ДНК структура: характеристики, схема. Каква е структурата на ДНК молекулата?

ДНК е универсален източник и попечител на наследствена информация, която се записва с помощта на специална последователност от нуклеотиди, тя определя свойствата на всички живи организми.

Приема се, че средното молекулно тегло на нуклеотида е 345, а броят на нуклеотидните остатъци може да достигне няколкостотин, хиляди и дори милиони. ДНК в своята маса е в ядрата на клетките. Някои се срещат в хлоропластите и митохондриите. Въпреки това, ДНК на клетъчното ядро ​​не е една молекула. Състои се от много молекули, които са разпределени по различни хромозоми, броят им варира в зависимост от организма. Това са структурните характеристики на ДНК.

История на откриване на ДНК

Структурата и функциите на ДНК са открити от Джеймс Уотсън и Франсис Крик, които дори са получили Нобелова награда през 1962 година.

Но първо откри нуклеинови киселини Швейцарски учен Фридрих Йохан Мишер, който работи в Германия. През 1869 г. изучава животински клетки - левкоцити. За да ги получи, той използва превръзки с гной, които той е получил от болниците. Мистър измива левкоцитите от гной и извлича протеин от тях. По време на тези проучвания, ученият е в състояние да установи, че в левкоцитите, в допълнение към протеините, има нещо друго, известно неизвестно вещество по това време. Това беше влакнеста или флокулатна утайка, която се открояваше, ако създадете кисела среда. Утайката веднага се разтваря при добавяне на алкали.

Учен, използващ микроскоп, откри, че когато се измиват левкоцити солна киселина от клетките остават ядрото. Тогава той заключава, че в ядрото има неизвестно вещество, което той нарича нуклеин (думата ядро ​​означава ядро).

След провеждането на химически анализ Мишер откри, че ново вещество съдържа въглерод, водород, кислород и фосфор. По онова време на органофосфорните съединения е известно малко, така че Фредерик е решил, че е открил нов клас съединения, открити в клетъчното ядро.

Така в XIX век е открито съществуването на нуклеинови киселини. Въпреки това, по това време никой не можеше дори да помисли за важната роля, която им принадлежи.

Същност на наследствеността

ДНК-структурата продължава да се изследва и през 1944 г. група бактериолози под ръководството на Осуалд ​​Авери са получили доказателство, че тази молекула заслужава сериозно внимание. Учен в продължение на много години се занимава с изследване на пневмококи, организми, които причиняват пневмония или белодробни заболявания. Avery провежда експерименти чрез смесване на пневмококи, причиняващо заболяване с тези, които са безопасни за живите организми. Първо, клетките на заболяването бяха убити, а след това бяха добавени към тези, които не причиняват заболяване.

Резултатите от научните изследвания удариха всички. Имаше такива живи клетки, които след взаимодействие с мъртвите се научиха да причиняват болестта. Ученият открива естеството на веществото, което е включено в процеса на предаване на информация на живите клетки от мъртвите. ДНК молекула и се оказа тази субстанция.

структура

Затова е необходимо да се разбере структурата на ДНК молекулата. Откриването на неговата структура стана значително събитие, което доведе до формирането на молекулярната биология - нов клон на биохимията. ДНК в големи количества е в ядрата на клетките, но размерът и броят на молекулите зависят от вида на организма. Установено е, че ядрата от клетки на бозайници съдържат много от тези клетки, те са разпределени по хромозоми, има 46 от тях.

Изследвайки структурата на ДНК, през 1924 г., Felgen първо установява неговата локализация. Доказателствата, получени по време на експериментите, показват, че ДНК е в митохондриите (1-2%). На други места тези молекули могат да бъдат открити при вирусни инфекции, в базалните тела, както и в яйцата на някои животни. Известно е, че колкото по-сложен е един организъм, толкова по-голяма е ДНК масата. Броят на молекулите в клетката зависи от функцията и обикновено е 1-10%. Най-малко от тях са в миоцити (0,2%), повече - в зародишни клетки (60%).

Структурата на ДНК показа, че в хромозомите на висшите организми те са свързани с прости протеини - албумин, хистони и други, които заедно образуват DNP (дезоксирибонуклеопротеин). Обикновено голяма молекула е нестабилна и за да остане непокътната и непроменена в хода на еволюцията, се създава така наречената възстановителна система, която се състои от ензими - лигаза и нуклеази, отговорни за "ремонта" на молекулата.

Химическа структура на ДНК

ДНК е полимер, полинуклеотид, състоящ се от огромен брой (до десетки хиляди милиони) мононуклеотиди. Структурата на ДНК е следната: мононуклеотидите съдържат азотни бази - цитозин (С) и тимин (Т) - от пиримидинови производни, аденин (А) и гуанин (G) - от пуринови производни. В допълнение към азотните основи, молекулата на човека и животните съдържа 5-метилцитозин - малка пиримидинова база. C фосфорна киселина и дезоксирибоза свързват азотни основи. ДНК структурата е показана по-долу.

Правила на Чаргаф

Структурата и биологичната роля на ДНК са изследвани от Е. Чаргаф през 1949. В хода на изследванията си той разкри модели, които се наблюдават при количественото разпределение на азотните основи:

1. CT + C = +A + G (т.е. броят на пиримидиновите бази е равен на броя на пуриновите).
2. Количеството на адениновите остатъци винаги е равно на количеството на тиминови остатъци и количеството гуанин е равно на цитозин.
3. Коефициентът на специфичност има формулата: G + C / A + T. Например при хората тя е 1.5, а при бик - 1.3.
4. Сумата от “A + C” е равна на сумата от “G + T”, т.е. аденинът и цитозинът са толкова, колкото гуанин и тимин.

Модел на ДНК структура

Тя е създадена от Уотсън и Крийк. Фосфатните остатъци и дезоксирибозите са разположени по протежение на гръбначния стълб на две спирално усукани полинуклеотидни вериги. Установено е, че равнинните структури на пиримидиновите и пуриновите бази са разположени перпендикулярно на оста на веригата и образуват стъпала на стълбището под формата на спирала. Установено е също, че А винаги е свързано с Т с помощта на две водородни връзки, а G е свързано с С с три подобни връзки. На това явление се дава името "принцип на селективност и взаимно допълване".

Нива на структурна организация

Спирално-кривата полинуклеотидна верига е първична структура, която има специфичен качествен и количествен набор от мононуклеотиди, свързани чрез 3 ', 5'-фосфодиестерна връзка. Така, всяка от веригите има 3'-край (дезоксирибоза) и 5'-край (фосфат). Сайтове, които съдържат генетична информация, се наричат ​​структурни гени.

Двойната спирала е вторична структура. Нещо повече, неговите полинуклеотидни вериги са антипаралелни и са свързани чрез водородни връзки между комплементарните бази на веригите. Установено е, че във всеки ход на тази спирала има 10 нуклеотидни остатъка, дължината му е 3.4 nm. Тази структура се поддържа и от силите на ван дер Ваалс, които се наблюдават между базите на една верига, включително отблъскващи и привличащи компоненти. Тези сили се обясняват с взаимодействието на електрони в съседни атоми. Електростатичното взаимодействие също стабилизира вторичната структура. Това се случва между положително заредени хистонови молекули и отрицателно заредена ДНК верига.

Третичната структура е навиването на ДНК вериги на хистони или суперспирали. Описани са пет типа хистони: H1, H2A, H2B, Н3 и Н4.

Полагането на нуклеозоми в хроматина е кватернерна структура, така че ДНК молекулата с дължина няколко сантиметра може да се сгъне до 5 nm.

ДНК функции

Основните функции на ДНК са:

1. Съхранение на наследствена информация. Последователността на аминокиселините в протеинова молекула се определя от реда, в който нуклеотидните остатъци се намират в ДНК молекулата. Той също така криптира цялата информация за свойствата и признаците на тялото.
2. ДНК е способна да предава наследствена информация на следващото поколение. Това е възможно благодарение на способността да се възпроизвежда - само-дублиране. ДНК е способна да се раздели на две комплементарни вериги и всяка от тях (в съответствие с принципа на комплементарност) възстановява оригиналната нуклеотидна последователност.
3. С помощта на ДНК е биосинтеза на протеини, ензими и хормони.

заключение

Структурата на ДНК позволява да бъде пазител на генетичната информация, както и да я предава на следващите поколения. Какви са особеностите на тази молекула?

1. Стабилност. Това е възможно благодарение на гликозидните, водородните и фосфодиестерните връзки, както и на механизма за възстановяване на индуцирани и спонтанни увреждания.
2. Възможност за репликация. Този механизъм позволява соматични клетки поддържат диплоиден брой хромозоми.
3. Наличието на генетичен код. Използвайки процесите на транслация и транскрипция, последователността на базите, открити в ДНК, се превръща в последователност от аминокиселини в полипептидната верига.
4. Способността за генетична рекомбинация. В същото време се образуват нови комбинации от свързани гени.

Така структурата и функциите на ДНК позволяват да играе неоценима роля в организмите на живите същества. Известно е, че дължината на 46 ДНК молекули във всяка човешка клетка е почти 2 m, а броят на нуклеотидните двойки е 3.2 милиарда.