DNA به دلیل انتقال تغییر می کند. DNA - اسید دئوکسی ریبونوکلئیک ساختار نوکلئوتیدها در یک مولکول DNA چیست؟

مسکو، 25 آوریل - ریانووستی، تاتیانا پیچوگینا.دقیقاً 65 سال پیش، دانشمندان بریتانیایی جیمز واتسون و فرانسیس کریک مقاله ای را در مورد رمزگشایی ساختار DNA منتشر کردند و پایه های یک علم جدید - زیست شناسی مولکولی را پی ریزی کردند. این کشف تغییرات زیادی در زندگی بشر ایجاد کرد. ریا نووستی در مورد خواص مولکول DNA و چرایی اهمیت آن صحبت می کند.

در نیمه دوم قرن نوزدهم، زیست شناسی علمی بسیار جوان بود. دانشمندان تازه شروع به مطالعه این سلول کرده بودند و ایده های وراثت، اگرچه قبلاً توسط گرگور مندل فرموله شده بود، به طور گسترده پذیرفته نشد.

در بهار سال 1868، یک دکتر جوان سوئیسی، فردریش میشر، به دانشگاه توبینگن (آلمان) وارد شد تا به کار علمی بپردازد. او قصد داشت دریابد که یک سلول از چه موادی ساخته شده است. برای آزمایش‌ها لکوسیت‌ها را انتخاب کردم که به راحتی از چرک به دست می‌آیند.

میشر با جدا کردن هسته از پروتوپلاسم، پروتئین و چربی، ترکیبی با محتوای فسفر بالا کشف کرد. او این مولکول را نوکلئین ("هسته" در لاتین - هسته) نامید.

این ترکیب دارای خواص اسیدی بود، به همین دلیل است که اصطلاح "نوکلئیک اسید" به وجود آمد. پیشوند آن "deoxyribo" به این معنی است که مولکول حاوی گروه های H و قند است. بعد معلوم شد که در واقع نمک بوده ولی اسمش را عوض نکردند.

در آغاز قرن بیستم، دانشمندان قبلاً می دانستند که نوکلئین یک پلیمر است (یعنی یک مولکول انعطاف پذیر بسیار طولانی از واحدهای تکرار شونده)، واحدها از چهار پایه نیتروژنی (آدنین، تیمین، گوانین و سیتوزین) و نوکلئین تشکیل شده اند. در کروموزوم ها وجود دارد - ساختارهای فشرده ای که در سلول های تقسیم می شوند. توانایی آنها در انتقال ویژگی های ارثی توسط توماس مورگان ژنتیک آمریکایی در آزمایش هایی بر روی مگس میوه نشان داده شد.

مدلی که ژن ها را توضیح می دهد

اما آنچه که اسید دئوکسی ریبونوکلئیک یا به اختصار DNA در هسته سلول انجام می دهد، برای مدت طولانی شناخته نشده است. اعتقاد بر این بود که نوعی نقش ساختاری در کروموزوم ها ایفا می کند. واحدهای وراثت - ژن - به ماهیت پروتئینی نسبت داده شدند. این پیشرفت توسط محقق آمریکایی اسوالد اوری انجام شد که به طور تجربی ثابت کرد که ماده ژنتیکی از طریق DNA از باکتری به باکتری منتقل می شود.

مشخص شد که DNA نیاز به مطالعه دارد. اما چگونه؟ در آن زمان فقط اشعه ایکس در دسترس دانشمندان بود. برای اینکه مولکول های بیولوژیکی را با آن روشن کنیم، باید متبلور می شدند و این مشکل است. ساختار مولکول های پروتئین از الگوهای پراش اشعه ایکس در آزمایشگاه کاوندیش (کمبریج، انگلستان) رمزگشایی شد. محققان جوانی که در آنجا کار می کردند، جیمز واتسون و فرانسیس کریک، داده های تجربی خود را در مورد DNA نداشتند، بنابراین آنها از عکس های اشعه ایکس همکاران از کالج کینگ موریس ویلکینز و روزالیند فرانکلین استفاده کردند.

واتسون و کریک مدلی از ساختار DNA ارائه کردند که دقیقاً با الگوهای اشعه ایکس مطابقت داشت: دو رشته موازی که به شکل یک مارپیچ راست دست پیچ خورده بودند. هر زنجیره از یک مجموعه تصادفی از بازهای نیتروژنی تشکیل شده است که بر روی ستون فقرات قندها و فسفات‌های آن‌ها قرار دارند و توسط پیوندهای هیدروژنی بین پایه‌ها به هم متصل می‌شوند. علاوه بر این، آدنین فقط با تیمین و گوانین با سیتوزین ترکیب می شود. این قاعده را اصل مکملیت می نامند.

مدل واتسون و کریک چهار عملکرد اصلی DNA را توضیح دادند: همانندسازی ماده ژنتیکی، ویژگی آن، ذخیره اطلاعات در مولکول، و توانایی آن برای جهش.

دانشمندان کشف خود را در 25 آوریل 1953 در مجله Nature منتشر کردند. ده سال بعد به همراه موریس ویلکینز جایزه نوبل زیست شناسی را دریافت کردند (رزالیند فرانکلین در سال 1958 بر اثر سرطان در سن 37 سالگی درگذشت).

اکنون، بیش از نیم قرن بعد، می توانیم بگوییم که کشف ساختار DNA همان نقشی را در توسعه زیست شناسی ایفا کرد که کشف هسته اتم در فیزیک به آن منجر شد ماکسیم فرانک-کامنتسکی، ژنتیک‌دان برجسته، محقق DNA و نویسنده کتاب «The مهم ترین مولکول."

کد ژنتیکی

اکنون باقی مانده است که بفهمیم این مولکول چگونه کار می کند. مشخص بود که DNA حاوی دستورالعمل هایی برای سنتز پروتئین های سلولی است که تمام کارها را در سلول انجام می دهند. پروتئین ها پلیمرهایی هستند که از مجموعه های تکرار شونده (توالی) اسیدهای آمینه تشکیل شده اند. علاوه بر این، تنها بیست اسید آمینه وجود دارد. گونه های حیوانی در مجموعه پروتئین های سلول های خود، یعنی در توالی های اسید آمینه مختلف با یکدیگر متفاوت هستند. ژنتیک ادعا کرد که این توالی‌ها توسط ژن‌ها تعیین می‌شوند، که سپس اعتقاد بر این بود که به عنوان بلوک‌های سازنده زندگی عمل می‌کنند. اما هیچ کس دقیقاً نمی دانست که ژن ها چیست.

وضوح توسط نویسنده نظریه بیگ بنگ، فیزیکدان جورجی گامو، کارمند دانشگاه جورج واشنگتن (ایالات متحده آمریکا) ارائه شد. بر اساس مدل واتسون و کریک از یک مارپیچ DNA دو رشته ای، او پیشنهاد کرد که یک ژن بخشی از DNA است، یعنی یک توالی مشخص از پیوندها - نوکلئوتیدها. از آنجایی که هر نوکلئوتید یکی از چهار پایه نیتروژنی است، ما به سادگی باید بفهمیم که چگونه چهار عنصر بیست را کد می کنند. این ایده کد ژنتیکی بود.

در اوایل دهه 1960، مشخص شد که پروتئین ها از اسیدهای آمینه در ریبوزوم ها، نوعی "کارخانه" در داخل سلول، سنتز می شوند. برای شروع سنتز پروتئین، آنزیمی به DNA نزدیک می شود، ناحیه خاصی را در ابتدای ژن تشخیص می دهد، یک نسخه از ژن را به شکل RNA کوچک سنتز می کند (به آن الگو می گویند)، سپس پروتئین در ریبوزوم رشد می کند. آمینو اسید.

آنها همچنین دریافتند که کد ژنتیکی سه حرفی است. این بدان معنی است که یک اسید آمینه با سه نوکلئوتید مطابقت دارد. واحد کد کدون نامیده می شود. در ریبوزوم، اطلاعات mRNA به ترتیب کدون به کدون خوانده می شود. و هر یک از آنها با چندین اسید آمینه مطابقت دارد. رمز چگونه به نظر می رسد؟

این سوال توسط مارشال نیرنبرگ و هاینریش ماتی از ایالات متحده پاسخ داده شد. در سال 1961، آنها برای اولین بار نتایج خود را در کنگره بیوشیمی در مسکو گزارش کردند. تا سال 1967، کد ژنتیکی کاملاً رمزگشایی شده بود. معلوم شد که برای همه سلول‌های همه موجودات جهانی است، که پیامدهای گسترده‌ای برای علم داشت.

کشف ساختار DNA و کد ژنتیکی تحقیقات بیولوژیکی را کاملاً تغییر داد. این واقعیت که هر فرد دارای یک توالی DNA منحصر به فرد است، علم پزشکی قانونی را متحول کرده است. رمزگشایی ژنوم انسان به انسان شناسان روشی کاملاً جدید برای مطالعه تکامل گونه ما داده است. ویرایشگر DNA CRISPR-Cas که اخیراً اختراع شده است، مهندسی ژنتیک را بسیار پیشرفته کرده است. ظاهراً این مولکول حاوی راه حلی برای مبرم ترین مشکلات بشریت است: سرطان، بیماری های ژنتیکی، پیری.

واتسونو جیغ بزننشان داد که DNAاز دو زنجیره پلی نوکلئوتیدی تشکیل شده است. هر زنجیر به شکل مارپیچی به سمت راست پیچیده می‌شود و هر دو به هم می‌پیچند، یعنی حول یک محور به سمت راست می‌پیچند و یک مارپیچ دوتایی را تشکیل می‌دهند.

زنجیرها ضد موازی هستند، یعنی در جهت مخالف هستند. هر رشته DNAشامل یک ستون فقرات قند فسفات است که در امتداد آن پایه ها عمود بر محور طولانی مارپیچ دوگانه قرار دارند. پایه های متضاد دو رشته متضاد یک مارپیچ دوتایی توسط پیوندهای هیدروژنی به هم متصل شده اند.

ستون فقرات قند فسفات دو رشته مارپیچ دوتاییبه وضوح در مدل DNA فضایی قابل مشاهده است. فاصله بین ستون فقرات قند فسفات دو زنجیره ثابت و برابر با فاصله اشغال شده توسط یک جفت باز است، یعنی یک پورین و یک پیریمیدین. دو پورین فضای زیادی را اشغال می کنند و دو پیریمیدین فضای کمی را برای پر کردن شکاف بین دو زنجیره اشغال می کنند.

در امتداد محور مولکول، جفت‌های باز همسایه در فاصله 0.34 نانومتر از یکدیگر قرار دارند که تناوب شناسایی شده در الگوهای پراش اشعه ایکس را توضیح می‌دهد. انقلاب کامل مارپیچ 3.4 نانومتر، یعنی 10 جفت پایه را تشکیل می دهد. در مورد توالی نوکلئوتیدها در یک زنجیره محدودیتی وجود ندارد، اما به دلیل قانون جفت شدن بازها، این توالی در یک زنجیره، توالی نوکلئوتیدها را در زنجیره دیگر تعیین می کند. بنابراین می گوییم که دو رشته مارپیچ دوتایی مکمل یکدیگر هستند.

واتسونو جیغ بزنپیامی درباره مدل DNA شمادر سال 1953 در مجله "" و در سال 1962 به همراه موریس ویلکینز جایزه نوبل را برای این کار دریافت کردند. در همان سال، کندرو و پروتز جایزه نوبل را برای کارشان در تعیین ساختار سه بعدی پروتئین ها، که همچنین توسط تجزیه و تحلیل پراش اشعه ایکس انجام شد، دریافت کردند. روزالیند فرانکلین، که قبل از اهدای جوایز بر اثر سرطان درگذشت، به عنوان دریافت کننده در نظر گرفته نشد، زیرا جایزه نوبل پس از مرگ اهدا نمی شود.

به منظور شناخت ساختار پیشنهادی به عنوان ماده ژنتیکی، لازم بود نشان داده شود که توانایی: 1) حمل اطلاعات رمزگذاری شده و 2) بازتولید دقیق (تکثیر) را دارد. واتسون و کریک می دانستند که مدل آنها این الزامات را برآورده می کند. در پایان اولین مقاله خود، آنها با احتیاط خاطرنشان کردند: "از توجه ما دور نمانده است که جفت پایه خاصی که ما فرض کردیم بلافاصله به ما امکان می دهد مکانیسم احتمالی کپی برداری برای مواد ژنتیکی را فرض کنیم."

در مقاله دوم که در سال 1953 منتشر شد، آنها پیامدهای ژنتیکی مدل خود را مورد بحث قرار دادند. این کشف نشان داد که چگونه ساختار صریحممکن است با عملکرد در حال حاضر در سطح مولکولی همراه باشد و انگیزه قدرتمندی برای توسعه زیست شناسی مولکولی ایجاد کند.

با توجه به ساختار شیمیایی آن، DNA ( اسید دئوکسی ریبونوکلئیک) است پلیمر زیستی، که مونومرهای آن هستند نوکلئوتیدها. یعنی DNA هست پلی نوکلئوتید. علاوه بر این، یک مولکول DNA معمولاً از دو زنجیره تشکیل شده است که نسبت به یکدیگر در امتداد یک خط مارپیچ پیچ خورده اند (اغلب به آن "مارپیچ پیچ خورده" می گویند) و توسط پیوندهای هیدروژنی به یکدیگر متصل می شوند.

زنجیرها را می توان هم به سمت چپ و هم به سمت راست (اغلب) پیچید.

برخی از ویروس ها دارای DNA تک رشته ای هستند.

هر نوکلئوتید DNA شامل 1) یک باز نیتروژن، 2) دئوکسی ریبوز، 3) یک باقیمانده اسید فسفریک است.

مارپیچ DNA دوتایی راست دست

ترکیب DNA شامل موارد زیر است: آدنین, گوانین, تیمینو سیتوزین. آدنین و گوانین هستند پورین ها، و تیمین و سیتوزین - به پیریمیدین ها. گاهی اوقات DNA حاوی اوراسیل است که معمولاً مشخصه RNA است، جایی که جایگزین تیمین می شود.

بازهای نیتروژنی یک زنجیره مولکول DNA به بازهای نیتروژنی یک مولکول دیگر کاملاً طبق اصل مکمل بودن متصل می شوند: آدنین فقط با تیمین (با یکدیگر دو پیوند هیدروژنی تشکیل می دهند) و گوانین فقط با سیتوزین (سه پیوند).

پایه نیتروژنی در خود نوکلئوتید به اولین اتم کربن شکل حلقوی متصل است. دئوکسی ریبوزکه یک پنتوز (کربوهیدراتی با پنج اتم کربن) است. پیوند کووالانسی، گلیکوزیدی (C-N) است. برخلاف ریبوز، دئوکسی ریبوز فاقد یکی از گروه های هیدروکسیل خود است. حلقه دئوکسی ریبوز از چهار اتم کربن و یک اتم اکسیژن تشکیل شده است. پنجمین اتم کربن خارج از حلقه است و از طریق یک اتم اکسیژن به باقی مانده اسید فسفریک متصل می شود. همچنین، از طریق اتم اکسیژن در اتم سوم کربن، باقیمانده اسید فسفریک نوکلئوتید مجاور متصل می شود.

بنابراین، در یک رشته DNA، نوکلئوتیدهای همسایه توسط پیوندهای کووالانسی بین دئوکسی ریبوز و اسید فسفریک (پیوند فسفودی استر) به یکدیگر متصل می شوند. یک ستون فقرات فسفات-دئوکسی ریبوز تشکیل می شود. عمود بر آن، به سمت زنجیره DNA دیگر، بازهای نیتروژنی قرار دارند که با پیوندهای هیدروژنی به پایه های زنجیره دوم متصل می شوند.

ساختار DNA به گونه ای است که ستون فقرات زنجیره های متصل شده توسط پیوندهای هیدروژنی در جهات مختلف هدایت می شوند (آنها می گویند "چند جهتی" ، "ضد موازی"). در سمتی که یکی با اسید فسفریک متصل به پنجمین اتم کربن دئوکسی ریبوز به پایان می رسد، دیگری با سومین اتم کربن "آزاد" به پایان می رسد. یعنی اسکلت یک زنجیره نسبت به زنجیر دیگر وارونه شده است. بنابراین، در ساختار زنجیره های DNA، انتهای 5 اینچی و انتهای 3 اینچی از هم متمایز می شوند.

در طول تکثیر DNA (دوبرابر شدن)، سنتز زنجیره های جدید همیشه از انتهای پنجم تا سوم ادامه می یابد، زیرا نوکلئوتیدهای جدید فقط می توانند به انتهای سوم آزاد اضافه شوند.

در نهایت (به طور غیرمستقیم از طریق RNA)، هر سه نوکلئوتید متوالی در زنجیره DNA یک اسید آمینه پروتئین را کد می کند.

کشف ساختار مولکول DNA در سال 1953 به لطف کار F. Crick و D. Watson (که توسط کارهای اولیه سایر دانشمندان نیز تسهیل شد) اتفاق افتاد. اگرچه DNA در قرن نوزدهم به عنوان یک ماده شیمیایی شناخته می شد. در دهه 40 قرن بیستم، مشخص شد که DNA حامل اطلاعات ژنتیکی است.

مارپیچ دوگانه ساختار ثانویه مولکول DNA در نظر گرفته می شود. در سلول‌های یوکاریوتی، مقدار زیادی DNA در کروموزوم‌ها قرار دارد، جایی که با پروتئین‌ها و سایر مواد مرتبط است و همچنین بسته‌بندی متراکم‌تری دارد.

برنامه تولد یک فرد زمانی آماده می شود که سلول های تناسلی مادر و پدر در یکی شوند. این تشکیل زیگوت یا تخم بارور شده نامیده می شود. طرح اصلی برای رشد ارگانیسم در مولکول DNA واقع در هسته این سلول منفرد وجود دارد. در آن است که رنگ مو، قد، شکل بینی و هر چیز دیگری که فرد را فردی می کند رمزگذاری می شود.

البته سرنوشت یک فرد نه تنها به مولکول بلکه به بسیاری از عوامل دیگر نیز بستگی دارد. اما ژن‌هایی که در بدو تولد تعیین می‌شوند نیز تا حد زیادی بر مسیر سرنوشت‌ساز تأثیر می‌گذارند. و آنها دنباله ای از نوکلئوتیدها را نشان می دهند.

هر بار که یک سلول تقسیم می شود، DNA دو برابر می شود. بنابراین، هر سلول حاوی اطلاعاتی در مورد ساختار کل ارگانیسم است. گویی در هنگام ساختن یک ساختمان آجری، هر آجر یک نقشه معماری برای کل سازه داشت. شما فقط به یک آجر نگاه می‌کنید و می‌دانید که بخشی از کدام ساختار ساختمانی است.

ساختار واقعی مولکول DNA برای اولین بار توسط جان گوردون زیست شناس بریتانیایی در سال 1962 نشان داده شد. او یک هسته سلولی را از روده قورباغه گرفت و با استفاده از تکنیک های میکرو جراحی، آن را به تخم قورباغه پیوند زد. علاوه بر این، در این تخم‌مرغ، هسته خودش قبلاً توسط تابش فرابنفش کشته شده بود.

یک قورباغه معمولی از تخم هیبریدی رشد کرد. علاوه بر این، کاملاً مشابه آن چیزی بود که هسته سلولی آن گرفته شده بود. این آغاز عصر شبیه سازی بود. و اولین نتیجه موفقیت آمیز شبیه سازی در بین پستانداران، گوسفند دالی بود. او 6 سال زندگی کرد و سپس درگذشت.

با این حال، خود طبیعت نیز دوگانگی ایجاد می کند. این زمانی اتفاق می افتد که پس از اولین تقسیم زیگوت، دو سلول جدید با هم باقی نمی مانند، بلکه از هم دور می شوند و هر کدام ارگانیسم خود را تولید می کنند. اینگونه است که دوقلوهای همسان به دنیا می آیند. مولکول های DNA آنها دقیقاً یکسان است، به همین دلیل است که دوقلوها بسیار شبیه هستند.

از نظر ظاهری، DNA شبیه یک نردبان طنابی است که به شکل یک مارپیچ راست دست پیچیده شده است. و از زنجیره های پلیمری تشکیل شده است که هر کدام از 4 نوع واحد آدنین (A)، گوانین (G)، تیمین (T) و سیتوزین (C) تشکیل شده است.

در توالی آنهاست که برنامه ژنتیکی هر موجود زنده ای گنجانده شده است. به عنوان مثال، شکل زیر نوکلئوتید T را نشان می دهد. حلقه بالایی آن یک پایه نیتروژنی، حلقه پنج عضوی در پایین یک قند و در سمت چپ یک گروه فسفات است.

شکل یک نوکلئوتید تیمین را نشان می دهد که بخشی از DNA است. 3 نوکلئوتید باقی مانده دارای ساختار مشابهی هستند، اما در پایه نیتروژنی آنها متفاوت هستند. حلقه بالا سمت راست یک پایه نیتروژنی است. حلقه پنج عضو پایینی شکر است. گروه چپ PO - فسفات

ابعاد یک مولکول DNA

قطر مارپیچ دوگانه 2 نانومتر است (nm یک نانومتر، برابر با 10-9 متر). فاصله بین جفت پایه مجاور در امتداد مارپیچ 0.34 نانومتر است. مارپیچ دوگانه هر 10 جفت یک چرخش کامل ایجاد می کند. اما طول بستگی به ارگانیسمی دارد که مولکول به آن تعلق دارد. ساده ترین ویروس ها فقط چند هزار لینک دارند. باکتری ها چندین میلیون از آنها را دارند. و موجودات بالاتر میلیاردها عدد از آنها را دارند.

اگر تمام DNA موجود در یک سلول انسانی را در یک خط بکشید، نخی به طول تقریبی 2 متر به دست خواهید آورد که نشان می دهد طول نخ میلیاردها بار بیشتر از ضخامت آن است. برای تصور بهتر اندازه یک مولکول DNA، می توانید تصور کنید که ضخامت آن 4 سانتی متر است، چنین رشته ای که از یک سلول انسانی گرفته شده است، می تواند کره زمین را در امتداد استوا احاطه کند. در این مقیاس، یک فرد با اندازه زمین مطابقت دارد و هسته سلول به اندازه یک استادیوم رشد می کند.

آیا مدل واتسون و کریک درست است؟

با توجه به ساختار مولکول DNA، این سوال مطرح می شود که چگونه با داشتن چنین طول عظیمی در هسته قرار دارد. باید به گونه ای قرار گیرد که در تمام طول آن برای RNA پلیمراز که ژن های مورد نظر را می خواند، قابل دسترسی باشد.

تکثیر چگونه انجام می شود؟ بالاخره بعد از دو برابر شدن باید دو زنجیره مکمل از هم جدا شوند. این بسیار دشوار است، زیرا زنجیرها در ابتدا به صورت مارپیچی پیچ خورده اند.

چنین سؤالاتی در ابتدا تردیدهایی را در مورد اعتبار مدل واتسون و کریک ایجاد کرد. اما این مدل بیش از حد خاص بود و به سادگی متخصصان را با تخطی ناپذیری خود مسخره می کرد. از این رو همه به دنبال عیب و ایراد و تناقض شتافتند.

برخی از کارشناسان تصور می‌کردند که اگر مولکول بدبخت از 2 زنجیره پلیمری تشکیل شده باشد که با پیوندهای غیرکووالانسی ضعیف به هم متصل شده‌اند، پس از گرم شدن محلول باید از هم جدا شوند که به راحتی می‌توان آن را به‌صورت تجربی تأیید کرد.

متخصصان دوم به بازهای نیتروژنی که پیوندهای هیدروژنی با یکدیگر تشکیل می دهند علاقه مند شدند. این را می توان با اندازه گیری طیف مولکول در ناحیه مادون قرمز تأیید کرد.

هنوز دیگران فکر می کردند که اگر بازهای نیتروژنی واقعاً در داخل مارپیچ مضاعف پنهان باشد، آنگاه می توان فهمید که آیا مولکول تحت تأثیر موادی قرار می گیرد که فقط می توانند با این گروه های پنهان واکنش دهند یا خیر.

آزمایشات زیادی انجام شد و تا پایان دهه 50 قرن بیستم مشخص شد که مدل پیشنهادی واتسون و کریک تمام آزمایشات را پشت سر گذاشت. تلاش برای رد آن شکست خورد.

واحدهای مونومر آن نوکلیاتیدها هستند.

DNA چیست؟

تمام اطلاعات در مورد ساختار و عملکرد هر موجود زنده به صورت رمزگذاری شده در مواد ژنتیکی آن موجود است. اساس ماده ژنتیکی یک موجود زنده است اسید دئوکسی ریبونوکلئیک (DNA).

DNAدر بیشتر موجودات، یک مولکول پلیمری بلند و دو زنجیره ای است. دنباله واحدهای مونومر (دئوکسی ریبونوکلئوتیدها) در یکی از زنجیره های آن مطابق با ( مکمل) توالی دئوکسی ریبونوکلئوتید را به دیگری تبدیل می کند. اصل مکمل بودنسنتز مولکول‌های DNA جدید مشابه مولکول‌های اصلی را در صورت دو برابر شدن تضمین می‌کند. همانند سازی).

بخشی از یک مولکول DNA که یک ویژگی خاص را رمزگذاری می کند - ژن.

ژن ها- اینها عناصر ژنتیکی فردی هستند که دارای یک توالی نوکلئوتیدی کاملاً خاص هستند و ویژگی های خاصی از ارگانیسم را رمزگذاری می کنند. برخی از آنها پروتئین ها را رمزگذاری می کنند، برخی دیگر فقط مولکول های RNA.

اطلاعات موجود در ژن‌های کدکننده پروتئین (ژن‌های ساختاری) از طریق دو فرآیند متوالی رمزگشایی می‌شوند:

• سنتز RNA (رونویسی): DNA در یک بخش خاص مانند روی یک ماتریس سنتز می شود RNA پیام رسان (mRNA).
• سنتز پروتئین (ترجمه):در طول عملیات هماهنگ یک سیستم چند جزئی با مشارکت انتقال RNA ها (tRNA), mRNA, آنزیم هاو متنوع عوامل پروتئینیانجام شد سنتز پروتئین.

همه این فرآیندها ترجمه صحیح اطلاعات ژنتیکی رمزگذاری شده در DNA را از زبان نوکلئوتیدها به زبان اسیدهای آمینه تضمین می کنند. توالی اسید آمینه یک مولکول پروتئینساختار و عملکرد آن را تعیین می کند.

ساختار DNA

DNA- این پلیمر آلی خطی. خود - نوکلئوتیدها، که به نوبه خود شامل:

در این حالت گروه فسفات به آن متصل می شود اتم کربن 5باقی مانده مونوساکارید، و پایه آلی - به 1′-اتم.

دو نوع باز در DNA وجود دارد:

ساختار نوکلئوتیدها در یک مولکول DNA

که در DNAمونوساکارید ارائه شده است 2′-دئوکسی ریبوز، فقط شامل 1 گروه هیدروکسیل (OH)، و در RNA - ریبوزداشتن 2 گروه هیدروکسیل (اوه).

نوکلئوتیدها به یکدیگر متصل هستند پیوندهای فسفودی استر، در حالی که گروه فسفات اتم کربن 5یک نوکلئوتید متصل به 3'-OH-گروه دئوکسی ریبوزنوکلئوتید همسایه (شکل 1). در یک انتهای زنجیره پلی نوکلئوتیدی وجود دارد گروه Z'-OH (Z'-انتها)،و از سوی دیگر - گروه 5'-فسفات (5' انتهای).

سطوح ساختار DNA

مرسوم است که 3 سطح از ساختار DNA را تشخیص دهیم:

• اولیه؛
• ثانوی؛
• درجه سوم

ساختار اولیه DNAتوالی آرایش نوکلئوتیدها در یک زنجیره پلی نوکلئوتیدی از DNA است.

ساختار ثانویه DNAبین جفت پایه های مکمل تثبیت می شود و یک مارپیچ دوگانه از دو زنجیره ضد موازی است که به سمت راست حول یک محور پیچیده شده است.

کل چرخش مارپیچ است 3.4 نانومتر، فاصله بین زنجیر 2 نانومتر

ساختار سوم DNA - فوق تخصصی شدن DNA.مارپیچ دوگانه DNA ممکن است در برخی از مکان ها تحت مارپیچ شدن بیشتری قرار گیرد تا یک ابرپیچ یا شکل دایره ای باز تشکیل دهد که اغلب به دلیل اتصال کووالانسی انتهای باز آنها ایجاد می شود. ساختار ابرپیچ‌پیچ DNA تضمین می‌کند که مولکول DNA بسیار طولانی از نظر اقتصادی در کروموزوم بسته‌بندی می‌شود. بنابراین، در شکل کشیده، طول یک مولکول DNA برابر است 8 سانتی متر، و در قالب یک ابرمارپیچ قرار می گیرد 5 نانومتر.

قانون چارگاف

E. قانون Chargaffالگویی از محتوای کمی بازهای نیتروژنی در یک مولکول DNA است:

1. در DNA کسرهای مولبازهای پورین و پیریمیدین برابر هستند: A+جی = سی+ تی یا (A +جی)/(سی + T) = 1.
2. در DNA تعداد بازهای دارای گروه آمینه (A +سی) برابر است تعداد بازها با گروه های کتو (جی+ T):A+سی= جی+ تی یا (A +سی)/(جی+ T) = 1
3. قانون هم ارزی، یعنی: A=T، G=C; A/T = 1; G/C=1.
4. ترکیب نوکلئوتیدی DNAدر ارگانیسم های گروه های مختلف خاص و مشخص است ضریب اختصاصیت: (G+C)/(A+T).در گیاهان و حیوانات عالی ضریب ویژگیکمتر از 1، و کمی نوسان دارد: از 0,54 قبل از 0,98 ، در میکروارگانیسم ها بیش از 1 است.

مدل DNA واتسون-کریک

ب 1953 جیمز واتسونو فرانسیس جیغ بزنبر اساس تجزیه و تحلیل پراش اشعه ایکس از کریستال های DNA، به این نتیجه رسید که DNA بومیشامل دو زنجیره پلیمری است که یک مارپیچ دوتایی را تشکیل می دهد (شکل 3).

زنجیره های پلی نوکلئوتیدی که روی هم قرار گرفته اند در کنار هم نگه داشته می شوند پیوند های هیدروژنی، بین پایه های مکمل زنجیره های مخالف تشکیل شده است (شکل 3). که در آن آدنینفقط با یک جفت تشکیل می دهد تیمین، آ گوانین- با سیتوزین. جفت پایه A-Tدر حال تثبیت است دو پیوند هیدروژنی، و یک زوج G-C - سه.

طول DNA دو رشته ای معمولاً با تعداد جفت های نوکلئوتیدی مکمل اندازه گیری می شود. پ.n.). برای مولکول های DNA متشکل از هزاران یا میلیون ها جفت نوکلئوتید، واحدها گرفته می شود t.b.s.و m.p.n.به ترتیب. به عنوان مثال، DNA کروموزوم 1 انسان یک مارپیچ دوتایی طول دارد 263 m.b..

قند فسفات ستون فقرات مولکولکه از گروه های فسفات و بقایای دئوکسی ریبوز متصل تشکیل شده است پیوندهای 5'-3'-فسفودی استر، "دیوارهای جانبی یک راه پله مارپیچ" و جفت پایه را تشکیل می دهد A-Tو G-C- مراحل آن (شکل 3).

شکل 3: مدل DNA واتسون-کریک

زنجیره های مولکول DNA ضد موازی: یکی از آنها جهت دارد 3'→5'، دیگر 5'→3'. مطابق با اصل مکمل بودن، اگر یکی از زنجیره ها حاوی یک توالی نوکلئوتیدی باشد 5-TAGGCAT-3′، سپس در زنجیره مکمل در این مکان باید دنباله ای وجود داشته باشد 3′-ATCCGTA-5′. در این مورد، فرم دو رشته ای به شکل زیر خواهد بود:

• 5′-TAGGCAT-3′
• 3-ATCCGTA-5′.

در چنین ضبطی 5′ انتهای زنجیره بالاهمیشه در سمت چپ قرار می گیرد، و پایان 3- سمت راست

حامل اطلاعات ژنتیکی باید دو شرط اساسی را برآورده کند: تکثیر (تکثیر) با دقت بالاو سنتز مولکول های پروتئین را تعیین کنید (کد کنید)..

مدل DNA واتسون-کریکبه طور کامل این الزامات را برآورده می کند زیرا:

• با توجه به اصل مکمل بودن، هر رشته DNA می تواند به عنوان الگویی برای تشکیل یک زنجیره مکمل جدید عمل کند. در نتیجه، پس از یک دور، دو مولکول دختر تشکیل می شود که هر کدام دارای توالی نوکلئوتیدی مشابه مولکول DNA اصلی هستند.
• توالی نوکلئوتیدی یک ژن ساختاری به طور منحصر به فرد توالی اسید آمینه پروتئینی را که کدگذاری می کند تعیین می کند.

1. یک مولکول DNA انسان حاوی حدود 1.5 گیگابایت اطلاعات. در همان زمان، DNA تمام سلول های بدن انسان 60 میلیارد ترابایت را اشغال می کند که در 150-160 گرم DNA ذخیره می شود.
2. روز جهانی DNAدر 25 آوریل جشن گرفته می شود. در چنین روزی در سال 1953 جیمز واتسونو فرانسیس کریکدر یک مجله منتشر شده است طبیعتمقاله او با عنوان "ساختار مولکولی اسیدهای نوکلئیک" ، جایی که مارپیچ دوگانه مولکول DNA توضیح داده شد.

کتابشناسی - فهرست کتب: بیوتکنولوژی مولکولی: اصول و کاربردها، بی. گلیک، جی پاسترناک، 2002