский снимок ДНК и показал его Уотсону. У того отпала челюсть.

Квадратная пластинка размером всего несколько сантиметров вошла в историю как “Фотография 51”.

Чтобы сделать этот кадр, Франклин положила вытянутый в нить и кристаллизованный образец человеческой ДНК в специальную камеру, где рентгеновские лучи больше 60 часов отскакивали от него на пленку, формируя изображение — полосатый крест.

Для Уотсона этот крест стал очевидным доказательством того, что ДНК состоит из двух закрученных цепочек. Франклин же этого не разглядела. 

Красота — в простоте

Теперь ученые были уверены в спиралевидной форме молекулы. Но им еще нужно было объяснить, как в ДНК связаны кирпичики-основания с двух разных цепочек, — черные пятна на “Фотографии 51”.

Для этого Уотсон по-разному переставлял структурные формулы этих кирпичиков, но результата не было.

 Пока американский химик Джерри Донохью не показал ему свежую статью, где были описаны немного другие формулы кирпичиков ДНК.

[attention type=yellow]

Несколько дней Уотсон и Крик обдумывали новую модель, а 21 февраля 1953-го — ровно 65 лет назад — Уотсон догадался, что аденин из одной цепочки соединяется только с тимином из другой, а цитозин — с гуанином.

[/attention]

В таком случае молекула ДНК напоминает равномерно закрученную лестницу с краями из сахара, остатка фосфорной кислоты и с параллельными ступенями одинаковой длины. Эти сочетания объяснили, почему в любой молекуле ДНК содержится одинаковое количество аденина с тимином и цитозина с гуанином.

Наконец, если у каждого кирпичика есть только одна пара, то молекула может разделиться пополам и образовать две копии с той же генетической информацией. Ученых поразило, какой простой и красивой оказалась разгадка.

“Мы разгадали тайну жизни!”, — ставшую знаменитой фразу Фрэнсис Крик произнес в своем любимом баре в Кембридже, где они с Уотсоном праздновали открытие. Впрочем, до всеобщего признания было еще далеко. 

Новая загадка жизни

Первым делом выкладки показали Уилкинсу и Франклин. Те два дня сопоставляли их с рентгеновскими снимками и не нашли противоречий. В марте черновик статьи с описанием модели послали Полингу. Он похвалил коллег, но не понял, почему они отбросили гипотезу о тройной спирали. Для Полинга все встало на свои места, только когда он приехал в Кембридж и увидел фотографии Франклин.

Фрэнсис Крик, Джеймс Уотсон и Морис Уилкинс

© AP Photo

В апреле статья Крика и Уотсона вышла в журнале Nature. В 1962 году Уотсону, Крику и Уилкинсу присудили Нобелевскую премию. Франклин умерла в 1958 году и осталась без награды.

В последующие десятилетия другие ученые создали трехмерные компьютерные модели, расшифровали ДНК человека и других видов, а в последние годы научились редактировать записанные в ДНК гены.

Возникла новая загадка — что станет с жизнью, если теперь ее программирует человек.

Марат Кузаев.

Источник: https://nauka.tass.ru/nauka/4974134

Формы ДНК, структура и синтез

Какие структурные особенности имеет молекула днк

Дезоксирибонуклеиновая кислота – ДНК – служит носителем наследственной информации, передаваемой живыми организмами следующим поколениям, и матрицей для строительства белков и различных регуляторных факторов, потребных организму в процессах роста и жизнедеятельности. В этой статье мы остановимся на том, какими бывают наиболее распространенные формы структуры ДНК. Также мы обратим внимание на то, как строятся эти формы и в каком виде ДНК пребывает внутри живой клетки.

Уровни организации молекулы ДНК

Различают четыре уровня, определяющих строение и морфологию этой гигантской молекулы:

  • Первичный уровень, или структура – это порядок нуклеотидов в цепи.
  • Вторичная структура представляет собой знаменитую «двойную спираль». Устоялось именно это словосочетание, хотя на самом деле подобная структура напоминает винт.
  • Третичная структура образуется вследствие того, что между отдельными участками двухцепочечной закрученной нити ДНК возникают слабые водородные связи, придающие молекуле сложную пространственную конформацию.
  • Четвертичная структура – это уже сложный комплекс ДНК с некоторыми белками и РНК. В такой конфигурации ДНК упакована в хромосомы в ядре клетки.

Первичная структура: компоненты ДНК

Блоками, из которых строится макромолекула дезоксирибонуклеиновой кислоты, являются нуклеотиды, представляющие собой соединения, в состав каждого из которых входят:

  • азотистое основание – аденин, гуанин, тимин или цитозин. Аденин и гуанин относятся к группе пуриновых оснований, цитозин и тимин – пиримидиновых;
  • пятиуглеродный моносахарид дезоксирибоза;
  • остаток ортофосфорной кислоты.

При образовании полинуклеотидной цепочки важную роль играет порядок групп, образуемых атомами углерода в кольцевой молекуле сахара. Фосфатный остаток в нуклеотиде соединен с 5’-группой (читается «пять прайм») дезоксирибозы, то есть с пятым атомом углерода. Наращивание цепочки происходит путем присоединения к свободной 3’-группе дезоксирибозы фосфатного остатка следующего нуклеотида.

Таким образом, первичная структура ДНК в форме полинуклеотидной цепи – имеет 3’- и 5’-концы. Это свойство молекулы ДНК называется полярностью: синтез цепи может идти только в одном направлении.

Образование вторичной структуры

Следующий шаг в структурной организации ДНК базируется на принципе комплементарности азотистых оснований – их способности попарно соединяться друг с другом посредством водородных связей.

Комплементарность – взаимное соответствие – возникает по той причине, что аденин и тимин образуют двойную связь, а гуанин и цитозин – тройную.

Поэтому при формировании двойной цепи эти основания встают друг напротив друга, образуя соответствующие пары.

[attention type=red]

Полинуклеотидные последовательности располагаются во вторичной структуре антипараллельно. Так, если одна из цепочек имеет вид 3’ – АГГЦАТАА – 5’, то противоположная будет выглядеть следующим образом: 3’ – ТТАТГЦЦТ – 5’.

[/attention]

При образовании молекулы ДНК происходит закручивание сдвоенной полинуклеотидной цепи, причем от концентрации солей, от водонасыщенности, от строения самой макромолекулы зависит, какие формы может принимать ДНК на данной структурной ступени. Известно несколько таких форм, обозначаемых латинскими буквами A, B, C, D, E, Z.

Конфигурации C, D и E не встречены в живой природе и наблюдались только в лабораторных условиях. Мы рассмотрим основные формы ДНК: так называемые канонические A и B, а также конфигурацию Z.

А-ДНК – сухая молекула

А-форма – это правый винт с 11 комплементарными парами оснований в каждом витке. Диаметр его составляет 2,3 нм, а длина одного витка спирали – 2,5 нм. Плоскости, образуемые спаренными основаниями, имеют наклон 20° по отношению к оси молекулы. Соседние нуклеотиды расположены в цепочках компактно – между ними всего 0,23 нм.

Такая форма ДНК возникает при низкой гидратации и при повышенной ионной концентрации натрия и калия. Она характерна для процессов, в которых ДНК образует комплекс с РНК, поскольку последняя не способна принимать иные формы. Кроме того, А-форма весьма устойчива к ультрафиолетовому облучению. В этой конфигурации дезоксирибонуклеиновая кислота содержится в грибных спорах.

Влажная B-ДНК

При малом содержании солей и высокой степени гидратации, то есть в нормальных физиологических условиях, ДНК принимает свою главную форму B. Природные молекулы существуют, как правило, в В-форме. Именно она лежит в основе классической модели Уотсона-Крика и чаще всего изображается на иллюстрациях.

Данной форме (она также правозакрученная) свойственна меньшая компактность размещения нуклеотидов (0,33 нм) и большой шаг винта (3,3 нм). Один виток содержит 10,5 пары оснований, поворот каждой из них относительно предыдущей составляет около 36°. Плоскости пар почти перпендикулярны оси «двойной спирали». Диаметр такой сдвоенной цепочки меньше, чем у А-формы – он достигает только 2 нм.

Неканоническая Z-ДНК

В отличие от канонических ДНК, молекула типа Z представляет собой левозакрученный винт. Она самая тонкая из всех, имеет диаметр всего 1,8 нм. Витки ее длиной 4,5 нм как бы вытянуты; эта форма ДНК содержит 12 спаренных оснований на каждый виток. Расстояние между соседними нуклеотидами также достаточно велико – 0,38 нм. Так что Z-форма характеризуется наименьшей степенью скрученности.

Образуется она из конфигурации B-типа на тех участках, где в составе нуклеотидной последовательности чередуются пуриновые и пиримидиновые основания, при изменении содержания ионов в растворе.

Формирование Z-ДНК связано с биологической активностью и является очень кратковременным процессом. Подобная форма нестабильна, что создает трудности при исследовании ее функций.

Пока что они в точности не ясны.

Репликация ДНК и ее строение

И первичная, и вторичная структуры ДНК возникают в ходе явления, называемого репликацией – образования из материнской макромолекулы двух идентичных ей «двойных спиралей». При репликации исходная молекула расплетается, и на освободившихся одиночных цепочках происходит наращивание комплементарных оснований.

Поскольку половинки ДНК антипараллельны, этот процесс протекает на них в разных направлениях: по отношению к материнским цепочкам от 3’-конца к 5’-концу, то есть новые цепочки растут в направлении 5’ → 3’.

Лидирующая цепь синтезируется непрерывно в сторону репликационной вилки; на отстающей цепи синтез совершается от вилки отдельными участками (фрагменты Оказаки), которые затем сшивает между собой особый фермент – ДНК-лигаза.

Пока продолжается синтез, уже сформированные концы дочерних молекул претерпевают винтообразное закручивание. Затем, еще до окончания репликации новорожденные молекулы начинают образовывать третичную структуру в процессе, именуемом сверхспирализацией.

Сверхспирализованная форма ДНК возникает, когда двухцепочечная молекула совершает дополнительное закручивание. Оно может быть направлено по часовой стрелке (положительно) либо против (в этом случае говорят об отрицательной сверхспирализации). ДНК большинства организмов суперскручена отрицательно, то есть против основных витков «двойной спирали».

В результате образования дополнительных петель – супервитков – ДНК приобретает сложную пространственную конфигурацию.

В клетках эукариот этот процесс происходит с формированием комплексов, в которых ДНК отрицательно навивается на гистоновые белковые комплексы и принимает вид нити с бусинами-нуклеосомами. Свободные участки нити называются линкерами.

[attention type=green]

В поддержании суперскрученной формы молекулы ДНК принимают участие и негистоновые белки, а также неорганические соединения. Так образуется хроматин – вещество хромосом.

[/attention]

Хроматиновые нити с нуклеосомными бусинами способны к дальнейшему усложнению морфологии в процессе, называемом конденсацией хроматина.

Окончательная компактизация ДНК

В ядре форма макромолекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты становится чрезвычайно сложной, компактизируясь в несколько этапов.

  1. Во-первых, нить сворачивается в особую структуру типа соленоида – хроматиновую фибриллу толщиной в 30 нм. На этом уровне ДНК, сворачиваясь, сокращает свою длину в 6-10 раз.
  2. Далее фибрилла при помощи специфических скэффолд-белков образует зигзагообразные петли, что уменьшает линейный размер ДНК уже в 20-30 раз.
  3. На следующем уровне формируются плотно упакованные петельные домены, чаще всего имеющие форму, условно названную «ламповая щетка». Они прикрепляются к внутриядерному белковому матриксу. Толщина таких структур составляет уже 700 нм, ДНК при этом укорачивается приблизительно в 200 раз.
  4. Последний уровень морфологической организации – хромосомный. Петельные домены уплотняются настолько, что достигается общее укорочение в 10 000 раз. Если длина растянутой молекулы – около 5 см, то после упаковки в хромосомы она уменьшается до 5 мкм.

Высшего уровня усложнения формы ДНК достигает в состоянии метафазы митоза. Именно тогда она приобретает характерный облик – две хроматиды, соединенные перетяжкой-центромерой, которая обеспечивает расхождение хроматид в процессе деления.

Интерфазная ДНК организована до доменного уровня и распределяется в ядре клетки без особого порядка.

Таким образом, мы видим, что морфология ДНК тесно связана с различными фазами ее существования и отражает особенности функционирования этой важнейшей для жизни молекулы.

Источник: https://FB.ru/article/394138/formyi-dnk-struktura-i-sintez

Медик
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: