ДНК молекула. Структура на молекулата на ДНК

ДНК молекулата се състои от две нишки, които образуват двойна спирала. Структурата му е дешифрирана от Франсис Крик и Джеймс Уотсън през 1953 година.

Първоначално, ДНК молекула, състояща се от двойка нуклеотидни нишки, усукани един около друг, повдига въпроси за това защо има тази конкретна форма. Учените са наричали това явление допълняемо, което означава, че само някои нуклеотиди могат да бъдат намерени в неговите нишки, противоположни един на друг. Например, срещу тимин е винаги аденин, а срещу цитозин е гуанин. Тези нуклеотиди са ДНК молекули и се наричат ​​комплементарни.

Тя е схематично изобразена като:

Т - А

C - G

Тези двойки образуват химическа нуклеотидна връзка, която определя подреждането на аминокиселините. В първия случай той е малко по-слаб. Връзката между C и D е по-трайна. Не-комплементарните нуклеотиди не образуват двойки помежду си.

За структурата

Така че, структурата на ДНК молекулата е специална. Той има тази форма по причина: фактът е, че броят на нуклеотидите е много голям и е необходимо много място, за да се настанят дългите вериги. Поради тази причина спираловидното усукване е присъщо на веригите. Това явление се нарича спирала, позволява на нишките да се скъсят около пет до шест пъти.

Организмът използва много молекули на такъв план много активно, други рядко. Последните, в допълнение към спирала, също са подложени на такава "компактна опаковка" като суперспирализация. И тогава дължината на ДНК молекулата се намалява с 25-30 пъти.

Какво е "опаковането" на молекулата?

Процесът на supercoiling включва хистонови протеини. Те имат структурата и външния вид на шпула от нишка или пръчка. Спиралните нишки се навиват върху тях, които веднага стават „компактно опаковани“ и заемат малко място. Когато възникне необходимост да се използва една или друга нишка, тя се навива на руло, например, хистонов протеин, а спиралата се завърта на две паралелни вериги. Когато ДНК молекулата е точно в това състояние, необходимите генетични данни могат да бъдат прочетени от нея. Има едно условие обаче. Получаването на информация е възможно само ако структурата на ДНК молекулата има повишен вид. Четящите се хромозоми се наричат ​​еухроматини и ако са суперсипирали, те вече са хетерохроматини.

Нуклеинови киселини

Нуклеинови киселини, подобни на протеини, са биополимери. Основната функция е съхранението, изпълнението и предаването на наследствена (генетична информация). Те са от два вида: ДНК и РНК (дезоксирибонуклеинова и рибонуклеинова). Нуклеотидите действат като мономери в тях, всяка от които включва остатък фосфорна киселина, пет-въглеродна захар (дезоксирибоза / рибоза) и азотна база. ДНК кодът включва 4 вида нуклеотиди - аденин (А) / гуанин (G) / цитозин (С) / тимин (Т). Те се различават по азотната база, която те съдържат.

В ДНК молекулата броят на нуклеотидите може да бъде огромен - от няколко хиляди до десетки и стотици милиони. Да се ​​разгледат такива гигантски молекули може да бъде чрез електронен микроскоп. В този случай ще бъде възможно да се види двойна верига от полинуклеотидни нишки, които са свързани помежду си с водородните връзки на азотните бази на нуклеотидите.

изследване

По време на изследването учените открили, че видовете ДНК молекули в различни живи организми са различни. Установено е също, че едноверижният гуанин може да се свърже само с цитозин и тимин с аденин. Подреждането на нуклеотидите на една верига е строго паралелно. Поради такава комплементарност на полинуклеотидите, молекулата на ДНК е способна да се удвои и да се самовъзпроизвежда. Но първо, допълнителните вериги под въздействието на специални ензими, които разрушават двойни нуклеотиди, се различават, а след това във всяка от тях започва синтеза на липсващата верига. Това се дължи на изобилието от свободни нуклеотиди във всяка клетка. В резултат на това вместо „родителската молекула“ се образуват две „свързани“, идентични по състав и структура, и ДНК кодът става оригинал. Този процес е предшественик на клетъчното делене. Той осигурява прехвърлянето на всички наследствени данни от майчините клетки към дъщерните клетки, както и към всички следващи поколения.

Как се чете генен код?

Днес се изчислява не само масата на ДНК молекулата - можете да намерите по-сложни, по-рано недостъпни данни за учените. Например, можете да прочетете информация за това как тялото използва собствената си клетка. Разбира се, първоначално тази информация е кодирана и прилича на вид матрица и затова трябва да бъде транспортирана до специален носител, който е РНК. Рибонуклеиновата киселина може да проникне в клетката през мембраната на ядрото и да прочете кодираната информация вътре. Така РНК е носител на скрити данни от ядрото до клетката и се различава от ДНК по това, че съдържа рибоза вместо дезоксирибоза и урацил вместо тимин. В допълнение, РНК е едноверижна.

РНК синтез

Дълбок ДНК анализ показа, че след като РНК напусне ядрото, тя влиза в цитоплазмата, където може да бъде вградена като матрица в рибозомите (специални ензимни системи). Водени от получената информация, те могат да синтезират съответната последователност от протеинови аминокиселини. Рибозомата научава от триплетния код какъв вид органично съединение е необходимо да се прикрепи към възникващата протеинова верига. Всяка аминокиселина има свой специфичен триплет, който го кодира.

След завършване на образуването на веригата, тя придобива специфична пространствена форма и се превръща в протеин, способен да изпълнява своите хормонални, строителни, ензимни и други функции. За всеки организъм той е генен продукт. От нея се определят всякакви качества, свойства и прояви на гени.

гени

На първо място, процесите на секвениране са разработени, за да се получи информация за това колко гени има структурата на ДНК молекулата. И въпреки че научните изследвания са позволили на учените да стигнат далеч по този въпрос, все още не е възможно да се открие техният точен брой.

Преди няколко години се предполагаше, че ДНК молекулите съдържат приблизително 100 хиляди гени. Малко по-късно цифрата намалява до 80 хиляди, а през 1998 г. генетиците заявяват, че само 50 хиляди гени присъстват в една ДНК, което е само 3% от общата дължина на ДНК. Но те постигнаха последните заключения на генетиците. Сега те твърдят, че геномът включва 25-40 хиляди споменати единици. Оказва се, че само 1,5% от хромозомната ДНК е отговорна за кодиране на протеини.

На това проучване не спира. Паралелен екип от експерти по генно инженерство установи, че броят на гените в една молекула е точно 32 хиляди. Както можете да видите, за да получите окончателен отговор, все още не е възможно. Твърде много противоречия. Всички изследователи разчитат само на резултатите си.

Еволюира ли тя?

Независимо от факта, че няма доказателства за еволюцията на молекулата (тъй като структурата на ДНК молекулата е крехка и малка по размер), едно предложение беше направено от учени. Въз основа на лабораторни данни, те изразиха следната версия: молекулата в началния етап на появата си имаше вид на прост самовъзпроизвеждащ се пептид, който включваше до 32 аминокиселини, съдържащи се в древните океани.

След самовъзпроизвеждането, благодарение на силата естествен подбор, молекулите имат способността да се предпазват от въздействието на външните елементи. Те започват да живеят по-дълго и се размножават в големи количества. Молекулите, които се намират в липидния пикочен мехур, получават всяка възможност за самостоятелно възпроизвеждане. В резултат на поредица от последователни цикли, липидните мехурчета придобиват формата на клетъчни мембрани, а вече - добре известни частици. Трябва да се отбележи, че днес всяка част от молекулата на ДНК е сложна и добре функционираща структура, всички характеристики на които учените все още не са напълно разбрани.

Съвременен свят

Наскоро учени от Израел са разработили компютър, който може да изпълнява трилиони операции в секунда. Днес тя е най-бързата кола на земята. Цялата тайна е, че иновативното устройство функционира от ДНК. Професорите казват, че в близко бъдеще такива компютри могат дори да генерират енергия.

Специалисти от Института Вайцман в Реховот (Израел) преди година обявиха създаването на програмируем молекулен компютър, състоящ се от молекули и ензими. Замениха ги със силиконови микрочипове. Досега екипът напредна. Сега само една ДНК молекула може да предостави на компютъра необходимите данни и да осигури необходимото гориво.

Биохимичните “нанокомпоненти” не са фикция, те вече съществуват в природата и се проявяват във всяко живо същество. Но често те не се контролират от хора. Досега човек не може да управлява генома на някое растение, за да изчисли, да речем, числото „Pi“.

Идеята за използване на ДНК за съхранение / обработка на данни за първи път е посетила светлите умове на учените през 1994 година. Именно тогава една молекула е участвала в решаването на прост математически проблем. Оттогава редица изследователски групи са предложили различни проекти, свързани с ДНК компютри. Но тук всички опити се основаваха единствено на енергийната молекула. Не можете да видите такъв компютър с просто око, прилича на чист разтвор на вода в епруветка. В него няма механични части, само трилиони биомолекулни устройства - и това е само в една капка течност!

Човешка ДНК

Каква ДНК човек, хора Тя стана известна през 1953 г., когато учените за пръв път са могли да демонстрират на света модел с двойна нишка. За това Кърк и Уотсън получиха Нобелова награда, тъй като това откритие е фундаментално за 20-ти век.

С течение на времето, разбира се, те доказаха, че не само начинът, по който предложената версия може да изглежда като структурирана човешка молекула. Провеждане на по-подробен анализ на ДНК, отвори А-, В- и ляво усукана форма Z-. Форма А често е изключение, тъй като се образува само при липса на влага. Но това е възможно освен в лабораторните проучвания, за естествената среда това е необичайно, такъв процес не може да се случи в жива клетка.

Формата B- е класическа и е известна като двойна десни усукана верига, но формата Z- не е само усукана в обратна посока, вляво, но има и по-зигзагообразна форма. Учените също са идентифицирали формата G-quadruplex. Неговата структура не е 2, а 4 нишки. Според генетици, има такава форма в тези области, където има излишно количество гуанин.

Изкуствена ДНК

Днес вече съществува изкуствена ДНК, която е идентично копие на настоящето; Той перфектно повтаря структурата на естествената двойна спирала. Но, за разлика от първичния полинуклеотид, при изкуствените - само два допълнителни нуклеотида.

Тъй като дублирането е създадено на базата на информация, получена в хода на различни изследвания на истинска ДНК, тя също може да бъде копирана, самовъзпроизвеждаща се и развиваща се. Специалистите работят по създаването на такава изкуствена молекула за около 20 години. Резултатът е невероятно изобретение, което може да използва генетичния код по същия начин, както естествената ДНК.

Към четирите съществуващи азотни бази генетиката добави още две, които бяха създадени чрез химическа модификация на естествените основи. За разлика от естествената ДНК, изкуствената ДНК беше доста къса. Съдържа само 81 базови двойки. Той обаче се умножава и развива.

Репликацията на молекула, получена по изкуствен път, се осъществява в резултат на полимеразната верижна реакция, но досега това не се случва самостоятелно, а чрез намесата на учени. В споменатата ДНК те самостоятелно добавят необходимите ензими, като я поставят в специално приготвена течна среда.

Краен резултат

Различни фактори могат да повлияят на процеса и крайния резултат от развитието на ДНК, например, мутации. Това води до задължително проучване на проби от вещества, така че резултатът от тестовете да е надежден и надежден. Пример за това е тест за бащинство. Но не може, но не се радвам, че инциденти като мутация, са редки. Независимо от това, пробите от материята винаги се проверяват отново, за да се получи по-точна информация въз основа на анализа.

Растителна ДНК

Благодарение на високите технологии за секвениране (HTS), е направена и революция в областта на геномиката - също е възможно извличане на ДНК от растенията. Разбира се, получаването на висококачествено молекулно тегло на ДНК от растителния материал причинява някои трудности поради големия брой копия на митохондриите и ДНК хлоропластите, както и високите нива на полизахариди и фенолни съединения. За да се подчертае структурата, която разглеждаме, в този случай ще се използват различни методи.

Водородната връзка в ДНК

Електромагнитното привличане, създадено между положително заредения водороден атом, който е свързан с електроотрицателен атом, е отговорно за водородната връзка в молекулата на ДНК. Това диполно взаимодействие не попада под критерия за химична връзка. Но той може да бъде реализиран между молекулите или в различни части на молекулата, т.е. вътремолекулно.

Водородният атом е свързан с електроотрицателен атом, който е донор на тази връзка. Електроотрицателният атом може да бъде азот, флуор, кислород. Чрез децентрализация той привлича електронен облак от ядрото на водорода и прави водородния атом (частично) положителен. Тъй като размерът на Н е малък, в сравнение с други молекули и атоми, зарядът също е малък.

ДНК декриптиране

Преди да дешифрират молекулата на ДНК, учените първо вземат огромен брой клетки. За най-точната и успешна работа те се нуждаят от около един милион. Получените в процеса на изследване резултати се сравняват и записват постоянно. Днес декодирането на генома вече не е рядкост, а достъпна процедура.

Разбира се, дешифрирането на генома на една клетка е неподходящо упражнение. Данните, получени в хода на тези изследвания, не представляват интерес за учените. Но е важно да се разбере, че всички съществуващи в момента методи за декодиране, въпреки тяхната сложност, не са достатъчно ефективни. Те ще ви позволят да четете само 40-70% от ДНК.

Въпреки това професорите от Харвард наскоро обявиха начин да дешифрират 90% от генома. Техниката се основава на добавянето на праймерни молекули към избраните клетки, с помощта на които започва ДНК репликация. Но дори и този метод не може да се счита за успешен, той все още трябва да бъде финализиран, преди да се използва открито в науката.