Cechy struktury cząsteczki DNA. Cząsteczka ludzkiego DNA. Jak działają geny, czym jest RNA, nukleotydy, synteza białek. Inicjacja – początek

Pierwszy dowód na rolę DNA jako nośnika informacji dziedzicznej w organizmach przyciągnął ogromną uwagę do badania kwasów nukleinowych. W 1869 roku F. Miescher wyizolował z jąder komórkowych specjalną substancję, którą nazwał nukleiną. Po 20 latach nazwę tę zastąpiono terminem Kwas nukleinowy. W 1924 r. R. Felgen opracował metodę cytologicznego rozpoznawania kwasów nukleinowych poprzez ich specyficzne barwienie i wykazał, że DNA zlokalizowane jest w jądrach komórkowych, a RNA w cytoplazmie. W 1936 roku A.N. Belozersky i I.I. Dubrovskaya wyizolowała DNA w czystej postaci z jąder komórek roślinnych. Na początku lat 30. XX w. Wyjaśniono podstawowe zasady chemiczne budowy cukrów kwasów nukleinowych, a w 1953 roku stworzono model strukturalny DNA.

Podstawową jednostką strukturalną kwasów nukleinowych jest nukleotyd, który składa się z trzech różnych chemicznie części połączonych wiązaniami kowalencyjnymi (ryc. 5.2).

Ryż. 5.2. Wzory strukturalne: A- nukleotydy; B- DNA; V - RNA (patrz także s. 110)

Ryż. 5.2. Kończący się. Wzory strukturalne: A- nukleotydy; 6 - DNA; V-RNA

Pierwsza część to cukier zawierający pięć atomów węgla: dezoksyryboza w DNA i ryboza w RNA.

Druga część nukleotydu, zasada azotowa purynowa lub pirymidynowa, jest kowalencyjnie połączona z pierwszym atomem węgla cukru, tworząc strukturę zwaną nukleozyd. DNA zawiera zasady purynowe - adenina(A) i guanina(D) - i zasady pirymidynowe - tymina(T) i cytozyna(C). Odpowiednie nukleozydy nazywane są deoksyadenozyną, deoksyguanozyną, deoksytymidyną i deoksycytydyną. RNA zawiera te same zasady purynowe co DNA, czyli zasadę pirymidynową cytozyna i zamiast tyminy zawiera uracyl(U); odpowiednie nukleozydy nazywane są adenozyną, guanozyną, urydyną i cytydyną.

Trzecią częścią nukleotydu jest grupa fosforanowa, która łączy sąsiednie nukleozydy w łańcuch polimeru poprzez wiązania fosfodiestrowe między atomem 5 węgla jednego cukru a atomem 3 węgla drugiego (ryc. 5.2, b, V). Nukleotydy nazywane są nukleozydami z jedną lub większą liczbą grup fosforanowych przyłączonych wiązaniami estrowymi do 3" lub 5 atomów węgla cukru. Synteza nukleotydów poprzedza syntezę kwasów nukleinowych; zatem nukleotydy są produktami chemicznej lub enzymatycznej hydrolizy kwasów nukleinowych.

Kwasy nukleinowe to bardzo długie łańcuchy polimerowe składające się z mononukleotydów połączonych wiązaniami 5- i 3'-fosfodiestrowymi. Nienaruszona cząsteczka DNA zawiera, w zależności od rodzaju organizmu, od kilku tysięcy do wielu milionów nukleotydów, nienaruszona cząsteczka RNA - od 100 do 100 tysięcy lub więcej nukleotydów.

Wyniki analiz E. Chargaffa składu nukleotydowego DNA różnych form gatunkowych wykazały, że stosunek molekularny różnych zasad azotowych - adeniny, guaniny, tyminy, cytozyny - jest bardzo zróżnicowany. W rezultacie udowodniono, że DNA wcale nie jest monotonnym polimerem składającym się z identycznych tetranukleotydów, jak zakładano w latach 40. XX wieku. XX wieku i że w pełni posiada złożoność niezbędną do zachowania i przekazania informacji dziedzicznej w postaci określonej sekwencji zasad nukleotydowych.

Badania E. Chargaffa ujawniły także cechę właściwą wszystkim cząsteczkom DNA: zawartość molowa adeniny jest równa zawartości tyminy, a zawartość molowa guaniny jest równa zawartości cytozyny. Równości te nazywane są regułą równoważności Chargaffa: [A] = [T], [G] = [C]; liczba puryn jest równa liczbie pirymidyn. W zależności od gatunku zmienia się jedynie stosunek ([A] + [T])/([G] + [C]) (tab. 5.1).

Stosunek zasad nazywa się współczynnik nukleotydowy(gatunek) specyficzność. Odkrycie Chargaffa sformułowało ważną cechę strukturalną DNA, co znalazło później odzwierciedlenie w modelu strukturalnym DNA J. Watsona i F. Cricka (1953), którzy faktycznie wykazali, że reguły Chargaffa nie nakładają żadnych ograniczeń na możliwą liczbę kombinacji DNA. różne sekwencje zasad zdolne do tworzenia cząsteczek DNA.

Koncepcja specyficzności nukleotydów stała się podstawą nowej gałęzi biologii - systematyka genów, który działa poprzez porównanie składu i struktury kwasów nukleinowych w celu zbudowania naturalnego układu organizmów.

Według modelu Watsona-Cricka cząsteczka DNA składa się z dwóch łańcuchów polinukleotydowych (nici, nici), połączonych ze sobą za pomocą poprzecznych wiązań wodorowych pomiędzy zasadami azotowymi zgodnie z zasadą komplementarności (adenina jednego łańcucha jest połączona dwoma wiązaniami wodorowymi z tymina o przeciwległym łańcuchu oraz guanina i cytozyna o różnych łańcuchach są połączone ze sobą trzema wiązaniami wodorowymi). W tym przypadku dwa łańcuchy polinukleotydowe jednej cząsteczki są antyrównoległe, tj. naprzeciw końca 3" jednego łańcucha znajduje się koniec 5" drugiego łańcucha i odwrotnie (ryc. 5.3). Należy jednak pamiętać o współczesnych danych, że materiał genetyczny niektórych wirusów jest reprezentowany przez jednoniciowe (jednoniciowe) cząsteczki DNA. Na podstawie analizy dyfrakcji promieni rentgenowskich DNA J. Watson i F. Crick również doszli do wniosku, że jego dwuniciowa cząsteczka ma strukturę drugorzędową w postaci helisy skręconej w kierunku od lewej do prawej, którą później nazwano 5 -forma (ryc. 5.4). Do tej pory udowodniono, że oprócz najpowszechniejszej formy 5 możliwe jest wykrycie odcinków DNA o innej konfiguracji - jako prawoskrętnej (formy A, C) i skręcony od prawej do lewej (skręcony w lewo lub w kształcie litery Z) (ryc. 5.4). Istnieją pewne różnice pomiędzy tymi formami drugorzędowej struktury DNA (tabela 5.2). Na przykład odległość między dwiema sąsiadującymi parami zasad azotowych w dwuniciowej helisie, wyrażona w nanometrach (nm), charakteryzuje się różnymi wartościami dla formy 5 i formy Z (odpowiednio 0,34 i 0,38 nm) . Na ryc. Rysunek 5.5 przedstawia nowoczesne trójwymiarowe modele „leworęcznych” i „praworęcznych” form DNA.

Ryż. 5.3. schematyczne przedstawienie pierwotnej struktury fragmentu dwuniciowej cząsteczki DNA: A - adenina; G - guanina; T - tymina; C - cytozyna

Ryż. 5.4.

Tabela 5.2

Właściwości różnych form podwójnych helis DNA

Cząsteczki RNA, w zależności od ich cech strukturalnych i funkcjonalnych, dzieli się na kilka typów: informacyjny RNA (mRNA lub mRNA), rybosomalny RNA (rRNA), transferowy RNA (tRNA), mały jądrowy RNA (snRNA) itp. W odróżnieniu od Cząsteczki DNA, RNA są zawsze jednoniciowe (jednoniciowe). Mogą jednak tworzyć bardziej złożone (wtórne) konfiguracje ze względu na komplementarne połączenie poszczególnych odcinków takiego łańcucha w oparciu o oddziaływanie komplementarnych zasad azotowych (A-U i G-C). Jako przykład rozważmy konfigurację koniczyny dla cząsteczki RNA przenoszącego fenyloalaninę (rysunek 5.6).

Ryż. 5.6.

W 1953 roku D. Watson i F. Crick zaproponowali model struktury DNA, który opierał się na następujących postulatach:

• 1. DNA jest polimerem składającym się z nukleotydów połączonych 3" i 5" wiązaniami fosfodiestrowymi.
• 2. Skład nukleotydów DNA podlega prawom Chargaffa.
• 3. Cząsteczka DNA ma strukturę podwójnej helisy, przypominającą spiralne schody, o czym świadczą wzory dyfrakcji promieni rentgenowskich nici DNA uzyskane po raz pierwszy przez M. Wilkinsa i R. Franklina.
• 4. Struktura polimeru, jak wynika z miareczkowania kwasowo-zasadowego natywnego (naturalnego) DNA, jest stabilizowana wiązaniami wodorowymi. Miareczkowanie i ogrzewanie natywnego DNA powoduje zauważalną zmianę jego właściwości fizycznych, w szczególności lepkości, przekształcając go w formę zdenaturowaną, a wiązania kowalencyjne nie ulegają zniszczeniu.

Watsonie I Krzyk pokazał, że DNA składa się z dwóch łańcuchów polinukleotydowych. Każdy łańcuch jest skręcony w spiralę w prawo, a oba są skręcone razem, to znaczy skręcone w prawo wokół tej samej osi, tworząc podwójną helisę.

Łańcuchy są antyrównoległe, to znaczy skierowane w przeciwnych kierunkach. Każda nić DNA składa się ze szkieletu cukrowo-fosforanowego, wzdłuż którego zasady są umieszczone prostopadle do długiej osi podwójnej helisy; Przeciwległe zasady dwóch przeciwległych nici podwójnej helisy są połączone wiązaniami wodorowymi.

Szkielety fosforanów cukru dwie nici podwójnej helisy wyraźnie widoczne na przestrzennym modelu DNA. Odległość pomiędzy szkieletami cukrowo-fosforanowymi obu łańcuchów jest stała i równa odległości zajmowanej przez parę zasad, tj. jedną purynę i jedną pirymidynę. Dwie puryny zajmowałyby zbyt dużo miejsca, a dwie pirymidyny zajmowałyby zbyt mało miejsca, aby wypełnić luki między dwoma łańcuchami.

Wzdłuż osi cząsteczki sąsiednie pary zasad znajdują się w odległości 0,34 nm od siebie, co wyjaśnia okresowość wykrywaną na obrazach dyfrakcji promieni rentgenowskich. Pełny obrót spirali odpowiada 3,4 nm, tj. 10 par zasad. Nie ma ograniczeń co do kolejności nukleotydów w jednym łańcuchu, jednak ze względu na zasadę parowania zasad, ta sekwencja w jednym łańcuchu determinuje sekwencję nukleotydów w drugim łańcuchu. Dlatego mówimy, że dwie nici podwójnej helisy są względem siebie komplementarne.

Watsonie I Krzyk opublikował wiadomość dot Twój model DNA w czasopiśmie „” w 1953 r., a w 1962 r. wraz z Maurice’em Wilkinsem otrzymali za tę pracę Nagrodę Nobla. W tym samym roku Kendrew i Perutz otrzymali Nagrodę Nobla za pracę nad określeniem trójwymiarowej struktury białek, również dokonaną metodą analizy dyfrakcji promieni rentgenowskich. Rosalind Franklin, która zmarła na raka przed przyznaniem nagród, nie została uwzględniona jako laureatka, ponieważ Nagroda Nobla nie jest przyznawana pośmiertnie.

Aby uznać zaproponowaną strukturę za materiał genetyczny, należało wykazać, że jest ona zdolna do: 1) przenoszenia zakodowanej informacji oraz 2) dokładnego odtwarzania (replikowania). Watson i Crick byli świadomi, że ich model spełnia te wymagania. Na końcu swojej pierwszej pracy ostrożnie odnotowali: „Nie umknęło naszej uwadze, że postulowane przez nas specyficzne parowanie zasad od razu pozwala nam postulować możliwy mechanizm kopiowania materiału genetycznego”.

W drugim artykule, opublikowanym w 1953 r., omówili genetyczne implikacje swojego modelu. To odkrycie pokazało, jak to zrobić wyraźna struktura można wiązać z funkcją już na poziomie molekularnym, dało potężny impuls do rozwoju biologii molekularnej.

Plan porodu danej osoby jest gotowy, gdy komórki rozrodcze matki i ojca łączą się w jedną. Ta formacja nazywa się zygotą lub zapłodnionym jajem. Sam plan rozwoju organizmu zawarty jest w cząsteczce DNA znajdującej się w jądrze tej pojedynczej komórki. To w nim zakodowany jest kolor włosów, wzrost, kształt nosa i wszystko inne, co czyni człowieka indywidualnym.

Oczywiście los człowieka zależy nie tylko od cząsteczki, ale także od wielu innych czynników. Ale geny zapisane w chwili urodzenia również w dużym stopniu wpływają na fatalną ścieżkę. Reprezentują sekwencję nukleotydów.

Za każdym razem, gdy komórka się dzieli, DNA podwaja się. Dlatego każda komórka niesie informację o budowie całego organizmu. To tak, jakby wznosząc budynek z cegły, każda cegła miała plan architektoniczny całej konstrukcji. Patrzysz na jedną cegłę i już wiesz, której konstrukcji budowlanej jest częścią.

Prawdziwą strukturę cząsteczki DNA po raz pierwszy zademonstrował brytyjski biolog John Gurdon w 1962 roku. Pobrał jądro komórkowe z jelita żaby i za pomocą technik mikrochirurgicznych przeszczepił je do żabiego jaja. Co więcej, w tym jaju jego własne jądro zostało wcześniej zniszczone przez promieniowanie ultrafioletowe.

Z jaja hybrydowego wyrosła normalna żaba. Co więcej, był absolutnie identyczny z tym, z którego pobrano jądro komórkowe. To zapoczątkowało erę klonowania. Pierwszym udanym rezultatem klonowania wśród ssaków była owca Dolly. Żyła 6 lat i zmarła.

Jednak sama natura stwarza również sobowtóry. Dzieje się tak, gdy po pierwszym podziale zygoty dwie nowe komórki nie pozostają razem, lecz oddalają się od siebie i każda z nich wytwarza własny organizm. Tak rodzą się bliźnięta jednojajowe. Ich cząsteczki DNA są dokładnie takie same, dlatego bliźnięta są tak podobne.

Z wyglądu DNA przypomina drabinę linową skręconą w prawoskrętną spiralę. I składa się z łańcuchów polimerowych, z których każdy jest utworzony z 4 rodzajów jednostek: adeniny (A), guaniny (G), tyminy (T) i cytozyny (C).

W ich sekwencji zawarty jest program genetyczny każdego żywego organizmu. Na przykład poniższy rysunek przedstawia nukleotyd T. Jego górny pierścień nazywany jest zasadą azotową, pięcioczłonowy pierścień na dole to cukier, a po lewej stronie jest grupa fosforanowa.

Rysunek przedstawia nukleotyd tyminy, który jest częścią DNA. Pozostałe 3 nukleotydy mają podobną strukturę, ale różnią się zasadą azotową. Prawy górny pierścień to zasada azotowa. Dolny pięcioczłonowy pierścień to cukier. Lewa grupa PO - fosforan

Wymiary cząsteczki DNA

Średnica podwójnej helisy wynosi 2 nm (nm to nanometr, równy 10-9 metrów). Odległość między sąsiednimi parami zasad wzdłuż helisy wynosi 0,34 nm. Podwójna helisa wykonuje pełny obrót co 10 par. Ale długość zależy od organizmu, do którego należy cząsteczka. Najprostsze wirusy mają tylko kilka tysięcy linków. Bakterie mają ich kilka milionów. A organizmy wyższe mają ich miliardy.

Jeśli rozciągniesz całe DNA zawarte w jednej ludzkiej komórce w jedną linię, otrzymasz nić o długości około 2 m. To pokazuje, że długość nici jest miliardy razy większa niż jej grubość. Aby lepiej wyobrazić sobie wielkość cząsteczki DNA, można sobie wyobrazić, że jej grubość wynosi 4 cm. Taka nić pobrana z jednej ludzkiej komórki może okrążyć kulę ziemską wzdłuż równika. W tej skali człowiek będzie odpowiadał wielkości Ziemi, a jądro komórkowe urosnie do rozmiarów stadionu.

Czy model Watsona i Cricka jest poprawny?

Biorąc pod uwagę strukturę cząsteczki DNA, pojawia się pytanie, w jaki sposób, mając tak ogromną długość, znajduje się ona w jądrze. Musi leżeć tak, aby na całej swojej długości był dostępny dla polimerazy RNA, która odczytuje pożądane geny.

Jak przebiega replikacja? Przecież po podwojeniu dwa uzupełniające się łańcuchy muszą się rozdzielić. Jest to dość trudne, ponieważ łańcuchy są początkowo skręcone w spiralę.

Pytania takie budziły początkowo wątpliwości co do słuszności modelu Watsona i Cricka. Ale ten model był zbyt specyficzny i po prostu drażnił specjalistów swoją nienaruszalnością. Dlatego wszyscy rzucili się do szukania wad i sprzeczności.

Niektórzy eksperci zakładali, że jeśli niefortunna cząsteczka składa się z 2 łańcuchów polimerowych połączonych słabymi wiązaniami niekowalencyjnymi, to powinny one się rozejść po podgrzaniu roztworu, co można łatwo zweryfikować eksperymentalnie.

Drugich specjalistów zainteresowali zasady azotowe, które tworzą między sobą wiązania wodorowe. Można to zweryfikować, mierząc widma cząsteczki w obszarze podczerwieni.

Jeszcze inni sądzili, że gdyby w podwójnej helisie rzeczywiście były ukryte zasady azotowe, wówczas można byłoby dowiedzieć się, czy na cząsteczkę wpływają te substancje, które mogą reagować tylko z tymi ukrytymi grupami.

Przeprowadzono wiele eksperymentów i pod koniec lat 50. XX wieku stało się jasne, że model zaproponowany przez Watsona i Cricka przeszedł wszelkie testy. Próby obalenia tego nie powiodły się.

Cząsteczka DNA składa się z dwóch nici tworzących podwójną helisę. Jego strukturę po raz pierwszy rozszyfrowali Francis Crick i James Watson w 1953 roku.

Początkowo cząsteczka DNA, składająca się z pary skręconych ze sobą łańcuchów nukleotydowych, rodziła pytania, dlaczego ma taki szczególny kształt. Naukowcy nazywają to zjawisko komplementarnością, co oznacza, że ​​w jego niciach można znaleźć tylko określone nukleotydy naprzeciw siebie. Na przykład adenina jest zawsze przeciwna tyminie, a guanina jest zawsze przeciwna cytozynie. Te nukleotydy cząsteczki DNA nazywane są komplementarnymi.

Schematycznie jest to przedstawione w ten sposób:

T-A

C-G

Pary te tworzą chemiczne wiązanie nukleotydowe, które określa kolejność aminokwasów. W pierwszym przypadku jest trochę słabszy. Połączenie między C i G jest silniejsze. Niekomplementarne nukleotydy nie tworzą ze sobą par.

O budynku

Zatem struktura cząsteczki DNA jest wyjątkowa. Nie bez powodu ma taki kształt: faktem jest, że liczba nukleotydów jest bardzo duża i potrzeba dużo miejsca, aby pomieścić długie łańcuchy. Z tego powodu łańcuchy charakteryzują się spiralnym skrętem. Zjawisko to nazywa się spiralizacją, pozwala na skrócenie nici około pięcio-, sześciokrotnie.

Organizm wykorzystuje niektóre cząsteczki tego typu bardzo aktywnie, inne rzadko. Te ostatnie oprócz spiralizacji poddawane są także takim „opakowaniom kompaktowym”, jak superspiralizacja. A następnie długość cząsteczki DNA zmniejsza się 25-30 razy.

Co to jest „opakowanie” cząsteczki?

W procesie superskręcenia biorą udział białka histonowe. Mają budowę i wygląd szpulki z nicią lub pręta. Nawijane są na nie spiralne nici, które od razu stają się „kompaktowe” i zajmują niewiele miejsca. Kiedy zajdzie potrzeba użycia tej lub innej nici, jest ona rozwijana ze szpuli, na przykład białka histonowego, a helisa rozwija się w dwa równoległe łańcuchy. Gdy cząsteczka DNA znajduje się w tym stanie, można z niej odczytać niezbędne dane genetyczne. Jest jednak jeden warunek. Uzyskanie informacji jest możliwe tylko wtedy, gdy struktura cząsteczki DNA ma postać nieskręconą. Chromosomy dostępne do odczytu nazywane są euchromatynami, a jeśli są superskręcone, to są już heterochromatynami.

Kwasy nukleinowe

Kwasy nukleinowe, podobnie jak białka, są biopolimerami. Główną funkcją jest przechowywanie, wdrażanie i przekazywanie dziedzicznych (informacji genetycznych). Występują w dwóch typach: DNA i RNA (deoksyrybonukleinowe i rybonukleinowe). Monomery w nich zawarte to nukleotydy, z których każdy zawiera resztę kwasu fosforowego, pięciowęglowy cukier (deoksyryboza/ryboza) i zasadę azotową. Kod DNA obejmuje 4 rodzaje nukleotydów - adeninę (A) / guaninę (G) / cytozynę (C) / tyminę (T). Różnią się zawartością zasady azotowej.

W cząsteczce DNA liczba nukleotydów może być ogromna – od kilku tysięcy do dziesiątek i setek milionów. Takie gigantyczne cząsteczki można badać za pomocą mikroskopu elektronowego. W tym przypadku będzie można zobaczyć podwójny łańcuch nici polinukleotydowych, które są połączone ze sobą wiązaniami wodorowymi zasad azotowych nukleotydów.

Badania

W trakcie badań naukowcy odkryli, że rodzaje cząsteczek DNA różnią się w różnych żywych organizmach. Stwierdzono również, że guanina jednołańcuchowa może wiązać się tylko z cytozyną, a tymina z adeniną. Ułożenie nukleotydów w jednym łańcuchu ściśle odpowiada równoległemu. Dzięki tej komplementarności polinukleotydów cząsteczka DNA jest zdolna do podwajania i samoreprodukcji. Najpierw jednak komplementarne łańcuchy pod wpływem specjalnych enzymów niszczących sparowane nukleotydy rozchodzą się, a następnie w każdym z nich rozpoczyna się synteza brakującego łańcucha. Dzieje się tak z powodu wolnych nukleotydów obecnych w dużych ilościach w każdej komórce. W rezultacie zamiast „cząsteczki matki” powstają dwie „córki”, identyczne pod względem składu i struktury, a kod DNA staje się pierwotny. Proces ten jest prekursorem podziału komórki. Zapewnia transmisję wszystkich danych dziedzicznych z komórek macierzystych do komórek potomnych, a także do wszystkich kolejnych pokoleń.

Jak odczytywany jest kod genu?

Dziś oblicza się nie tylko masę cząsteczki DNA - można także poznać bardziej złożone dane, które wcześniej były niedostępne dla naukowców. Można na przykład przeczytać informacje o tym, jak organizm wykorzystuje własną komórkę. Oczywiście na początku informacja ta ma postać zakodowaną i ma postać pewnej matrycy, dlatego też musi zostać przetransportowana na specjalny nośnik, jakim jest RNA. Kwas rybonukleinowy jest w stanie przedostać się do komórki przez błonę jądrową i odczytać zakodowaną w niej informację. Zatem RNA jest nośnikiem ukrytych danych z jądra do komórki i różni się od DNA tym, że zawiera rybozę zamiast dezoksyrybozy i uracyl zamiast tyminy. Ponadto RNA jest jednoniciowy.

Synteza RNA

Dogłębna analiza DNA wykazała, że ​​po opuszczeniu jądra RNA przedostaje się do cytoplazmy, gdzie może zostać zintegrowany jako macierz z rybosomami (specjalne układy enzymatyczne). Kierując się otrzymanymi informacjami, potrafią zsyntetyzować odpowiednią sekwencję aminokwasów białkowych. Rybosom uczy się na podstawie kodu tripletowego, jaki rodzaj związku organicznego należy przyłączyć do tworzącego się łańcucha białkowego. Każdy aminokwas ma swój własny, specyficzny triplet, który go koduje.

Po zakończeniu tworzenia łańcucha uzyskuje on określoną formę przestrzenną i zamienia się w białko zdolne do wykonywania swoich funkcji hormonalnych, konstrukcyjnych, enzymatycznych i innych. Dla każdego organizmu jest to produkt genu. To z niego określa się wszelkiego rodzaju cechy, właściwości i przejawy genów.

Geny

Procesy sekwencjonowania opracowano przede wszystkim w celu uzyskania informacji o liczbie genów w swojej strukturze cząsteczki DNA. I chociaż badania pozwoliły naukowcom poczynić w tej kwestii ogromny postęp, nie jest jeszcze możliwe poznanie ich dokładnej liczby.

Jeszcze kilka lat temu zakładano, że cząsteczki DNA zawierają około 100 tysięcy genów. Nieco później liczba ta spadła do 80 tysięcy, a w 1998 roku genetycy stwierdzili, że w jednym DNA występuje tylko 50 tysięcy genów, co stanowi zaledwie 3% całkowitej długości DNA. Ale najnowsze wnioski genetyków były uderzające. Teraz twierdzą, że genom zawiera 25–40 tys. takich jednostek. Okazuje się, że tylko 1,5% chromosomalnego DNA odpowiada za kodowanie białek.

Na tym badania się nie skończyły. Równolegle zespół specjalistów inżynierii genetycznej odkrył, że liczba genów w jednej cząsteczce wynosi dokładnie 32 tys. Jak widać, nadal nie można uzyskać ostatecznej odpowiedzi. Jest zbyt wiele sprzeczności. Wszyscy badacze polegają wyłącznie na swoich wynikach.

Czy była ewolucja?

Pomimo faktu, że nie ma dowodów na ewolucję cząsteczki (ponieważ struktura cząsteczki DNA jest delikatna i ma niewielkie rozmiary), naukowcy nadal przyjęli jedno założenie. Na podstawie danych laboratoryjnych przedstawili następującą wersję: w początkowej fazie swojego pojawienia się cząsteczka miała postać prostego samoreplikującego się peptydu, który zawierał aż 32 aminokwasy występujące w starożytnych oceanach.

Po samoreplikacji, dzięki siłom doboru naturalnego, cząsteczki nabyły zdolność do ochrony przed czynnikami zewnętrznymi. Zaczęli żyć dłużej i rozmnażać się w większych ilościach. Cząsteczki, które znalazły się w bańce lipidowej, miały wszelkie szanse na reprodukcję. W wyniku serii kolejnych cykli pęcherzyki lipidowe przybrały postać błon komórkowych, a następnie - dobrze znanych cząstek. Należy zauważyć, że dziś każdy odcinek cząsteczki DNA jest złożoną i wyraźnie funkcjonującą strukturą, której wszystkie cechy naukowcy nie zostały jeszcze w pełni zbadane.

Nowoczesny świat

Niedawno naukowcy z Izraela opracowali komputer, który może wykonywać biliony operacji na sekundę. Dziś jest to najszybszy samochód na Ziemi. Cały sekret polega na tym, że innowacyjne urządzenie zasilane jest DNA. Profesorowie twierdzą, że w niedalekiej przyszłości takie komputery będą w stanie nawet wytwarzać energię.

Rok temu specjaliści z Instytutu Weizmanna w Rehovot (Izrael) ogłosili powstanie programowalnego komputera molekularnego składającego się z cząsteczek i enzymów. Zastąpili nimi krzemowe mikrochipy. Do chwili obecnej zespół poczynił dalsze postępy. Teraz już tylko jedna cząsteczka DNA może dostarczyć komputerowi niezbędnych danych i niezbędnego paliwa.

Biochemiczne „nanokomputery” nie są fikcją; istnieją już w przyrodzie i przejawiają się w każdym żywym stworzeniu. Ale często nie są zarządzane przez ludzi. Człowiek nie jest jeszcze w stanie operować genomem żadnej rośliny, aby obliczyć, powiedzmy, liczbę „Pi”.

Pomysł wykorzystania DNA do przechowywania/przetwarzania danych po raz pierwszy przyszedł do głowy naukowcom w 1994 roku. To właśnie wtedy do rozwiązania prostego problemu matematycznego wykorzystano cząsteczkę. Od tego czasu wiele grup badawczych zaproponowało różne projekty związane z komputerami DNA. Ale tutaj wszystkie próby opierały się wyłącznie na cząsteczce energii. Takiego komputera nie widać gołym okiem; wygląda jak przezroczysty roztwór wody w probówce. Nie ma w nim żadnych części mechanicznych, a jedynie biliony urządzeń biomolekularnych – a to tylko w jednej kropli płynu!

Ludzkie DNA

Ludzie dowiedzieli się o rodzaju ludzkiego DNA w 1953 roku, kiedy naukowcom po raz pierwszy udało się zademonstrować światu model dwuniciowego DNA. Za to Kirk i Watson otrzymali Nagrodę Nobla, ponieważ odkrycie to stało się fundamentalne w XX wieku.

Z biegiem czasu oczywiście udowodnili, że ustrukturyzowana cząsteczka ludzka może wyglądać nie tylko tak, jak w proponowanej wersji. Po przeprowadzeniu bardziej szczegółowej analizy DNA odkryli formę A, B i lewoskrętną Z-. Forma A- jest często wyjątkiem, ponieważ powstaje tylko wtedy, gdy brakuje wilgoci. Jest to jednak możliwe tylko w badaniach laboratoryjnych, w środowisku naturalnym jest to zjawisko nietypowe; taki proces nie może zachodzić w żywej komórce.

Kształt B jest klasyczny i jest znany jako podwójny łańcuszek prawoskrętny, ale kształt Z jest nie tylko skręcony w przeciwnym kierunku do lewej, ale ma również bardziej zygzakowaty wygląd. Naukowcy zidentyfikowali także formę kwadrupleksu G. Jego struktura ma nie 2, ale 4 wątki. Według genetyków forma ta występuje na obszarach, gdzie występuje nadmiar guaniny.

Sztuczne DNA

Dziś istnieje już sztuczne DNA, które jest identyczną kopią prawdziwego; doskonale odwzorowuje strukturę naturalnej podwójnej helisy. Ale w przeciwieństwie do oryginalnego polinukleotydu, sztuczny ma tylko dwa dodatkowe nukleotydy.

Ponieważ dubbing powstał w oparciu o informacje uzyskane z różnych badań prawdziwego DNA, można go również kopiować, samoreplikować i ewoluować. Eksperci pracowali nad stworzeniem takiej sztucznej cząsteczki od około 20 lat. Rezultatem jest niesamowity wynalazek, który może wykorzystać kod genetyczny w taki sam sposób, jak naturalne DNA.

Do czterech istniejących zasad azotowych genetycy dodali dwie dodatkowe, które powstały w wyniku chemicznej modyfikacji zasad naturalnych. W przeciwieństwie do naturalnego DNA, sztuczne DNA okazało się dość krótkie. Zawiera tylko 81 par zasad. Jednak również się rozmnaża i ewoluuje.

Replikacja cząsteczki uzyskanej sztucznie odbywa się dzięki reakcji łańcuchowej polimerazy, ale na razie nie dzieje się to samodzielnie, ale dzięki interwencji naukowców. Samodzielnie dodają do wspomnianego DNA niezbędne enzymy, umieszczając je w specjalnie przygotowanym płynnym podłożu.

Ostateczny wynik

Na proces i ostateczny wynik rozwoju DNA mogą wpływać różne czynniki, takie jak mutacje. Powoduje to konieczność badania próbek materii, aby wynik analizy był rzetelny i rzetelny. Przykładem jest test na ojcostwo. Nie możemy jednak powstrzymać się od radości, że zdarzenia takie jak mutacja są rzadkie. Niemniej jednak próbki materii są zawsze ponownie sprawdzane w celu uzyskania dokładniejszych informacji na podstawie analizy.

Roślinne DNA

Dzięki wysokim technologiom sekwencjonowania (HTS) dokonała się rewolucja także w dziedzinie genomiki – możliwa jest także ekstrakcja DNA z roślin. Oczywiście uzyskanie wysokiej jakości DNA o masie cząsteczkowej z materiału roślinnego nastręcza pewne trudności ze względu na dużą liczbę kopii DNA mitochondriów i chloroplastów, a także wysoki poziom polisacharydów i związków fenolowych. Aby wyizolować konstrukcję, którą rozważamy w tym przypadku, stosuje się różne metody.

Wiązanie wodorowe w DNA

Wiązanie wodorowe w cząsteczce DNA jest odpowiedzialne za przyciąganie elektromagnetyczne powstające pomiędzy dodatnio naładowanym atomem wodoru, który jest przyłączony do atomu elektroujemnego. To oddziaływanie dipolowe nie spełnia kryterium wiązania chemicznego. Może jednak zachodzić międzycząsteczkowo lub w różnych częściach cząsteczki, tj. wewnątrzcząsteczkowo.

Atom wodoru przyłącza się do atomu elektroujemnego, który jest donorem wiązania. Atomem elektroujemnym może być azot, fluor lub tlen. To – poprzez decentralizację – przyciąga chmurę elektronów z jądra wodoru do siebie i sprawia, że ​​atom wodoru (częściowo) jest naładowany dodatnio. Ponieważ rozmiar H jest mały w porównaniu z innymi cząsteczkami i atomami, ładunek jest również mały.

Dekodowanie DNA

Przed rozszyfrowaniem cząsteczki DNA naukowcy najpierw pobierają ogromną liczbę komórek. Do najdokładniejszej i najskuteczniejszej pracy potrzeba ich około miliona. Wyniki uzyskane w trakcie badania są na bieżąco porównywane i rejestrowane. Dziś dekodowanie genomu nie jest już rzadkością, ale procedurą przystępną.

Oczywiście rozszyfrowanie genomu pojedynczej komórki jest zadaniem niepraktycznym. Dane uzyskane podczas takich badań nie interesują naukowców. Ważne jest jednak, aby zrozumieć, że wszystkie obecnie istniejące metody dekodowania, pomimo swojej złożoności, nie są wystarczająco skuteczne. Pozwolą na odczytanie jedynie 40-70% DNA.

Jednak profesorowie z Harvardu ogłosili niedawno metodę, dzięki której można rozszyfrować 90% genomu. Technika polega na dodaniu cząsteczek starterów do izolowanych komórek, za pomocą których rozpoczyna się replikacja DNA. Ale nawet tej metody nie można uznać za skuteczną; wymaga ona jeszcze udoskonalenia, zanim będzie można ją otwarcie zastosować w nauce.

MOSKWA, 25 kwietnia – RIA Nowosti, Tatyana Pichugina. Dokładnie 65 lat temu brytyjscy naukowcy James Watson i Francis Crick opublikowali artykuł na temat rozszyfrowania struktury DNA, kładąc podwaliny pod nową naukę - biologię molekularną. To odkrycie wiele zmieniło w życiu ludzkości. RIA Novosti opowiada o właściwościach cząsteczki DNA i o tym, dlaczego jest ona tak ważna.

W drugiej połowie XIX wieku biologia była nauką bardzo młodą. Naukowcy dopiero zaczynali badać komórkę, a poglądy na temat dziedziczności, choć sformułowane już przez Gregora Mendla, nie cieszyły się powszechną akceptacją.

Wiosną 1868 roku na Uniwersytet w Tybindze (Niemcy) przybył młody szwajcarski lekarz Friedrich Miescher, aby podjąć pracę naukową. Zamierzał dowiedzieć się, z jakich substancji zbudowana jest komórka. Do eksperymentów wybrałem leukocyty, które łatwo pozyskać z ropy.

Oddzielając jądro od protoplazmy, białek i tłuszczów, Miescher odkrył związek o wysokiej zawartości fosforu. Nazwał tę cząsteczkę nukleiną („jądro” po łacinie – jądro).

Związek ten wykazywał właściwości kwasowe, dlatego powstało określenie „kwas nukleinowy”. Jej przedrostek „deoksyrybo” oznacza, że ​​cząsteczka zawiera grupy H i cukry. Potem okazało się, że faktycznie była to sól, ale nazwy nie zmienili.

Już na początku XX wieku naukowcy wiedzieli, że nukleina jest polimerem (czyli bardzo długą, elastyczną cząsteczką składającą się z powtarzających się jednostek), jednostki zbudowane są z czterech zasad azotowych (adenina, tymina, guanina i cytozyna), a nukleina zawarty jest w chromosomach – zwartych strukturach występujących w dzielących się komórkach. Ich zdolność do przekazywania cech dziedzicznych wykazał amerykański genetyk Thomas Morgan w eksperymentach na muszkach owocowych.

Model wyjaśniający geny

Ale to, co kwas dezoksyrybonukleinowy, w skrócie DNA, robi w jądrze komórkowym, nie było rozumiane przez długi czas. Uważano, że odgrywa pewną rolę strukturalną w chromosomach. Jednostkom dziedziczności – genom – przypisywano naturę białkową. Przełomu dokonał amerykański badacz Oswald Avery, który eksperymentalnie udowodnił, że materiał genetyczny przenoszony jest z bakterii na bakterie poprzez DNA.

Stało się jasne, że należy zbadać DNA. Ale jak? W tamtym czasie naukowcy mieli do dyspozycji jedynie promienie rentgenowskie. Aby oświetlić nim cząsteczki biologiczne, trzeba je skrystalizować, a to jest trudne. Strukturę cząsteczek białka odszyfrowano na podstawie dyfrakcji promieni rentgenowskich w Cavendish Laboratory (Cambridge, Wielka Brytania). Pracujący tam młodzi badacze, James Watson i Francis Crick, nie dysponowali własnymi danymi eksperymentalnymi dotyczącymi DNA, dlatego wykorzystali zdjęcia rentgenowskie kolegów z King's College Maurice'a Wilkinsa i Rosalind Franklin.

Watson i Crick zaproponowali model struktury DNA, który dokładnie odpowiadał wzorom promieniowania rentgenowskiego: dwie równoległe nici skręcone w prawoskrętną helisę. Każdy łańcuch składa się z losowego zestawu zasad azotowych nawleczonych na szkielet ich cukrów i fosforanów i jest utrzymywany razem przez wiązania wodorowe pomiędzy zasadami. Ponadto adenina łączy się tylko z tyminą, a guanina z cytozyną. Zasada ta nazywana jest zasadą komplementarności.

Model Watsona i Cricka wyjaśnił cztery główne funkcje DNA: replikację materiału genetycznego, jego specyficzność, przechowywanie informacji w cząsteczce i jego zdolność do mutacji.

Naukowcy opublikowali swoje odkrycie w czasopiśmie Nature 25 kwietnia 1953 roku. Dziesięć lat później wraz z Maurice'em Wilkinsem otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie biologii (Rosalind Franklin zmarła w 1958 roku na raka w wieku 37 lat).

„Teraz, ponad pół wieku później, możemy stwierdzić, że odkrycie struktury DNA odegrało w rozwoju biologii tę samą rolę, do której doprowadziło odkrycie jądra atomowego w fizyce narodziny nowej fizyki kwantowej i odkrycie struktury DNA doprowadziły do ​​narodzin nowej, biologii molekularnej” – pisze Maxim Frank-Kamenetsky, wybitny genetyk, badacz DNA, autor książki „The Najważniejsza cząsteczka.”

Kod genetyczny

Teraz pozostało tylko dowiedzieć się, jak działa ta cząsteczka. Wiadomo było, że DNA zawiera instrukcje dotyczące syntezy białek komórkowych, które wykonują całą pracę w komórce. Białka to polimery składające się z powtarzających się zestawów (sekwencji) aminokwasów. Co więcej, jest tylko dwadzieścia aminokwasów. Gatunki zwierząt różnią się między sobą zestawem białek w komórkach, czyli różnymi sekwencjami aminokwasów. Genetycy twierdzili, że sekwencje te są zdeterminowane przez geny, które wówczas uważano za elementy składowe życia. Ale nikt nie wiedział dokładnie, jakie to geny.

Przejrzystość przyniósł autor teorii Wielkiego Wybuchu, fizyk Georgiy Gamow, pracownik George Washington University (USA). Opierając się na modelu dwuniciowej helisy DNA Watsona i Cricka zasugerował, że gen to odcinek DNA, czyli pewna sekwencja połączeń – nukleotydów. Ponieważ każdy nukleotyd jest jedną z czterech zasad azotowych, musimy po prostu dowiedzieć się, jak cztery elementy kodują dwadzieścia. Taka była idea kodu genetycznego.

Na początku lat sześćdziesiątych XX wieku ustalono, że białka syntetyzowane są z aminokwasów znajdujących się w rybosomach, co stanowi swego rodzaju „fabrykę” wewnątrz komórki. Aby rozpocząć syntezę białka, enzym zbliża się do DNA, rozpoznaje pewien odcinek na początku genu, syntetyzuje kopię genu w postaci małego RNA (nazywa się to matrycą), następnie białko jest hodowane w rybosomie z aminokwasy.

Odkryli również, że kod genetyczny jest trzyliterowy. Oznacza to, że jeden aminokwas odpowiada trzem nukleotydom. Jednostka kodu nazywana jest kodonem. W rybosomie informacja z mRNA jest odczytywana sekwencyjnie, kodon po kodonie. A każdy z nich odpowiada kilku aminokwasom. Jak wygląda szyfr?

Na to pytanie odpowiedzieli Marshall Nirenberg i Heinrich Mattei z USA. W 1961 roku po raz pierwszy ogłosili swoje wyniki na kongresie biochemicznym w Moskwie. Do roku 1967 kod genetyczny został całkowicie rozszyfrowany. Okazało się, że jest ono uniwersalne dla wszystkich komórek wszystkich organizmów, co ma daleko idące konsekwencje dla nauki.

Odkrycie struktury DNA i kodu genetycznego całkowicie przekierowało badania biologiczne. Fakt, że każdy człowiek ma unikalną sekwencję DNA, zrewolucjonizował kryminalistykę. Odszyfrowanie ludzkiego genomu dało antropologom zupełnie nową metodę badania ewolucji naszego gatunku. Niedawno wynaleziony edytor DNA CRISPR-Cas znacznie zaawansował inżynierię genetyczną. Najwyraźniej cząsteczka ta zawiera rozwiązanie najpilniejszych problemów ludzkości: nowotworów, chorób genetycznych, starzenia się.