Нуклеосома

Структура и «сборка» нуклеосомы. Показано образование и строение гистонного октамера и структура комплекса ДНК-гистонный октамер — нуклеосомы.

Нуклеосома — это структурная часть хромосомы, образованная совместной упаковкой нити ДНК с гистоновыми белками H2А, H2B, H3 и H4. Последовательность нуклеосом, соединенная гистоновым белком H1, формирует нуклеофиламент (nucleofilament), или иначе нуклеосомную нить.

Вокруг нуклеосомного ядра, представленного гистонным октамером, ДНК делает 1,67 оборота (147 п.н.). Участок ДНК, между нуклеосомами, называется линкерной ДНК и составляет 10—100 п.н.

Сборка нуклеосомы происходит на ДНК. При репликации ДНК материнские гистоны распределяются случайным образом по дочерним цепям. Гистоновые шапероны временно экранируют заряд гистонов, обеспечивая правильную сборку нуклеосомы. Шаперон CAF1 связан с PCNA, сидит в репликационной вилке, связывая «старые» димеры H3H4, начинает пострепликационную сборку нуклеосом с посадки этого димера.

Последовательности ДНК могут в 1000 раз отличаться по потенциалу связывать нуклеосому. Если подряд следуют последовательности, изгибающие ДНК в одну сторону (например, ТАТА), связывание нуклеосомы будет неустойчиво.

• участки, свободные от нуклеосом (сайты связывания транскрипционных акторов, регуляторных белков);
• участки, где положение нуклеосомы строго фиксировано;
• участки, в которых нуклеосомная укладка подвержена регуляции белками АТФ-зависимого ремоделинга хроматина.

Литература

• Жимулев И. Ф. Общая и молекулярная генетика. — 1. — Новосибирск: Издательство Новосибирского университета, 2002. — 459 с. — 2000 экз. — ISBN 5761505096
• Тейф В. Б. и соавт. (2011). Нуклеосомы в генной регуляции: теоретические подходы. Молек. Биол., том 45, № 6, с. 1–11. [1]

Wikimedia Foundation . 2010 .

Полезное

Смотреть что такое “Нуклеосома” в других словарях:

• нуклеосома — Очаговое скопление гистонов и ДНК [http://www.dunwoodypress.com/148/PDF/Biotech Eng Rus.pdf] Тематики биотехнологии EN nucleosome … Справочник технического переводчика
• Нуклеосома — * нуклеасома * nucleosome or nu(v) particle дискообразные структуры эукариотических хромосом диаметром ок. 10 нм, являющиеся элементарной единицей упаковки хромосмной ДНК в хроматине. Состоит из белкового ядра, включающего октомеры из четырех пар … Генетика. Энциклопедический словарь
• нуклеосома — nucleosome, nu (ν) particle нуклеосома. Дисковидная структура диаметром около 10 нм, являющаяся элементарной единицей упаковки хромосомной ДНК в хроматине ; состоит из белкового ядра (включает октамер гистонов Н2 … Молекулярная биология и генетика. Толковый словарь.
• Нуклеосома — дисковидная структура, являющаяся элементарной единицей упаковки хромосомной ДНК в хроматине. Состоит из белка (гистона) и обернутой вокруг него двойной спирали ДНК … Словарь по психогенетике
• минимальная нуклеосома — core particle, minimal nucleosome коровая частица, минимальная нуклеосома. Единица упаковки ДНК, стабильно существующая при формировании нуклеосомной структуры и включающая 146 пар нуклеотидов и октамер коровых гистонов ;… … Молекулярная биология и генетика. Толковый словарь.
• Клеточное ядро — Клетки HeLa, ДНК которых окрашена голубым красителем Хёхста 33258. Центральная и правая клетки находятся в интерфазе, по … Википедия
• Кариоплазма — Клетки ДНК которых окрашена голубым красителем Хойста. Центральная и правая клетки находятся в интерфазе, поэтому окрашено всё ядро. Клетка слева находится в состоянии митоза (анафаза), поэтому её ядро не видно, а ДНК сконденсирована так, что… … Википедия
• Нуклеоплазма — Клетки ДНК которых окрашена голубым красителем Хойста. Центральная и правая клетки находятся в интерфазе, поэтому окрашено всё ядро. Клетка слева находится в состоянии митоза (анафаза), поэтому её ядро не видно, а ДНК сконденсирована так, что… … Википедия
• Эукариотическое ядро — Клетки ДНК которых окрашена голубым красителем Хойста. Центральная и правая клетки находятся в интерфазе, поэтому окрашено всё ядро. Клетка слева находится в состоянии митоза (анафаза), поэтому её ядро не видно, а ДНК сконденсирована так, что… … Википедия
• Ядерная оболочка — Клетки ДНК которых окрашена голубым красителем Хойста. Центральная и правая клетки находятся в интерфазе, поэтому окрашено всё ядро. Клетка слева находится в состоянии митоза (анафаза), поэтому её ядро не видно, а ДНК сконденсирована так, что… … Википедия

ГЕНЕТИКА – Підручник – А.В. Сиволоб – 2008

На першому рівні організації хроматину ДНК формує за рахунок взаємодії з білками елементарні утворення – нуклеосоми. Білковий компонент нуклеосоми (кор) складається з восьми молекул корових гістонів Н2А, Н2В, Н3 і Н4 – по дві молекули кожного типу (див. структуру димеру Н2А-Н2В, який є компонентом кора, на рис. 1.7, а). Октамерний комплекс гістонів має на своїй поверхні своєрідний трек позитивно заряджених амінокислотних залишків, який використовується для взаємодії з нуклеосомною ДНК довжиною 145 пар основ: ДНК утворює на поверхні октамера ~1,7 витка лівої суперспіралі (рис. 1.11).

Рис. 1.11. Структура нуклеосоми у двох проекціях.

Зображення створено за допомогою програми UCSF Chimera, код структури у Protein Data Bank 1KX5

У хроматині вся ДНК формує нуклеосоми із середньою щільністю одна нуклеосома на 200 пар основ, сусідні нуклеосоми з’єднані міжнуклеосомними лінкерними ділянками. Нуклеосомна ДНК разом із лінкерною ділянкою становлять так званий нуклеосомний повтор,

довжина якого варіює як уздовж полінуклеосомного ланцюга, так і залежно від функціонального стану, типу клітин тощо. Характер розподілу нуклеосом уздовж геномної ДНК має важливе функціональне значення: зрозуміло, що лінкерна ДНК є більш доступною для зовнішніх регуляторних впливів.

Як показано на рис. 1.11, кінцеві невпорядковані ділянки гістонів (хвости) виходять за межі нуклеосоми. Завдяки своїй структурній лабільності вони беруть участь в організації хроматину на наднуклеосомному рівні, а також відіграють важливу роль платформи для зв’язування різноманітних білків. Така взаємодія з білками має важливі функціональні наслідки для регуляції генної активності й залежить від посттрансляційних модифікацій хвостів – приєднання певних хімічних груп до певних амінокислотних залишків: ацетилювання, фосфорилювання, метилювання та деяких інших. Співвідношення між характером модифікацій і набором білків, які впізнають певний розподіл модифікованих груп по хвостах, називають гістоновим кодом.

Лінкерні ділянки, якими з’єднані сусідні нуклеосоми, продовжують хід нуклеосомної ДНК по прямій: у результаті нуклеосоми у складі полінуклеосомної нитки розташовані зиґзаґом (рис. 1.12). За рахунок взаємодії з ДНК невпорядкованих хвостів корових гістонів і молекул п’ятого гістона – гістона Н1 (одна молекула на нуклеосому) – полінуклеосомний зиґзаґ конденсується з утворенням так званої фібрили діаметром 30 нм – другого рівня компактизації хроматину.

Фібрила діаметром 30 нм є основною формою хроматину під час інтерфази – періоду між клітинними поділами. Однак у хроматині існує значна гетерогенність за ступенем конденсації. З одного боку, передумовою активації окремих ділянок хроматину є деконденсація фібрили. З іншого, – у репресованих ділянках хроматинова фібрила може бути як додатково стабілізованою в компактному стані, так і піддаватися компактизації більш високого порядку. Частина хроматину, що зберігає стан підвищеної компактизації протягом інтерфази, називається гетерохроматином (решта хроматину, де в принципі може відбуватися активація транскрипції, позначається як еухроматин). Утворення гетерохроматину здійснюється головним чином у ділянках, що містять повтори – у центромерах, теломерах та суміжних перицентромерних і субтеломерних ділянках, зонах концентрації мобільних елементів.

Рис. 1.12. Зиґзаґоподібна конфігурація полінуклеосомної нитки

На наступному рівні структурної організації у клітинному ядрі хроматинова фібрила формує петлі, кінці яких жорстко закріплені на скелетних білкових структурах клітинного ядра – ядерному матриксі (рис. 1.13). Одна петля, що містить від 20 до 200 тис. пар основ ДНК (один або кілька генів) часто розглядається як важливий елемент регуляції процесів транскрипції та реплікації. Із білками матриксу взаємодіють ділянки ДНК довжиною від 300 до 1 тис. пар основ – ділянки, асоційовані з матриксом (MAR, Matrix AssociatedRegions).

Ядерний матрикс – це система білкових філаментів, яка формує структурний каркас ядра. На периферії ядра розташована особлива частина матриксу, асоційована із внутрішньою ядерною мембраною – ядерна ламіна. Від ламіни всередину ядра протягнуті філаменти внутрішнього ядерного матриксу. З ламіною взаємодіє значна частина гетерохроматину, зокрема центромери й теломери хромосом. Еухроматинова частина хромосоми “звисає” всередину ядра, де хроматинові петлі закріплюються на внутрішній частині матриксу. У результаті хромосома займає певну зону в об’ємі ядра – хромосомну територію.

Рис. 1.13. Схема петельної організації хроматину

Нуклеосома

Нуклеосома — структурна частина хроматину, утворена ділянкою нитки ДНК намотаною на серцевину із основних білків-гістонів, має діаметр ~11 нм [1] . Нуклеосоми є першим рівнем упакування ДНК еукаріот (необхідне для поміщення ДНК загальною довжиною близько метра у ядро діаметром 5—10 мкм), а також архей, і забезпечує її компактизацію приблизно у сім разів і захищає її від ушкоджень [2] . Серцевина нуклеосоми складається із восьми білків: по дві копії гістонів H2A , H2B , H3 і H4, N-кінець (хвіст гістону) кожної білкової молекули виступає назовні нуклеосоми і може бути місцем різних ковалентних модифікацій. Довжина ділянки ДНК, що входить до складу нуклеосоми, становить 146 п.н., вона намотана на білкову серцевину у вигляді лівозакрученої суперспіралі 1,7 рази. Нуклеосоми розміщуються вздовж ДНК досить регулярно, на найчастіше відстані від 8 до 80 (довжина лінкерної ДНК, зв’язаної із гістоном H1) [3] . Таким чином нуклеосоми повторюються приблизно кожних 200 п.н., одна диплоїдна клітина людини містить приблизно 30 млн нуклеосом [1] . Послідовність нуклеосом і лінкерних ділянок формує 10 нм філамент, що має вигляд «намистин на нитці» і переважно підлягає подальшій компактизації.

Деконденсований хроматин із еритроцитів курки. Видно типові нуклеофіламенти («намистина на нитці»), чорні стрілки вказують на нуклеосоми, білі —на лінкерну ДНК. ТЕМ

Технічно, термін «нуклеосома» позначає ќорову частинку (146 п.н. ДНК і білкову серцевину) і одну найближчу лінкерну послідовність, але переважно вживається як синонім корової частинки [1] .

Впродовж клітинного циклу нуклеосоми тимчасово від’єднуються від ДНК тільки під час реплікації, також вони можуть бути усунуті на ділянках, що транскрибуються у певний момент. Додатково в сперматозоїдах під час їхнього дозрівання більшість нуклеосом заміщується на нуклеопротаміни, де основою є білки протаміни замість гістонів. Це додатково ущільнює ДНК, робить об’єм ядра сперматозоїда меншим та захищає ДНК від пошкоджень. [4]

Oops something went wrong:

Нуклеосома

Нуклеосома — структурна частина хроматину, утворена ділянкою нитки ДНК намотаною на серцевину із основних білків-гістонів, має діаметр ~11 нм [1] . Нуклеосоми є першим рівнем упакування ДНК еукаріот (необхідне для поміщення ДНК загальною довжиною близько метра у ядро діаметром 5—10 мкм), а також архей, і забезпечує її компактизацію приблизно у сім разів і захищає її від ушкоджень [2] . Серцевина нуклеосоми складається із восьми білків: по дві копії гістонів H2A , H2B , H3 і H4, N-кінець (хвіст гістону) кожної білкової молекули виступає назовні нуклеосоми і може бути місцем різних ковалентних модифікацій. Довжина ділянки ДНК, що входить до складу нуклеосоми, становить 146 п.н., вона намотана на білкову серцевину у вигляді лівозакрученої суперспіралі 1,7 рази. Нуклеосоми розміщуються вздовж ДНК досить регулярно, на найчастіше відстані від 8 до 80 (довжина лінкерної ДНК, зв’язаної із гістоном H1) [3] . Таким чином нуклеосоми повторюються приблизно кожних 200 п.н., одна диплоїдна клітина людини містить приблизно 30 млн нуклеосом [1] . Послідовність нуклеосом і лінкерних ділянок формує 10 нм філамент, що має вигляд «намистин на нитці» і переважно підлягає подальшій компактизації.

Деконденсований хроматин із еритроцитів курки. Видно типові нуклеофіламенти («намистина на нитці»), чорні стрілки вказують на нуклеосоми, білі —на лінкерну ДНК. ТЕМ

Технічно, термін «нуклеосома» позначає ќорову частинку (146 п.н. ДНК і білкову серцевину) і одну найближчу лінкерну послідовність, але переважно вживається як синонім корової частинки [1] .

Впродовж клітинного циклу нуклеосоми тимчасово від’єднуються від ДНК тільки під час реплікації, також вони можуть бути усунуті на ділянках, що транскрибуються у певний момент. Додатково в сперматозоїдах під час їхнього дозрівання більшість нуклеосом заміщується на нуклеопротаміни, де основою є білки протаміни замість гістонів. Це додатково ущільнює ДНК, робить об’єм ядра сперматозоїда меншим та захищає ДНК від пошкоджень. [4]

Oops something went wrong:

12.2: Організація ДНК всередині клітини

ДНК клітини, упакована у вигляді дволанцюгової молекули ДНК, називається її геном. У прокаріотів геном складається з однієї, двоцепочечной молекули ДНК у вигляді петлі або кола (рис. \(\PageIndex\) ). Область в клітці, що містить цей генетичний матеріал, називається нуклеоїдом (пам’ятайте, що прокаріоти не мають окремого мембранозв’язаного ядра). Деякі прокаріоти також мають менші петлі ДНК, які називаються плазмідами, які не є важливими для нормального росту. Бактерії можуть обмінюватися цими плазмідами з іншими бактеріями, іноді отримуючи корисні нові гени, які реципієнт може додати до своєї хромосомної ДНК. Стійкість до антибіотиків – одна з ознак, яка часто поширюється через бактеріальну колонію через плазмідний обмін. Малюнок \(\PageIndex\) : Бактеріальна ДНК і плазміди обидва кругові. Фото кредит Spaully; Вікіпедія. Розмір генома у одного з найбільш добре вивчених прокаріотів, E.coli, становить 4,6 мільйона пар основ (що становило б приблизно 1,1 мм в довжину, якщо б розрізати і розтягнути). Так як же це вписується всередині невеликої бактеріальної клітини? ДНК скручується тим, що відомо як суперколювання. Суперспіральна ДНК згорнута більш щільно, ніж зазвичай може бути виявлена в клітині (більше 10 нуклеотидів на скручування спіралі). Якщо ви візуалізуєте скручування мотузки, поки вона не повернеться назад на себе, у вас є досить хороший візуал суперспіральної ДНК. Цей процес дозволяє ущільнити ДНК в невеликий простір всередині бактерії.

Організація ДНК у еукаріотів

Еукаріоти мають набагато більше ДНК, ніж у прокаріотів. Наприклад, бактерії кишкової палички містять приблизно 3 мільйони пар основ ДНК, тоді як людина містить приблизно 3 мільярди. У еукаріотів, таких як людина та інші тварини, геном складається з декількох дволанцюгових лінійних молекул ДНК (рис. \(\PageIndex\) ), які розташовані всередині мембранно-зв’язаного ядра. Кожен вид еукаріот має характерну кількість хромосом в ядрах (множині ядра) його клітин. Нормальна людська гамета (сперматозоїд або яйцеклітина) містить 23 хромосоми. Нормальна клітина людського тіла, або соматична клітина, містить 46 хромосом (один набір з 23 з яйцеклітини і один набір з 23 зі сперматозоїда; рис. \(\PageIndex\) ). Буква n використовується для представлення єдиного набору хромосом; тому гамета (сперматозоїд або яйцеклітина) позначається 1 n, і називається гаплоїдної клітиною. Соматичні клітини (клітини тіла) позначаються 2 n і називаються диплоїдними клітинами. Малюнок \(\PageIndex\) : У жіночій соматичній клітині людини налічується 23 пари гомологічних хромосом. Конденсовані хромосоми розглядаються всередині ядра (зверху), видаляються з клітини в мітозі і поширюються на слайді (праворуч), і штучно розташовані відповідно до довжини (зліва); подібне розташування називається каріотипом. На цьому зображенні хромосоми піддавалися впливу флуоресцентних плям для диференціації різних хромосом. Метод фарбування під назвою «хромосомне фарбування» використовує флуоресцентні барвники, які виділяють хромосоми різними кольорами. (кредит: Національний проект геному людини/NIH) Зібрані пари хромосом в диплоїдному організмі називаються гомологічними («однаковими знаннями») хромосомами. З пари гомологічних хромосом одна вийшла з яйцеклітини, а друга – від сперматозоїда. Гомологічні хромосоми мають однакову довжину і мають специфічні нуклеотидні сегменти, звані генами в точно такому ж місці, або локусом. Гени, функціональні одиниці хромосом, визначають специфічні характеристики шляхом кодування специфічних білків. Риси – це варіації цих характеристик. Наприклад, колір волосся – це характеристика з рисами, які є блондинкою, коричневою або чорною. Кожна копія гомологічної пари хромосом походить від іншого батька; отже, послідовність ДНК, присутня в двох генах на парі гомологічних хромосом, не обов’язково ідентична, незважаючи на те, що ті ж гени присутні в тих же місцях хромосоми. Ці різні версії гена, які містять різні послідовності ДНК, називаються алелями. Якщо подивитися на малюнок \(\PageIndex\) , то можна побачити пару гомологічних хромосом. Хромосома, показана на малюнку, – хромосома 15. Ген HERC2 розташований на цій хромосомі. Цей ген є одним з як мінімум трьох генів, які допомагають визначити колір очей. Кожна людина успадковує дві копії гена HERC2: одну від яйцеклітини і одну від сперми. Однак алелі гена HERC2, які вони успадковують, можуть бути різними. На малюнку клітина, що містить цю гомологічну пару хромосом, містить один синій алель і один коричневий алель. Малюнок \(\PageIndex\) : Гомологічна пара хромосоми 15s, що показує розташування гена HERC2. Два різних алелі цього гена показані синім або коричневим кольором. Варіація особин всередині виду обумовлена специфічною комбінацією генів, успадкованих від обох батьків. Навіть трохи змінена послідовність нуклеотидів всередині гена може призвести до альтернативної ознаки. Наприклад, на хромосомі людини є три можливі послідовності генів (алелі), які кодують за групою крові: послідовність А, послідовність В і послідовність О. Оскільки всі диплоїдні клітини людини мають дві копії хромосоми, яка визначає групу крові, визначається група крові (ознака), за якою дві версії ген-маркер передаються у спадок. Можна мати дві копії одного і того ж алеля на обох гомологічних хромосомах, по одній на кожній (наприклад, AA, BB або OO), або два різних алелі, такі як AB. Незначні варіації ознак, такі як група крові, колір очей та ручність, сприяють природним варіаціям, знайденим у вигляді. Однак якщо порівнювати всю послідовність ДНК з будь-якої пари гомологічних хромосом людини, різниця становить менше одного відсотка. Статеві хромосоми, X і Y, є єдиним винятком з правила однорідності гомологічних хромосом: крім невеликої кількості гомології, яка необхідна для точного вироблення гамет, гени, знайдені на хромосомах X і Y, різні.

Еукаріотична хромосомна структура та ущільнення

Якби ДНК з усіх 46 хромосом в ядрі клітини людини була викладена впритул, вона вимірювала б приблизно два метри; однак її діаметр становив би лише 2 нм. Враховуючи, що розмір типової клітини людини становить близько 10 мкм (100 000 клітин, що вишикувалися рівним одному метру), ДНК повинна бути щільно упакована, щоб поміститися в ядрі клітини. У той же час він також повинен бути легкодоступним для експресії генів. Під час деяких етапів клітинного циклу довгі нитки ДНК конденсуються в компактні хромосоми. Еукаріоти, хромосоми яких складаються з лінійної молекули ДНК, використовують складний тип стратегії упаковки, щоб відповідати їх ДНК всередині ядра (рис. \(\PageIndex<4>\) ). На самому базовому рівні ДНК обертається навколо білків, відомих як гістони, утворюють структури, звані нуклеосомами. Гістони – це еволюційно збережені білки, які утворюють октамер з восьми гістонових білків, з’єднаних разом. ДНК, яка негативно заряджена через фосфатних груп, щільно обгорнута навколо ядра гістону, яке має загальний позитивний заряд. Ця нуклеосома пов’язана з наступною за допомогою лінкерної ДНК. Це також відоме як структура «намистини на нитці». Це додатково ущільнюється в 30 нм волокно, яке є діаметром конструкції. На стадії метафази хромосоми найбільш компактні, мають ширину приблизно 700 нм і знаходяться в асоціації з білками каркасів. Малюнок \(\PageIndex<4>\) : Дволанцюгова ДНК обгортається навколо гістонових білків, утворюючи нуклеосоми, які мають вигляд «намистин на нитці». Нуклеосоми згортаються в 30-нм хроматинове волокно. Коли клітина піддається мітозу, дубльовані хромосоми ущільнюються ще далі. ДНК реплікується в S-фазі інтерфази. Після реплікації хромосоми складаються з двох пов’язаних сестринських хроматидів (рис. \(\PageIndex\) ). Це означає, що єдиний час хромосоми виглядають як «X» – це після того, як відбулася реплікація ДНК і хромосоми конденсуються. Протягом більшої частини життя клітини хромосоми складаються тільки з однієї копії і вони не щільно ущільнені в хромосоми. При повному ущільненні пари однаково упакованих хромосом зв’язуються один з одним білками когезину. Зв’язок між сестринськими хроматидами найбільш близький в області, яка називається центромер. З’єднані сестринські хроматиди, діаметром близько 1 мкм, видно під світловим мікроскопом. Центромерна область сильно ущільнена і, таким чином, буде виглядати як звужена область. На \(\PageIndex<4>\) малюнку він показаний як овал, тому що так легше малювати. Малюнок \(\PageIndex\) : Результат реплікації ДНК у еукаріотів. У клітині організму є дві копії кожної хромосоми (по одній від кожного з батьків). Після реплікації дві однакові сестринські хроматиди залишаються з’єднаними у центромере (показано у вигляді овалу).

Посилання

Якщо не зазначено інше, зображення на цій сторінці ліцензуються відповідно до CC-BY 4.0 OpenStax. OpenStax, Біологія. OpenStax CNX. Грудня 21, 2017 https://cnx.org/contents/GFy_h8cu@10. and-Sequencing

ДНК – визначення, структура, властивості, типи, функції

ДНК — це полімер зклеєних разом дезоксирибонуклеотидів (або просто дезоксинуклеотидів). Він складається з дезоксиаденілатних (dAMP), дезоксигуанілатних (dGMP), дезоксицитидилатних (dCMP) і дезокситимідилатних (dTMP) одиниць (dTMP) (деякі автори вважають за краще використовувати TMP замість дезокситимідилату, оскільки він міститься лише в ДНК.)

• ДНК = дезокси-рибонуклеїнова кислота
• РНК = рибонуклеїнова кислота
• дезокси = 2′-H (проти 2′-OH у РНК)
• ribo = цукор рибоза = цукор пентоза
• кислота = фосфатна група надає йому кислотність

• Молекули ДНК складаються з нуклеїнових кислот, які є молекулами клітини, що несуть інформацію.
• Молекули ДНК складаються з багатьох менших молекул, які називаються нуклеотидами. Вони є полімерами.
• Кожен нуклеотид складається з цукру молекули, фосфатна група і азотиста основа.
• Дві нитки ДНК у молекулі ДНК скручуються одна навколо одної, утворюючи спіральну форму, яка називається подвійною спіраллю.
• Джеймс Вотсон, Френсіс Крік і Розалінда Франклін були першими, хто дізнався, що ДНК має форму подвійної спіралі в 1953 році.
• У ядрі молекули ДНК зберігають генетичний код, який містить всю інформацію організму потрібно працювати.
• У 1953 році американський біолог Джеймс Вотсон, англійський фізик Френсіс Крік і Розалінда Франклін були першими, хто з’ясував, що ДНК має форму подвійної спіралі (англійський хімік).
• Незважаючи на те, що Ватсон і Крік отримали заслугу в пошуку подвійної спіралі, вважається, що дані Франкліна допомогли їм знайти її.
• Франклін була експертом у методі візуалізації під назвою рентгенівська кристалографія, який вона використала, щоб зробити перше зображення спіральної форми ДНК.
• У 1962 році Уотсон і Крік отримали Нобелівську премію за виконану ними роботу. Франклін дійсно допомогла зробити відкриття, але вона не виграла премію, оскільки померла від раку чотири роки тому.

Історія ДНК

Історія ДНК починається з Фрідріха Мішера, швейцарського хіміка-фізіолога, який зробив новаторське відкриття в 1869 році. Мішер ідентифікував речовину в ядрах білих кров’яних тілець людини, яку він назвав «нуклеїном». Пізніше ця речовина була перейменована в «нуклеїнову кислоту», а згодом у «дезоксирибонуклеїнову кислоту» або «ДНК». Спочатку Мішер мав намір виділити та вивчити білкові компоненти лейкоцитів, але натрапив на нову речовину з унікальними хімічними властивостями. Він зрозумів, що відкрив новий тип молекули, яка не схожа на жоден білок, відомий на той час.

Відкриття Мішером нуклеїнових кислот залишалося майже невизнаним понад 50 років. У 1919 році російський біохімік Феб Левен продовжив дослідження хімічної природи нуклеїнових кислот. Левен запропонував «полінуклеотидну» модель на основі своїх досліджень дріжджі нуклеїнові кислоти. Згідно з його моделлю, нуклеїнові кислоти складаються з нуклеотидів, кожен з яких складається з фосфатної групи, молекули цукру (рибози в РНК і дезоксирибози в ДНК) і азотовмісної основи. Незважаючи на те, що запропонована Левеном тетрануклеотидна структура була спрощеною і пізніше виявилася невірною, він заклав основу для розуміння компонентів нуклеїнових кислот.

Ервін Чаргафф, австрійський біохімік, розширив роботу Левена. Натхненний відкриттям Освальда Евері про те, що гени складаються з ДНК, Чаргафф заглибився в хімію нуклеїнових кислот. Він досліджував склад ДНК у різних видів і зробив два важливих спостереження. По-перше, він виявив, що нуклеотидний склад ДНК різний у різних видів, всупереч запропонованому Левеном порядку. По-друге, Чаргафф виявив, що кількості аденіну (A) і тиміну (T) зазвичай однакові, як і кількості гуаніну (G) і цитозину (C). Це відкриття, відоме як «правило Чаргаффа», мало вирішальне значення для розуміння сполучення основ у молекулі ДНК.

Зрештою структуру ДНК розгадали Джеймс Вотсон і Френсіс Крік у 1953 році. Їхній роботі сприяли досягнення в рентгенівській кристалографії Розалінд Франклін і Моріса Вілкінса, а також методи побудови моделей, розроблені Лайнусом Полінгом. Уотсон і Крік запропонували подвійну спіральну структуру ДНК з двома ланцюгами, з’єднаними водневими зв’язками. Вони виявили, що A завжди поєднується з T, а C завжди поєднується з G, відповідно до правила Чаргаффа. Крім того, вони визначили, що молекула ДНК є правою та антипаралельною, тобто два ланцюги йдуть у протилежних напрямках.

Починаючи з моделі Уотсона і Кріка, вчені внесли деякі незначні уточнення, але чотири основні особливості структури ДНК залишаються незмінними. Ці особливості включають дволанцюгову спіраль із комплементарним паруванням основ, правосторонню спіральну структуру, антипаралельне розташування ниток і відкриті азотисті основи, доступні для водневих зв’язків. Вчені також ідентифікували різні конформації подвійної спіралі ДНК, такі як найпоширеніша B-ДНК, а також A-ДНК і Z-ДНК, які виникають за певних умов.

Загалом, історія ДНК охоплює від відкриття Фрідріхом Мішером нуклеїнових кислот до пропозиції Уотсона та Кріка про структуру подвійної спіралі, заснованої на внеску таких учених, як Левен і Чаргафф. Це розуміння структури та складу ДНК заклало основу для подальшого прогресу в генетиці та молекулярній біології.

Властивості ДНК

• ДНК — це довгий полімер, що складається з повторюваних одиниць, які називаються нуклеотидами. Кожен нуклеотид зазвичай позначається однією буквою: A, T, C або G.
• Уздовж своєї довжини структура ДНК змінюється, тому вона може скручуватися в тугі петлі та інші форми.
• Він складається з двох спіральних ланцюгів, які у всіх видів утримуються водневими зв’язками.
• Обидва ланцюги намотані навколо однієї осі та мають однакову відстань між ланками, яка становить 34 нгстрема (3.4 нм).
• Відстань між двома ланцюгами становить 10. (1.0 нм).
• Коли ланцюг ДНК вимірювали в іншому розчині, його ширина становила 22–26 (2.2–2.6 нм), а довжина однієї нуклеотидної одиниці – 3.3 (0.33 нм).
• Незважаючи на те, що кожен нуклеотид дуже малий, полімер ДНК може бути дуже довгим і містити сотні мільйонів нуклеотидів, як у хромосомі 1. Найбільшою хромосомою людини є хромосома 1. Вона має приблизно 220 мільйонів пар основ і має довжину 85 мм. якби це було прямо.
• ДНК зазвичай складається з двох ланцюгів, які міцно з’єднані.
• У формі подвійної спіралі ці дві довгі нитки обертаються одна навколо одної.
• Нуклеотид містить частину скелета молекули (яка утримує ланцюг разом) і нуклеотидну основу (яка взаємодіє з іншим ланцюгом ДНК у спіралі).
• Нуклеозид, з’єднаний з цукром, називається нуклеозидом. Нуклеотид – це основа, яка з’єднана з цукром і однією або кількома фосфатними групами.
• Полінуклеотид – це біополімер, що складається з багатьох зв’язаних нуклеотидів, як ДНК.
• Основа ланцюга ДНК складається з груп фосфатів і цукру, які приходять і йдуть.
• 2-дезоксирибоза є цукром у ДНК. Це пентозний цукор, що означає, що він містить п’ять атомів вуглецю.
• Цукри утримуються разом фосфатними групами, які створюють фосфодіефірні зв’язки між третім і п’ятим атомами вуглецю сусідніх цукрових кілець. Це 3′-кінець (три простих кінця) і 5′-кінець (п’ять простих кінців) вуглеці. Штриховий символ використовується, щоб відрізнити ці атоми вуглецю від атомів основи, з якою дезоксирибоза утворює глікозидний зв’язок.
• Отже, ланцюг ДНК зазвичай має один кінець з фосфатною групою, приєднаною до 5′-вуглецю рибози (5′-фосфорил), а інший кінець — з вільною гідроксильною групою, приєднаною до 3′-вуглецю рибози (3′-гідроксил). .
• Кожен ланцюг ДНК має спрямованість (іноді її називають полярністю) через те, як 3′-і 5′-вуглеці вибудовуються вздовж цукрово-фосфатного остову.

• У подвійній спіралі нуклеїнової кислоти напрямок нуклеотидів в одному ланцюзі протилежний напрямку нуклеотидів в іншому ланцюзі. Це означає, що дві нитки антипаралельні.
• Асиметричні кінці ланцюгів ДНК називаються п’ятьма головними кінцями (5′) і трьома первинними кінцями (3′). 5′-кінець має фосфатну групу на кінці, тоді як 3′-кінець має гідроксильну групу на кінці.
• Цукор є великою різницею між ДНК і РНК. ДНК містить 2-дезоксирибозу, але РНК містить рибозу, яка є спорідненим пентозним цукром.
• Подвійна спіраль ДНК здебільшого утримується разом двома силами: водневими зв’язками між нуклеотидами та взаємодією укладання основ між ароматичними нуклеоосновами.
• Аденін (A), цитозин (C), гуанін (G) і тимін (T) є чотирма основами в ДНК (T).
• Як показано для аденозинмонофосфату, ці чотири основи з’єднані з цукрофосфатом, утворюючи повний нуклеотид.
• AT пари основ утворюються, коли аденін з’єднується з тиміном, а гуанін – з цитозином.
• Є два типи нуклеооснов: пурини, A і G, які є конденсованими гетероциклічними сполуками з п’ятьма або шістьма циклами, і піримідини, C і T, які також є сполуками з шістьма циклами.
• Урацил (U), п’ята піримідинова нуклеооснова, зазвичай займає місце тиміну в РНК. Він відрізняється від тиміну тим, що його кільце не має метильної групи. Крім РНК і ДНК, вчені створили багато штучних версій нуклеїнових кислот, щоб вивчити їх властивості або використовувати в біотехнології.
• ДНК має основи, які були змінені. Першим із них був знайдений 5-метилцитозин. Він був знайдений у геномі Mycobacterium tuberculosis у 1925 році. Причина того, що бактеріальні віруси (бактеріофаги) мають ці неканонічні основи, полягає в тому, щоб уникнути обмеження ферменти які містяться в бактеріях. Принаймні частково це фермент Система працює як молекулярна імунна система, щоб захистити бактерії від вірусів. Найпоширеніші основи ДНК, які можна змінювати, цитозин і аденін, відіграють важливу роль у тому, як рослини та тварини контролюють експресію своїх генів.
• Основа ДНК складається з двох спіральних ланцюгів. Слідкуючи за борозенками між пасмами, можна знайти ще одну подвійну спіраль. Ці порожні місця розташовані поблизу пар основ і можуть служити місцем зв’язування. Оскільки не всі пасма розташовані однаково, борозенки не мають однакового розміру. Ширина великої борозенки становить 22 (2.2 нм), тоді як ширина малої борозенки становить 12 (1.2 нм).
• До країв основи легше дістатися у великій борозенці, ніж у меншій, тому що велика борозенка ширша. Таким чином, білки, такі як фактори транскрипції, які можуть зв’язуватися з певними послідовностями в дволанцюговій ДНК, зазвичай встановлюють контакт з відкритими основами в головній борозенці. Це відбувається по-різному залежно від того, як ДНК скручується всередині клітини, але велика та допоміжна борозенки завжди називаються відповідно до різної ширини, яку можна було б побачити, якби ДНК розкрутили та повернули її до нормальної B-форми.
• Процес під назвою «суперскручування ДНК» може скручувати ДНК, як мотузку.
• ДНК може приймати багато різних форм, наприклад A-ДНК, B-ДНК і Z-ДНК, але тільки B-ДНК і Z-ДНК безпосередньо можна побачити в живих організмах. Форма ДНК залежить від її рівня гідратації, її послідовності, кількості та напрямку суперскручування, хімічних змін основ, типу та кількості іонів металу та наявності або відсутності поліамінів у розчині.
• Оскільки ДНК має фосфатні групи, вона кисла, як фосфорна кислота, і її можна вважати сильною кислотою. При нормальному рівні рН у клітині вона буде повністю іонізована, вивільняючи протони, які залишають негативні заряди на фосфатних групах. Через відштовхування нуклеофіли, які могли б розщепити ДНК шляхом гідролізу, відштовхуються негативними зарядами.
• Було створено кілька штучних нуклеотидних основ, і вони добре працюють у ДНК Хатімодзі, яка є восьмиосновною версією ДНК. Ці штучні основи, які отримали назви S, B, P і Z, можуть з’єднуватися передбачуваним способом (S до B і P до Z), зберігати форму подвійної спіралі ДНК і перетворюватися на РНК.
• Розрив відбувається в ДНК, коли на кінці подвійного ланцюга ДНК, яка в іншому випадку є комплементарною, є частини, які не є комплементарними. Але розгалужена ДНК може виникнути, якщо додається третій ланцюг ДНК і має частини, які можуть з’єднуватися з розірваними частинами дволанцюгової ДНК, яка вже є. Незважаючи на те, що три ланцюги ДНК складають найпростіший приклад розгалуженої ДНК, також можливі комплекси з більшою кількістю ланцюгів і розгалужень. [63] У нанотехнологіях розгалужену ДНК можна використовувати для створення геометричних форм. Для отримання додаткової інформації див. розділ про те, як це використовується в технології.
• Якщо послідовність ДНК збігається з копією інформаційної РНК, яка перетворюється на білок, це називається «смисловою» послідовністю. «Антисмисловий» означає послідовність іншого ланцюга ДНК. На різних частинах одного ланцюга ДНК можуть бути як смислові, так і антисмислові послідовності (тобто обидва ланцюги можуть містити як смислові, так і антисмислові послідовності).

Будова ДНК

• ДНК — це полімер, що складається з дезоксирибонуклеотидів, з’єднаних фосфодіефірними зв’язками.
• Він містить аденін, гуанін, цитозин і тимін як основи.
• Молекули ДНК зазвичай складаються з двох полінуклеотидних ланцюгів, згорнутих разом, щоб створити подвійну спіраль діаметром 2.0 нм.
• Мономери ДНК називають дезоксирибонуклеотидами через наявність у них дезоксирибози.
• Оскільки він складається з фосфату, який утворює місток між 3′-гідроксилом одного цукру та 5′-гідроксилом сусіднього цукру, зв’язок, який з’єднує мономери з утворенням полімеру, відомий як фосфодіефірний зв’язок.

• До 1′-вуглецю цукрів дезоксирибози приєднані пуринові та піримідинові основи, які простягаються до центру циліндра, утвореного двома ланцюгами. (Числа, що позначають атоми вуглецю в цукрах, починаються з простого числа, щоб відрізнити їх від чисел, що позначають атоми вуглецю та азоту в азотистих основах.)
• Основи кожного ланцюга взаємодіють з основами іншого ланцюга, утворюючи пари основ.
• Одна пара основ накладається на наступну кожні 0.34 нм у центрі структури.
• Два водневі зв’язки завжди з’єднують пурин-аденін (A) одного ланцюга з піримідин-тиміном (T) протилежного ланцюга.
• Пурин гуанін (G) утворює три водневі зв’язки з цитозином (C).
• Завдяки сполученню основ AT і GC два ланцюги подвійної спіралі ДНК є комплементарними. Іншими словами, основи в одному ланцюзі відповідають основам в іншому ланцюзі відповідно до точних принципів парування основ.
• Завдяки тому факту, що послідовності основ у цих ланцюгах кодують генетичну інформацію, багато роботи пішло на ідентифікацію послідовностей основ ДНК і РНК кількох видів, включаючи сотні бактерій.
• Два полінуклеотидні ланцюги ДНК з’єднуються разом, подібно до фрагментів пазла.
• Дві нитки не паралельні одна одній. Коли нитки скручуються одна навколо одної, кістяк утворює широку велику борозенку та вужчу малу борозенку.
• На один виток спіралі припадає 10.5 пар основ, а вертикальна довжина кожного витка становить 3.4 А.
• Спіраль є правосторонньою, тобто ланцюги обертаються проти годинникової стрілки, коли вони наближаються до спостерігача, який спостерігає за поздовжньою віссю.
• Два магістралі є антипаралельними щодо орієнтації своїх цукрів, тобто вони рухаються в протилежних напрямках.

• Один кінець кожного ланцюга має відкриту 5′-гідроксильну групу, часто зі зв’язаними фосфатами, тоді як інший кінець має вільну 3′-гідроксильну групу.
• Один ланцюг орієнтований від 5′ до 3′, а інший – від 3′ до 5′, у визначеному напрямку.
• Щойно описана структура ДНК відповідає формі B, найбільш поширеному типу в клітинах.
• Було виявлено ще два типи ДНК. Основна відмінність між формою A та формою B полягає в тому, що форма A має 11 пар основ на виток спіралі, на відміну від 10.5, і вертикальну довжину 2.6 A, на відміну від 3.4 A. Тому вона ширша за B варіант.
• Форма Z має лівосторонню спіральну структуру, на відміну від правосторонньої спіральної структури форм B і A.
• Форма Z має 12 пар основ на спіральний оберт і 3.7 А вертикального підйому. Тому він тонший, ніж варіант B. Досі невідомо, чи присутня форма А в клітинах.
• Тим не менш, є докази того, що крихітні ділянки хромосом можуть існувати у формі Z. Невідома функція цих ділянок Z ДНК, якщо така є.
• Суперспіральність — це ще одна особливість ДНК, на яку потрібно звернути увагу. ДНК спіральна, тобто скручена. Якщо будь-яким чином перешкоджати обертанню котушки, котушка згорнеться сама на себе. Супернамотування відноситься до намотування котушки.
• Пам’ятайте, що більшість бактеріальних хромосом – замкнуті дволанцюгові молекули ДНК. У цьому положенні два ланцюги не можуть вільно обертатися відносно один одного, і кажуть, що молекула перебуває під напругою. Супернамотування знімає напругу.
• Позитивна та негативна суперспіраль — це два типи. Зміни в кількості пар основ на виток у подвійній спіралі характеризують це для ДНК.
• Як згадувалося раніше, ДНК типу В має 10.5 пар основ на виток спіралі.
• Негативна суперскручування — це суперскручування, при якому кількість пар основ зменшується з кожним витком.
• Позитивне суперспіралізація відноситься до суперскручування, яке збільшує кількість пар основ кожного оберту.
• Як правило, бактеріальні хромосоми негативно суперскручені.

У чому важливість суперскручування?

• ДНК ущільнюється за допомогою суперскручування, щоб вона могла поміститися всередині клітини.
• Крім того, суперспіралізація «розпушує» ДНК, полегшуючи розділення двох ланцюгів.
• Як у реплікації ДНК, так і в транскрипції, поділ двох ланцюгів є критично важливим раннім кроком.
• Крім того, під час реплікації ДНК часто вводиться позитивна суперскручка. Це може пригнічувати реплікацію ДНК, тому його необхідно усунути.

Розмір молекули ДНК — одиниці довжини

Молекули ДНК величезні. Пара B-ДНК товщиною 0.34 нм має середню молекулярну масу 660 дальтон.

Для вимірювання довжини враховується дволанцюгова структура ДНК, яка виражається в парах основ (bp). Пара кілооснов (kb) становить 103 пари основ (bp), тоді як пара мегабаз (Mb) становить 106 пар основ (bp), а пара гігабаз (Gb) становить 109 пар основ (bp). Відношення між kb, Mb і Gb можна підсумувати таким чином:

• 1 кб = 1000 бп
• 1 Mb = 1000 kb = 1,000,000 XNUMX XNUMX bp
• 1 Гб = 1000 Мб = 1,000,000,000 XNUMX XNUMX XNUMX біт

Оскільки більшість РНК одноланцюгові, довжину молекул РНК (як і молекул ДНК) не можна вказати в парах основ (bp).

Довжина ДНК різна для різних видів і зазвичай виражається складом пар основ і довжиною контуру. Довжина контуру показує загальну довжину геномної ДНК у клітині. Як приклади наведено деякі види з довжиною bp і контуру.

• Вірус фага λ — 4.8 у 104 п.н. — довжина контуру 16.5 пм.
• E. coli — 4.6 у 106 п.н. — довжина контуру 1.5 мкм.
• Диплоїдний клітина людини (46 хромосом) — 6.0 u 109 bp — довжина контуру 2 метри.

Слід підкреслити, що геномна ДНК, як правило, значно більша, ніж клітина або ядро, в яких вона знаходиться. У людини 2-метрова ДНК упакована в ядро ​​діаметром приблизно 10 мкм.

ДНК може мати лінійну або кільцеву форми. Більшість бактеріальних ДНК існують у вигляді замкнутих кіл. Він містить ДНК бактеріальних хромосом і ДНК плазмід, яка є позахромосомною. Еукаріотичні мітохондрії та хлоропласти також містять кільцеву ДНК.

Більшість хромосомних ДНК вищих організмів є лінійними. Індивідуальні хромосоми людини складаються з однієї молекули ДНК різного розміру. Таким чином, найменша хромосома містить 34 мегабайти, а найбільша містить 263 мегабайти.

Денатурація ланцюгів ДНК

Денатурація

• Дві нитки ДНК утримуються разом водневими зв’язками. Поділ полінуклеотидних ниток відбувається внаслідок розриву водневих зв’язків (через зміну рН або підвищення температури).
• Цей процес втрати ДНК своєї спіральної форми відомий як денатурація.
• При денатурації фосфодіефірні зв’язки не розриваються. Збільшення поглинання при 260 нм може виміряти втрату спіральної структури (у спектрофотометрі).

Гіперхромність

Температура плавлення

• Температура плавлення (Tm) – це температура, при якій ДНК втрачає половину своєї спіральної спіралі.
• Оскільки пари основ GC більш стабільні (завдяки трьом водневим зв’язкам), ніж пари основ AT (завдяки двом водневим зв’язкам), ДНК із вищим складом GC мають більший Tm.
• Отже, Tm становить 65°C для рівня GC 35% і 70°C для значення GC 50%.
• Формамід дестабілізує водневі зв’язки пар основ і, як наслідок, знижує Tm.
• Ця хімічна речовина успішно використовується в дослідженнях рекомбінації ДНК.

Ренатурація

• Ренатурація (або повторний відпал) — це процес, за допомогою якого розщеплені комплементарні ланцюги ДНК можуть повторно зібратися в подвійну спіраль.

Організація ДНК в клітині

• Як зазначалося раніше, довжина дволанцюгової спіралі ДНК у кожній хромосомі в тисячі разів перевищує діаметр ядра.
• У людини 2-метрова ДНК упакована в ядро ​​діаметром 10 мкм!
• Це стало можливим завдяки неймовірній упаковці та організації ДНК усередині клітини.

Організація ДНК прокаріотів

• У прокаріотичних клітинах ДНК структурована в одну хромосому у вигляді дволанцюгового кола.
• Взаємодіючи з білками та певними катіонами, ці бактеріальні хромосоми упаковуються у формі нуклеоїдів (поліамінів).

Організація ДНК еукаріот

• В еукаріотичних клітинах ДНК з’єднується з численними білками, щоб утворити хроматин, який потім упорядковується в хромосоми, які є компактними структурами.
• Подвійна спіраль ДНК оточена коровими білками, зокрема гістонами, які є фундаментальними за своєю природою.
• Ядро складається з двох молекул гістонів (H2A, H2B, H3 і H4).
• Основною одиницею хроматину є нуклеосома, яка складається з ядра, оточеного двома витками ДНК (приблизно 150 п.н.).
• Розділяє нуклеосоми спейсерна ДНК, до якої приєднаний гістон H1.
• Цей безперервний рядок нуклеосом, який представляє тип хроматину типу «намистинки на нитці», відомий як 10-нм волокно.
• Виробництво волокна 10 нм значно зменшує довжину ДНК.
• Це 10-нм волокно згодом скручується, щоб створити 30-нм волокно з соленоїдною структурою, яка містить шість нуклеосом на кожному витку.
• Ці 30-нм волокна структуровані в петлі шляхом прикріплення A/T-багатих каркасно-асоційованих областей (SARS) до білкового каркасу.
• Під час мітозу петлі стають більш щільними, а хромосоми конденсуються і стають видимими.

Компонент ДНК

• ДНК складається з двох ланцюгів нуклеотидів, які повторюються. Кожен нуклеотид складається з трьох компонентів. Ці елементи включають:
• Фосфатна група
• 2-дезоксирибозний цукор
• Азотовмісна основа
  • цитозин
  • аденін
  • Гуанін
  • тимін

  рибоза

  • Пентоза цукор рибоза є одним з основних компонентів ДНК.
  • Обидва види нуклеїнових кислот, ДНК і РНК, складаються з цукрової пентози. ДНК складається з дезоксирибози та 2′-дезокси D-рибози, тоді як РНК складається лише з рибози або D-рибози.
  • Обидві форми рибози, знайдені в нуклеїновій кислоті, містять пентозу з п’ятьма атомами вуглецю та бета-фуранозу (циклічно).
  • Структура бета-фуранози показана на схемі нижче.

  РНК містить урацил замість тиміну, однак цього недостатньо, щоб відрізнити її від ДНК. Навіть якщо деяка кількість урацилу присутня в ДНК, 2′-дезокси D-рибоза перетворює його в ДНК. Подібним чином, навіть якщо тимін присутній в РНК, D-рибоза перетворює його в РНК. Різниця в пентозному цукрі визначає ідентичність кожної нуклеїнової кислоти, а не основ.

  фосфорнокислий

  • Основа нуклеїнової кислоти (ДНК) складається з фосфату, і його зазвичай називають трифосфатом, оскільки він складається з трьох молекул фосфату.
  • Монофосфат, дифосфат і трифосфат містять одну, дві і три фосфатні одиниці. ДНК називають дезоксирибонуклеотидтрифосфатом, оскільки вона містить три фосфати.
  • Якщо присутній один фосфат, сполука відома як дезоксирибонуклеотидмонофосфат; якщо присутні два фосфати, сполука відома як дезоксирибонуклеотиддифосфат.

  Азотисті основи

  • ДНК містить чотири різні азотисті основи: аденін, тимін, цитозин і гуанін. У РНК замість тиміну присутній урацил.
  • Існує дві великі категорії азотистих основ: пурини та піримідини.
  • Аденін і гуанін є пуринами, а цитозин, тимін і урацил – піримідинами.
  • Пурини та піримідини є гетероциклічними ароматичними хімічними речовинами. Обидва нерозчинні у воді при нейтральному рН, але їх розчинність зростає зі зниженням рН. Природа пуринів і піримідинів гідрофобна.
  • Тимін був спочатку відновлений з тканин тимуса, звідки і його назва, а гуанін був витягнутий з пташиного гуано.
  • піримідини складаються з шестичленного вуглець-азотного кільця з двома атомами азоту, тоді як пурини складаються з шести- і п’ятичленного азотвмісного вуглець-азотного кільця з чотирма атомами азоту.

  компоненти ДНК | Джерело: https://www.drawittoknowit.com/course/biochemistry/glossary/cellular-anatomy-physiology/dna-structure-base-pairing

  Номенклатура

  • Тимін: 2,4-діокси-5-метилпіримідин
  • Урацил: 2,4-діоксипіримідин
  • Цитозин: 2-окси-4-амінопіримідин

  Крім ксантину і гіпоксантину в природі є також оротова кислота-піримідини, які не містяться ні в ДНК, ні в РНК.

  Нуклеотид

  • До складу нуклеотиду входять цукор-пентоза, азотовмісна основа (азотиста основа) і фосфат.
  • Нуклеотид є структурним компонентом ДНК. Кожен нуклеотид утворює водневий зв’язок з нуклеотидом іншого ланцюга та фосфодіефірний зв’язок із сусідніми нуклеотидами.
  • Утворюючи водневі та фосфодіефірні зв’язки, нуклеотиди надають ДНК спіралеподібної форми. Нуклеотид, у якому відсутній фосфат, називається нуклеозидом (дезоксирибонуклеозидом).
  • У природі також існують метильовані нуклеотиди, які допомагають активувати та деактивувати експресію генів і зберігають генетичну інформацію.

  компонент ДНК | Джерело: https://vivadifferences.com/wp-content/uploads/2019/09/nucleoside-and-nucleotide.png

  Зв’язки в ДНК

  • Між азотистими основами двох ланцюгів ДНК утворюється водневий зв’язок.
  • Подібно до електронегативних атомів азоту та кисню, утворився слабкий хімічний зв’язок, відомий як водневий зв’язок. Водневий зв’язок – це тимчасове зв’язування, яке відбувається виключно на коротших відстанях і стабілізує ДНК.
  • Деякі хімічні обробки та нагрівання можуть легко спричинити його розкладання.
  • Дві нитки ДНК з’єднані трьома слабкими водневими зв’язками між гуаніном і цитозином і двома слабкими водневими зв’язками між аденіном і тиміном.
  • Відповідно до моделі Уотсона і Кріка, подвійна спіраль ДНК дотримується законів заряджання. Кількість G і A в ДНК еквівалентна кількості C і T.
  • Основними компонентами полімеразної ланцюгової реакції є водневі зв’язки. Із зростанням числа водневих зв’язків зростає і температура денатурації.
  • Крім того, час денатурації збільшується зі збільшенням загальної концентрації GC. Загалом, 95 °C і 5 хвилин денатурації достатньо, щоб розірвати всі водневі зв’язки між дволанцюговою ДНК.
  • УФ-випромінювання з довжиною хвилі 260 нм поглинається ДНК. ДНК з одним ланцюгом поглинає більше УФ-випромінювання, ніж ДНК з двома ланцюгами.
  • Крім того, слабкі сили Ван-дер-Ваальса, взаємодії баз-накопичувачів і легкий гідрофобний ефект служать для стабілізації ДНК, діючи між основами.

  Фосфодіефірний зв’язок

  • 3′ вуглець одного цукру дезоксирибози утворює фосфодіефірний зв’язок із 5′ вуглецем другого цукру дезоксирибози. Фосфодіефірний зв’язок утворює кістяк ДНК. Після вивільнення пірофосфату утворюється зв’язок.
  • Положення 5′ або 3′ без нуклеотиду вважається «кінцем» ДНК. Кінець ДНК, що містить вільний фосфат, відомий як 5′-кінець, тоді як кінець, що містить вільну гідроксильну групу, відомий як 3′-кінець.
  • На додаток до фосфодіефірного зв’язку та водневого зв’язку, глікозидний зв’язок є істотним зв’язком. Зв’язок між пентозним цукром і основами був глікозидним. Усі зв’язки створюють стабільну, більш електронегативну структуру подвійної спіралі в ДНК.

  Типи ДНК

  1. B-ДНК: типова подвійна спіральна структура дволанцюгової ДНК; див. схему дезоксирибонуклеїнової кислоти.
  2. Z-ДНК: Z-ДНК — це тип ДНК, у якому фосфатні групи утворюють динуклеотидну повторювану одиницю, яка зигзагоподібно рухається вздовж лівої спіралі з однією глибокою борозенкою; більш ймовірно, що це відбувається в ділянках чергування пуринів і піримідинів.
  3. A-ДНК: Початкова ідентифікація була заснована на рентгенівському дослідженні волокон ДНК при відносній вологості 75%.
  4. D-ДНК: Рідкісна різновид із вісьмома парами основ на виток спіралі та без гуаніну в структурі.
  5. Е-ДНК: Розширена або незвичайна ДНК.
  6. Спейсерна ДНК: послідовності нуклеотидів, що виникають між генами; в еукаріотів ці послідовності часто довгі та містять кілька повторюваних послідовностей; зокрема, ДНК, яка знаходиться між генами, що кодують рибосомну РНК.
  7. Комплементарна або копійна ДНК (кДНК): синтетична ДНК, транскрибована зі специфічної РНК за допомогою ферментного процесу зворотної транскриптази.
  8. Ядерна ДНК (нДНК): ДНК хромосом, що знаходяться в ядрі еукаріотичних клітин.
  9. Мітохондріальна ДНК (мтДНК): ДНК мітохондріальної хромосоми, яка успадковується виключно від матері та існує в кількох тисячах копій на клітину. Його код відрізняється від коду ядерної ДНК і будь-якого живого прокаріота, і він еволюціонує в п’ять-десять разів швидше, ніж ядерна ДНК.
  10. Рекомбінантна ДНК: Рекомбінантна ДНК — це молекула ДНК, яка складається зі зв’язаних послідовностей, які зазвичай не зустрічаються в одній молекулі, наприклад, бактеріальна плазміда, у яку вставлено відрізок вірусної ДНК.
  11. Одна копія ДНК (scDNA): Основна частина генних послідовностей, що кодують поліпептиди в еукаріотах, є однокопійною ДНК (scDNA).
  12. Повторювана ДНК: Повторювана ДНК складається з нуклеотидних послідовностей, які зустрічаються кілька разів у геномі; вони характерні для еукаріотів і зазвичай не кодують поліпептиди. Кластерні або дисперговані послідовності можуть бути помірно (від 10 до 104 копій на геном) або екстенсивно (>106 копій на геном) повторюваними. Деякі структурні гени рибосомної РНК і гістонів кодуються помірно повторюваними послідовностями ДНК; більшість часто повторюваних послідовностей є супутниковою ДНК.

  Інші типи ДНК

  Зігнута ДНК

  • Загалом послідовності ДНК, що містять основу аденіну, є жорсткими та прямими.
  • Коли А-тракти замінюються іншими основами або коли спіраль згортається в малу борозенку А-тракту, ДНК має вигнуту форму.
  • Структурний вигин ДНК також пояснюється фотохімічним пошкодженням або неправильним сполученням нуклеотидів.
  • Деякі протипухлинні препарати (наприклад, цисплатин) індукують викривлення структури ДНК. Ця змінена структура може поглинати білки, які шкодять ДНК.

  Триланцюгова ДНК

  • Створення триланцюгової ДНК може бути результатом додаткових водневих зв’язків між нуклеотидами.
  • Таким чином, тимін може утворювати два водневі зв’язки Хугстіна з аденіном у парі АТ для генерації ТАТ.
  • Подібним чином протонований цитозин може встановлювати два водневі зв’язки з гуаніном пар G–C, що призводить до утворення C–G–C.
  • Потрійна спіраль менш стабільна, ніж подвійна. Це пояснюється тим, що три негативно заряджені нитки магістралі потрійної спіралі призводять до більшого електростатичного відштовхування.

  Чотириланцюгова ДНК

  • Надзвичайно багаті на гуанін полінуклеотиди можуть створити унікальну тетрамерну структуру, відому як G-квартети.
  • Водневі зв’язки Хугстіна утримують ці плоскі структури разом.
  • Також знайдено G-тетраплекси — антипаралельні чотириланцюгові структури ДНК.
  • Теломери на кінцях еукаріотичних хромосом, які багаті гуаніном, створюють G-тетраплекси.
  • В останні роки хіміотерапія проти раку зосереджена на теломерах.
  • G-тетраплекси пов’язують з рекомбінацією генів імуноглобулінів і димеризацією дволанцюгової геномної РНК (ВІЛ) вірусу імунодефіциту людини.

  Що таке Великі та Додаткові борозенки ДНК?

  • Завдяки структурі подвійної спіралі ДНК молекула має дві асиметричні борозенки. Одна борозенка менша за іншу.
  • Ця асиметрія спричинена геометричною структурою зв’язків між фосфатною, цукровою та основною групами, яка змушує основні групи зв’язуватися під кутом 120 градусів на відміну від кутів 180 градусів.
  • Більш широка борозенка, відома як велика борозенка, виникає, коли хребти широко розділені, тоді як менша борозенка, відома як мала борозенка, виникає, коли хребти розташовані близько одна до одної.
  • Завдяки тому факту, що велика та мала борозенки показують межі основ, їх можна використовувати для визначення послідовності основ конкретної молекули ДНК.
  • Білки повинні бути здатними розпізнавати певні послідовності ДНК, з якими вони можуть зв’язуватися, щоб організм і клітина могли виконувати свої відповідні обов’язки.

  ДНК — це експеримент подвійної спіралі — модель ДНК Уотсона та Крика

  У 1953 році Джеймс Уотсон і Френсіс Крік постулювали структуру подвійної спіралі ДНК (Нобелівська премія, 1962). З’ясування структури ДНК вважається переломним моментом в історії сучасної біології. Структура подвійної спіралі ДНК нагадує зігнуту драбину. Відмінні характеристики моделі ДНК Вотсона-Кріка (тепер відомої як B-ДНК) наведені нижче.

  1. ДНК являє собою подвійну праву спіраль. Він складається з двох полідезоксирибонуклеотидних ланцюгів (ланцюгів), які скручуються навколо спільної осі.
  2. Дві нитки є антипаралельними, тобто одна нитка проходить від 5c до 3c, а інша від 3c до 5c. Це аналогічно двом сусіднім паралельним вулицям, по яких рух транспорту відбувається в протилежних напрямках.
  3. 20 A° — це ширина (або діаметр) подвійної спіралі (2 нм).
  4. Кожен виток (крок) спіралі становить 34 A° (3.4 нм), а 10 пар нуклеотидів розташовані на відстані приблизно 3.4 A° один від одного.
  5. Кожен ланцюг ДНК має гідрофільну дезоксирибофосфатну основу (3c-5c фосфодіефірні зв’язки) на зовнішній (периферійній) частині молекули, тоді як гідрофобні основи розташовані всередині (ядро).
  6. Завдяки спаровуванню основ два полінуклеотидні ланцюги не ідентичні, а комплементарні.
  7. Два ланцюги з’єднані між собою комплементарними парами основ, які створюють водневі зв’язки. Пара AT має два водневі зв’язки, тоді як пара GC має три. GC приблизно на 50% міцніший, ніж A = T.
  8. Єдині дві молекули, які створюють водневі зв’язки, це пурин і піримідин. Якщо два пурини стоять один проти одного, вони не можуть займати відведений простір. І було б неможливо для двох піримідинів встановити водневі зв’язки. AT, TA, GC і CG є єдиним можливим розташуванням основ у структурі ДНК на основі просторових міркувань.
  9. Правило Чаргаффа демонструється комплементарним спаровуванням основ у спіралі ДНК. Аденін містить таку ж кількість тиміну, як і тимін, а гуанін містить таку ж кількість цитозину, як і цитозин.
  10. Генетична інформація розташована або на шаблонній нитці, або на сенсорній нитці. Антисенсовий ланцюг є протилежним ланцюгом. Уздовж фосфодіефірного остову подвійна спіраль має (широкі) основні канавки та (вузькі) малі канавки. У цих борозенках білки взаємодіють з ДНК, не розриваючи пари основ або подвійну спіраль.

  ДНК – це подвійна спіраль, яка зберігає генетичну інформацію – експерименти

  • Фрідріх Мішер спочатку виділив і описав ДНК у 1868 році. Він назвав матеріал, що містить фосфор, нуклеїном.
  • Роботи Освальда Т. Ейвері, Коліна Маклеода та Макліна Маккарті в 1940-х роках дали перший переконливий доказ того, що генетичним матеріалом є ДНК.
  • Ейвері та його колеги виявили, що введення ДНК вірулентного штаму Streptococcus pneumoniae у невірулентний штам тієї ж бактерії перетворює невірулентний штам у вірулентний.
  • Вони визначили, що ДНК вірулентного штаму містить генетичну інформацію вірулентності.
  • Потім, у 19b2, тести, проведені Альфредом Д. Херші та Мартою Чейз щодо вторгнення бактеріальних клітин вірусом (бактеріофагом), що містить радіоактивно мічену ДНК або білок, усунули будь-які сумніви щодо того, що ДНК, а не білок, містить генетичну інформацію.

  Що таке правило Чаргаффа?

  1. Загалом, базовий склад ДНК відрізняється між видами.
  2. Базовий склад ДНК, виділеної з різних органів однієї тварини, ідентичний.
  3. Базовий склад ДНК певного виду не змінюється з віком, статусом харчування чи зміною середовища.
  4. У всіх клітинних ДНК, незалежно від виду, кількість залишків аденозину дорівнює кількості залишків тимідину (тобто A:T), а кількість залишків гуанозину дорівнює кількості залишків цитидину (G:C). Отже, сума пуринових залишків дорівнює сумі піримідинових залишків, або A + T = G + C.

  Ці кількісні зв’язки, іноді відомі як «закони Чаргаффа», були підтверджені великою кількістю пізніших досліджень. Вони мали вирішальне значення у визначенні тривимірної структури ДНК і дали зрозуміти, як генетична інформація кодується в ДНК і передається від покоління до покоління.

  Як записати послідовність ДНК?

  Зображення вище демонструє, що зображена молекула ДНК є полідезоксирибонуклеотидом, позначеним як pT-GCT-AOH.

  Тепер давайте оцінимо його продуктивність.

  Кожна дезоксирибоза представлена ​​вертикальною лінією. Вуглець C1 з однією основою знаходиться у верхній частині рядка, тоді як вуглець C5 знаходиться внизу. P є символом для фосфату, тоді як кожна азотиста основа представлена ​​власним символом (наприклад, A, T, C і G).

  Лінія перетинає фосфат у місці з’єднання 5′-кінця одного цукру та 3′-кінця іншого цукру. Виходячи з наведеного вище опису, молекулу ДНК можна записати як 5′-pT-GCT-AOH або pTpGpCpTpAOH.

  В одноланцюговій ДНК лівий кінець завжди дорівнює 5′, а правий – 3′; отже, це записується як 5′ до 3′.

  Якщо ДНК має шість нуклеотидів, її називають гексадезоксирибонуклеотидом тощо. Однак зазвичай олігонуклеотиди складаються з до 50 нуклеотидів, тоді як полінуклеотиди мають понад 50 нуклеотидів.

  Перш ніж ми зможемо зрозуміти структуру ДНК, ми повинні спочатку зрозуміти фактичну модель структури ДНК, представлену Уотсоном і Кріком, і для цього ми повинні зібрати докази ДНК.

  Реплікація ДНК

  1. Розкручування ланцюгів ДНК: Дволанцюгова молекула ДНК повинна спочатку відокремитись або розкрутитися, щоб відкрити матричні ланцюги для реплікації. ДНК-гіраза, топоізомераза класу II, допомагає розкручувати ДНК перед реплікаційною вилкою. Геліказа відповідає за подальше розкручування ДНК у вилці реплікації.
  2. Стабілізація розкрученої ДНК: Одноланцюгові зв’язувальні білки (SSB) зв’язуються з одноланцюговими ділянками ДНК, відкритими геліказою, запобігаючи повторному відпалу та підтримуючи ланцюги ДНК у розкрученому стані.
  3. Занурення: Primase, РНК-полімераза, синтезує короткий праймер РНК, комплементарний матриці ДНК. Цей праймер забезпечує вихідну точку для синтезу ДНК.
  4. Синтез ДНК: ДНК-полімераза бере на себе роботу після закладення праймера РНК. ДНК-полімераза додає нуклеотиди, комплементарні до відкритих ланцюгів матриці, подовжуючи зростаючий ланцюг ДНК у напрямку від 5′ до 3′. Синтез відбувається на обох ланцюгах розмотаної ДНК.
  5. Передні і відстаючі пасма: Синтез ДНК, який безперервно відбувається в тому ж напрямку, що й вилка реплікації, називається провідним ланцюгом. Протилежний ланцюг, який вимагає синтезу короткими фрагментами, відомий як відстаючий ланцюг. Ці короткі фрагменти називаються фрагментами Оказакі.
  6. Заміна праймера та з’єднання фрагментів Оказакі: Праймери РНК пізніше замінюються на ДНК спеціальною ДНК-полімеразою. Після видалення праймерів РНК ДНК-лігаза приєднується до сусідніх фрагментів Оказакі на відстаючому ланцюзі, створюючи безперервний ланцюг ДНК.
  7. Двонаправлена ​​реплікація: Реплікація ДНК відбувається в обох напрямках від початку реплікації, утворюючи дві вилки реплікації, які йдуть у протилежних напрямках. Цей процес нагадує міхур, що розширюється, при цьому синтез ДНК відбувається одночасно на обох ланцюгах.
  8. Коректура та виправлення помилок: ДНК-полімераза має коректурну активність, що дозволяє їй розпізнавати та виправляти будь-які помилки (мутації), які вона робить під час синтезу ДНК, забезпечуючи таким чином високу точність.
  9. Напівконсервативний характер: Реплікація ДНК є напівконсервативною, тобто кожна новосинтезована молекула ДНК складається з одного ланцюга вихідної молекули ДНК (батьківського ланцюга) та одного новосинтезованого ланцюга (дочірнього ланцюга). Це було експериментально продемонстровано Мезельсоном і Шталем з використанням важких (15N) і легких (14N) нуклеотидів, що призвело до отримання ДНК проміжної ваги після одного раунду реплікації та суміші проміжної та легкої ДНК після другого раунду.
  10. Час реплікації: Реплікація ДНК відбувається один раз протягом клітинного циклу, зокрема у фазі S (синтез). У мейозі реплікація відбувається двічі, але все одно лише один раз на вихідну молекулу ДНК.

  Розуміння механізму реплікації ДНК має вирішальне значення для збереження генетичної цілісності та точної передачі генетичної інформації від одного покоління до наступного.

  Функції ДНК

  • Гени та геноми: Щоб задовольнити невеликий доступний об’єм у клітині, геномну ДНК щільно й акуратно упаковують за допомогою процесу, відомого як конденсація ДНК. ДНК здебільшого міститься в ядрі еукаріотичних клітин, менша кількість – у мітохондріях і хлоропластах. У прокаріотів ДНК міститься в нуклеоїді, речовині з неправильною структурою в цитоплазмі. Генетичну інформацію, що міститься в геномі генома, називають генотипом організму. Ген — це одиниця спадковості та сегмент ДНК, який контролює певну ознаку в організмі. Відкрита рамка зчитування та регуляторні послідовності, як промотори та енхансери, які контролюють транскрипцію відкритої рамки зчитування, є компонентами генів.
  • Переклад: мРНК синтезує довгий ланцюг амінокислот у цитоплазмі за допомогою молекул рРНК і тРНК. Білки утворюються шляхом форматування їх первинної, вторинної, третинної та четвертинної структур.
  • розшифровка: У процесі, відомому як транскрипція, матрична РНК створюється з реплікованої ДНК. РНК-полімераза синтезує молекулу мРНК з одноланцюгової ДНК і зберігає всю інформацію, необхідну для експресії гена. Коли мРНК утворюється, вона залишає ядро, щоб пройти процес трансляції.
  • Реплікація: Реплікація – це процес, за допомогою якого молекули ДНК дублюються ферментними процесами. Геліказа розкручує дволанцюгову ДНК, праймаза поміщає праймер РНК на провідний ланцюг, а полімераза синтезує нову ДНК.
  • Позаклітинні нуклеїнові кислоти: Гола позаклітинна ДНК (еДНК) практично всюдисуща в навколишньому середовищі; більша його частина вивільняється після смерті клітини. Його концентрація у природних водних середовищах може досягати 88 г/л, а концентрація в ґрунті може досягати 2 г/л. eDNA може брати участь у горизонтальному перенесенні генів, може пропонувати поживні речовини та може працювати як буфер для залучення або титрування іонів або антибіотиків. У біоплівках ряду видів бактерій позаклітинна ДНК функціонує як компонент позаклітинного матриксу. Він може функціонувати як фактор розпізнавання для керування прикріпленням і розсіюванням конкретних типів клітин у біоплівці, сприяти розвитку біоплівки та сприяти її фізичній міцності та стійкості до біологічного стресу.
  • Позаклітинні пастки нейтрофілів: Позаклітинні пастки нейтрофілів (NET) — це мережі позаклітинних волокон, що складаються здебільшого з ДНК, які дозволяють нейтрофілам, різновиду білих кров’яних тілець, знищувати позаклітинні патогени, одночасно обмежуючи пошкодження клітин господаря.

  Використання ДНК в різних сферах

  Генна інженерія

  • Як приклад, екстракцію фенолом і хлороформом можна використовувати для виділення ДНК з організмів, а рестрикційні розщеплення та полімеразну ланцюгову реакцію можна використовувати для її зміни в лабораторії.
  • Ці методи в технології рекомбінантної ДНК широко використовуються в сучасній біології та біохімії.
  • Рекомбінантна ДНК — це послідовність ДНК, яка була синтезована шляхом поєднання різних послідовностей ДНК. Використовуючи вірусний вектор, плазміди або відповідний формат можна перетворити на організми.
  • Вироблені генетично модифіковані організми можна використовувати для створення рекомбінантних білків, у медичних дослідженнях або для сільськогосподарських цілей.

  Профілювання ДНК

  • Використовуючи ДНК у крові, спермі, шкірі, слині чи волоссі, зібраних на місці злочину, криміналісти можуть ідентифікувати винуватця за допомогою відповідної ДНК.
  • Ця процедура правильно відома як зняття відбитків пальців ДНК або профілювання ДНК.
  • У профілюванні ДНК довжини варіабельних ділянок повторюваної ДНК, таких як мінісателіти та короткі тандемні повтори, порівнюються між окремими особами.
  • Як правило, ця методологія є досить надійною для ідентифікації збігів ДНК.

  ДНК-ферменти або каталітична ДНК

  • Дезоксирибозими, широко відомі як ДНК-зими або каталітична ДНК, були вперше ідентифіковані в 1994 році.
  • Це переважно одноланцюгові послідовності ДНК, виділені з величезного пулу випадкових послідовностей ДНК шляхом відбору in vitro або систематичної еволюції лігандів шляхом експоненціального збагачення (SELEX).
  • ДНК-зими каталізують кілька хімічних реакцій, таких як розщеплення РНК-ДНК, лігування РНК-ДНК, фосфорилювання-дефосфорилювання амінокислот, створення вуглець-вуглецевих зв’язків тощо.
  • DNAzymes можуть збільшити каталітичну швидкість хімічних реакцій до 100,000,000,000 XNUMX XNUMX XNUMX разів порівняно з некаталізованими реакціями.

  біоінформатика

  • Біоінформатика — це розробка методів зберігання, пошуку, пошуку та маніпулювання біологічними даними, такими як дані послідовності нуклеїнових кислот ДНК.
  • Зокрема, алгоритми пошуку рядків, машинне навчання та теорія баз даних призвели до широкого прогресу в інформатиці.
  • Для пошуку певних послідовностей нуклеотидів були розроблені алгоритми пошуку або зіставлення рядків, які виявляють послідовність літер у більшій послідовності літер.
  • Послідовність ДНК можна зіставити з іншими послідовностями ДНК, щоб виявити гомологічні послідовності та знайти мутації, які їх відрізняють.
  • Дослідження еволюційних зв’язків і функції білка використовує ці підходи, зокрема вирівнювання множинних послідовностей.

  ДНК нанотехнології

  • ДНК-нанотехнологія використовує відмінні властивості молекулярного розпізнавання ДНК та інших нуклеїнових кислот для отримання самозбірних розгалужених ДНК-комплексів із перевагами.
  • Таким чином, ДНК використовується як будівельний матеріал, а не як носій біологічної інформації.
  • Це призвело до виготовлення двовимірних періодичних решіток (як на основі плиток, так і з використанням підходу орігамі ДНК) і тривимірних багатогранних структур.
  • Крім того, було продемонстровано наномеханічні пристрої та алгоритмічну самозбірку, і ці структури ДНК використовували як шаблон для розташування інших молекул, включаючи наночастинки золота та білки стрептавідин.

  Історія та антропологія

  • Оскільки ДНК з часом накопичує мутації, які потім успадковуються, вона несе історичну інформацію, і генетики можуть зробити висновок про еволюційну історію видів, їх філогенез, шляхом порівняння послідовностей ДНК.
  • В еволюційній біології філогенетика є потужним інструментом.
  • Порівнюючи послідовності ДНК всередині виду, популяційні генетики можуть визначити історію конкретних популяцій. Це може бути використано в антропології та екологічних генетичних дослідженнях.

  Зберігання інформації

  • ДНК має величезний потенціал як носій даних, оскільки вона має набагато вищу щільність зберігання, ніж електронні пристрої.
  • Однак висока вартість, повільний час читання та запису (затримка пам’яті) і недостатня надійність перешкоджають його практичному застосуванню.

  Різні типи ДНК залежно від їх топології

  Кільцева ДНК, лінійна ДНК і суперскручена ДНК є трьома видами ДНК, які зустрічаються в природі, залежно від їх топології.

  Циркулярна ДНК

  • Обидва кінці дволанцюгової ДНК з’єднані, утворюючи замкнутий цикл кільцевої ДНК.
  • Кільцева ДНК позбавлена ​​суперскручування (без будь-яких скручувань і записів).
  • У прокаріотів кільцева ДНК зазвичай присутня у вигляді плазміди.
  • Крім того, деякі еукаріотичні органели, включаючи мітохондрії та хлоропласти, містять кільцеву ДНК.
  • Коли вірус потрапляє в ядро ​​клітини-хазяїна, він трансформується в ковалентно замкнуту кільцеву ДНК, унікальну форму кільцевої ДНК (cccDNA).

  Різні типи ДНК залежно від їх розташування

  Залежно від того, де розташована ДНК, усі організми включають дві основні форми ДНК: ядерну ДНК і цитоплазматичну ДНК.

  Ядерна ДНК

  • У всіх еукаріотів основна маса ДНК знаходиться в ядрі клітини. ДНК в ядрі містить усі важливі гени. Метафазні хромосоми містять всю ядерну ДНК.
  • Під час поділу клітини вона ділиться і передається потомству.

  Цитоплазматична ДНК

  • ДНК також міститься в цитоплазмі клітини, але тільки в органелах, оточених мембранами.
  • Мітохондрії та хлоропласти несуть власну ДНК, яку скорочено називають мтДНК та цпДНК відповідно.
  • Обидва мають спеціалізований механізм реплікації та експресії генів.
  • Вважається, що мітохондрії та хлоропласти в минулому були вільноживучими прокаріотами.
  • Крім того, цитоплазматична ДНК містить важливі гени; мутації в цих генах призводять до смертельних захворювань.

  Лінійна ДНК

  • Кінці лінійної ДНК не зв’язані. Частина коротких і вільних фрагментів ДНК, знайдених у клітині, є лінійною ДНК.
  • Деякі прокаріоти також мають лінійну ДНК.

  Суперскручена ДНК

  • Коли довгий ланцюг ДНК закручується навколо себе, утворюється складна форма ДНК, відома як суперскручена ДНК.
  • В еукаріотичних геномах суперскручена форма ДНК є більш поширеною, що дозволяє довгій ДНК поміщатися в клітинному ядрі.
  • Крім того, суперспіралізація допомагає ДНК розташовуватися в хромосомах шляхом взаємодії з певними білками.

  Як ДНК влаштована в клітині?

  ДНК є функціональною молекулою; він повинен бути відтворений, коли клітина готова до поділу та «зчитування» для виробництва молекул, таких як білки, які виконують функції клітини. Через це ДНК упаковується та захищається дуже специфічними способами. Крім того, молекули ДНК можуть бути досить довгими. Молекули ДНК в одній людській клітині досягли б довжини приблизно 2 метри, якщо їх розтягнути впритул. Щоб відповідати та функціонувати в структурі (клітині), яку не видно неозброєним оком, ДНК клітини має бути упаковано високоорганізованим способом. Багато в чому хромосоми прокаріотів набагато простіші, ніж хромосоми еукаріотів. Більшість прокаріотів містять одну кільцеву хромосому, яка розташована в нуклеоїді цитоплазми.

  Еукаріот містить чітко визначене ядро, тоді як у прокаріотів хромосома лежить у цитоплазмі в області, яка називається нуклеоїдом. | Джерело зображення: https://opentextbc.ca/biology/chapter/9-1-the-structure-of-dna/

  Escherichia coli, один із найбільш вивчених прокаріотів, має геном із 4.6 мільйона пар основ, який, якщо його розширити, мав би приблизно 1.6 мм. Тоді як це вписується в бактеріальну клітину? У процесі, відомому як суперскручування, ДНК скручується за межі подвійної спіралі. Відомо, що деякі білки відіграють роль у суперскручуванні, тоді як інші білки та ферменти сприяють підтримці суперскрученої структури.

  Еукаріоти, кожна з хромосом яких складається з лінійної молекули ДНК, використовують чітку стратегію упаковки для розміщення своєї ДНК у ядрі. На найфундаментальнішому рівні ДНК згортається навколо білків, які називаються гістонами, утворюючи нуклеосоми. ДНК міцно обгорнута навколо ядра гістону. Ця нуклеосома з’єднана з наступною короткою ланцюгом ДНК, що не містить гістонів. Ця структура також відома як структура «намистин на нитці»; нуклеосоми — це «намистинки», а сегменти ДНК між ними — «нитки». Нуклеосоми, загорнуті в ДНК, утворюють волокно завширшки 30 нм шляхом щільного складання, щоб утворити волокно завширшки 30 нм. Це волокно намотується в більш товсту і компактну структуру. На метафазній стадії мітозу, коли хромосоми вирівнюються посередині клітини, вони мають найбільшу щільність. Вони мають ширину приблизно 700 нм і пов’язані з білками скелета.

  In міжфазна, фаза клітинного циклу між мітозами, під час якої відбувається деконденсація хромосом, еукаріотичні хромосоми мають дві окремі ділянки, які можна розрізнити за допомогою фарбування. Існує щільна, темно забарвлена ​​область і менш щільна область. Ділянки, які забарвлюються в темний колір, зазвичай містять неактивні гени та розташовані в областях центромер і теломер. Слабо забарвлені ділянки зазвичай містять активні гени з ДНК, упакованою навколо нуклеосом, але не ущільненою далі.

  Ці малюнки ілюструють ущільнення еукаріотичної хромосоми. | Джерело зображення: https://opentextbc.ca/biology/chapter/9-1-the-structure-of-dna/

  Ключові терміни та моменти

  • Нуклеотид: Це основний будівельний блок ДНК і складається з основи (аденін, гуанін, тимін або цитозин), цукру та фосфатної групи.
  • Нуклеозид: утворюється, коли основа приєднується до цукру, такого як аденозин, гуанозин, тимідин або цитидин.
  • Цукрово-фосфатна основа: Основа ДНК складається з чергування молекул цукру (дезоксирибози) і фосфату. Фосфодіефірні зв’язки з’єднують 5′-фосфат одного нуклеотиду з 3′-гідроксильною групою наступного нуклеотиду.
  • База: Основи ДНК можуть бути пуринами (аденін і гуанін) або піримідинами (тимін і цитозин). Пурини – це більші основи з двома кільцями, тоді як піримідини менші з одним кільцем.
  • урацил: У РНК тимін замінений урацилом як однією з основ.
  • Кислотність ДНК: Фосфатна група в нуклеотиді надає ДНК кислу природу.
  • Подвійна спіраль: ДНК існує як дволанцюгова молекула зі спіральною структурою. Це відоме як модель Уотсона-Кріка структури ДНК.
  • Антипаралельний: два ланцюги ДНК рухаються в протилежних напрямках. Одне пасмо проходить від 5′ до 3′, а інше – від 3′ до 5′.
  • гвинтова лінія: Дволанцюгова ДНК згорнута у форму спіралі.
  • Специфіка парування основ: Аденін (A) утворює два водневі зв’язки з тиміном (T), тоді як гуанін (G) утворює три водневі зв’язки з цитозином (C). A завжди поєднується з T, а G завжди поєднується з C.
  • Вміст GC: Молекули ДНК з високим вмістом гуанін-цитозину (GC) мають більшу кількість водневих зв’язків і є більш стабільними та їх важче денатурувати.
  • Додаткові нитки: Два ланцюги ДНК є комплементарними один одному, з парними основами між AT і GC.
  • Денатурація: Це роз’єднання двох комплементарних ланцюгів ДНК, яке часто викликається високою температурою.
  • Повторний відпал/гібридизація/відпал: Це стосується процесу повторного з’єднання комплементарних ниток ДНК. Повторний відпал відбувається після денатурації, тоді як гібридизація або відпал — це процес з’єднання комплементарних ниток. Це використовується в таких методах, як ПЛР (полімеразна ланцюгова реакція), Саузерн-блотінг і лігування плазмід.

  FAQ

  Як з’єднуються ланцюги ДНК?

  Аденін і тимін з’єднані двома водневими зв’язками, а цитозин і гуанін – трьома водневими зв’язками. Молекула ДНК є стабільною завдяки упорядкуванню основ і гідрофобній взаємодії між основами.

  Що таке комплементарне з’єднання основ?

  Щоб допомогти основам у кожній парі основ поміститися в подвійну спіраль, два ланцюги ДНК подвійної спіралі рухаються в протилежних напрямках (антипаралельно один одному). Це вказує на те, що нуклеотиди в кожному ланцюзі ДНК повністю комплементарні нуклеотидам в іншому ланцюзі.
  Комплементарне поєднання основ A з T і G з C оптимізує рівні енергії дволанцюгової ДНК. У цій конфігурації подвійної спіралі ширина кожної пари основ залишається постійною, що означає, що відстань між цукрово-фосфатними магістралями зберігається по всій довжині молекули ДНК. Повороти в двох цукрово-фосфатних магістралях подвійної спіралі відбуваються кожні десять пар основ, що максимізує ефективність упаковки.
  Два полінуклеотидні ланцюги подвійної спіралі ДНК забезпечують пряму основу для копіювання інформації молекули. Після поділу кожна з двох ланцюгів служить шаблоном для точного або ідентичного дублювання молекули ДНК.

  Хто відкрив структуру ДНК?

  Структуру ДНК відкрили Джеймс Вотсон і Френсіс Крік разом із значним внеском Розалінд Франклін і Моріса Вілкінса. У 1953 році Уотсон і Крік запропонували подвійну спіральну структуру ДНК, яка зараз широко прийнята. Їхнє відкриття ґрунтувалося на рентгенівських кристалографічних зображеннях ДНК, зроблених Франкліном і Вілкінсом, які дали вирішальне розуміння її структури. Модель Вотсона і Кріка пояснила, як два ланцюги ДНК з’єднані парами основ (A з T і C з G) і утримуються водневими зв’язками. Це новаторське відкриття революціонізувало наше розуміння генетики та заклало основу сучасної молекулярної біології.

  Що таке ДНК?

  ДНК означає дезоксирибонуклеїнову кислоту. Це молекула, яка міститься в клітинах і містить генетичні інструкції для розвитку, функціонування та розмноження всіх живих організмів.

  Яка структура ДНК?

  ДНК має структуру подвійної спіралі, що нагадує кручену драбину. Він складається з двох ланцюгів, що складаються з нуклеотидів, які є хімічними будівельними блоками. Нуклеотиди складаються з молекули цукру, фосфатної групи та однієї з чотирьох азотистих основ: аденіну (A), тиміну (T), цитозину (C) і гуаніну (G).

  Яку функцію виконує ДНК?

  Основною функцією ДНК є зберігання та передача генетичної інформації. Він служить схемою для синтезу білків, необхідних для структури та функціонування клітин і організмів.

  Де знаходиться ДНК?

  ДНК міститься в ядрі еукаріотичних клітин, до яких належать рослини, тварини, гриби та протисти. Він також міститься в цитоплазмі прокаріотичних клітин, таких як бактерії.

  Як відбувається реплікація ДНК?

  Реплікація ДНК – це процес, за допомогою якого ДНК створює свою ідентичну копію. Це відбувається під час поділу клітини та передбачає розділення ланцюгів ДНК з подальшим синтезом двох нових комплементарних ланцюгів з використанням існуючих ланцюгів як матриць.

  Яка роль ДНК у спадковості?

  ДНК містить генетичну інформацію, яка передається від батьків нащадкам під час розмноження. Він містить гени, які є специфічними сегментами ДНК, які кодують певні риси чи характеристики.

  Чи можна модифікувати або змінити ДНК?

  Так, ДНК можна модифікувати або змінювати через такі процеси, як мутації. Мутації — це зміни в послідовності ДНК, які можуть відбуватися спонтанно або через чинники зовнішнього середовища. Вони можуть мати різний вплив на організм, від відсутності помітних змін до значного впливу на риси чи здоров’я.

  Як ДНК використовується в криміналістиці?

  Профілювання ДНК, також відоме як ДНК-відбитки пальців, використовується в криміналістиці для ідентифікації осіб і встановлення біологічних зв’язків. Зразки ДНК, зібрані на місці злочину або з інших джерел, можна порівняти з відомими зразками ДНК, щоб визначити збіги чи виключення.

  Що таке проект геному людини?

  Проект «Геном людини» був міжнародним науково-дослідним проектом, який мав на меті картографувати та секвенувати весь геном людини. Він був завершений у 2003 році та надав схему генетичної інформації, закодованої в ДНК людини, що призвело до прогресу в медицині, генетиці та біотехнології.

  Як ДНК використовується в генній інженерії?

  Генна інженерія включає в себе маніпуляції з ДНК організмів для впровадження або зміни певних ознак. ДНК можна витягнути, модифікувати та повторно вставити в організм, щоб змінити його характеристики або створити нові ознаки. Ця технологія має застосування в таких галузях, як сільське господарство, медицина та біотехнології.

  посилання

  • Альбертс Б, Джонсон А, Льюїс Дж та ін. Молекулярна біологія клітини. 4-е видання. Нью-Йорк: Garland Science; 2002. Структура та функція ДНК. Доступний з: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26821/
  • https://profiles.nlm.nih.gov/spotlight/sc/feature/doublehelix
  • https://www.mun.ca/biology/scarr/Watson-Crick_Model.html
  • https://www.nature.com/scitable/topicpage/discovery-of-dna-structure-and-function-watson-397/
  • https://www.khanacademy.org/test-prep/mcat/biomolecules/dna/a/dna-structure-and-function
  • https://www.khanacademy.org/science/ap-biology/gene-expression-and-regulation/replication/a/hs-dna-structure-and-replication-review
  • https://www.medicalnewstoday.com/articles/319818
  • https://www.clinicalkey.com/#!/content/book/3-s2.0-B9781437706963000029
  • https://www.osmosis.org/learn/DNA_structure
  • https://febs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/febs.13307
  • https://ib.bioninja.com.au/standard-level/topic-2-molecular-biology/26-structure-of-dna-and-rna/dna-structure.html
  • https://biologydictionary.net/dna-structure/
  • https://www.ufrgs.br/imunovet/molecular_immunology/DNAstructureanalysis.html
  • https://www.ndsu.edu/pubweb/~mcclean/plsc731/dna/dna4.htm
  • https://www.news-medical.net/life-sciences/Structure-of-DNA.aspx
  • https://www.compoundchem.com/2015/03/24/dna/
  • https://www.genome.gov/genetics-glossary/Deoxyribonucleic-Acid#:~:text=DNA%20is%20made%20of%20two,)%20or%20thymine%20(T).
  • https://microbenotes.com/dna-structure-properties-types-and-functions/
  • https://www.umass.edu/molvis/tutorials/dna/
  • https://medlineplus.gov/genetics/understanding/basics/dna/
  • https://www.visiblebody.com/learn/biology/dna-chromosomes/dna-structure
  • https://en.wikipedia.org/wiki/DNA
  • https://www.chemguide.co.uk/organicprops/aminoacids/dna1.html
  • https://www.livescience.com/37247-dna.html