مولکول DNA قرار دارد. DNA و ژن ها نگاهی جدید به DNA

مبانی بیوشیمیایی وراثت

نقش ژنتیکی اسیدهای نوکلئیک

اسیدهای نوکلئیک پلیمرهای بیولوژیکی هستند که در همه سلول ها از ابتدایی تا پیچیده یافت می شوند. آنها اولین بار توسط Johann Friedrich Miescher در سال 1868 در سلول های غنی از مواد هسته ای (لکوسیت ها، اسپرم ماهی قزل آلا) کشف شدند. اصطلاح "اسیدهای نوکلئیک" در سال 1889 پیشنهاد شد.

دو نوع اسید نوکلئیک وجود دارد: DNA، RNA (ATP - mononucleotide). DNA و RNA مولکول - ماتریس هستند. DNA در حدود 6 * 10-12 گرم در سلول های سوماتیک وجود دارد: در هسته، میتوکندری. RNA بخشی از ریبوزوم ها است و در هسته و سیتوپلاسم یافت می شود.

مطالعه و اثبات نقش اصلی اسیدهای نوکلئیک در انتقال اطلاعات ارثی بر روی ذرات ویروسی انجام شد. ویروس موزاییک تنباکو برای تنباکو و چنار خطرناک است. ذرات ویروسی از 95 درصد پروتئین و 5 درصد اسید نوکلئیک تشکیل شده است. کپسید پروتئین موجود در ذرات ویروسی مبادله شد، اما پس از مدتی پروتئین هر دو سویه به شکل قبلی خود تبدیل شد.

در باکتریوفاژهایی که E.coli را آلوده می‌کنند، پروتئین‌های پوشش فاژ با S رادیواکتیو و DNA فاژ با P رادیواکتیو نشاندار شدند. در یک سلول باکتریایی آلوده به فاژ، ذرات فاژی تشکیل شد که فقط حاوی P رادیواکتیو بود.

ساختار و عملکرد مولکول های DNA و RNA.

اسیدهای نوکلئیک بیوپلیمرهایی با ساختار نامنظم هستند که مونومرهای آنها نوکلئوتید هستند. نوکلئوتید از بقایای سه ماده تشکیل شده است: اسید فسفریک، کربوهیدرات - پنتوز، پایه نیتروژنی. نوکلئوتیدهای DNA حاوی کربوهیدرات دئوکسی ریبوز و RNA حاوی ریبوز است. بقایای بازهای نیتروژنی پورین و پیریمیدین که DNA را می سازند عبارتند از آدنین، گوانین، سیتوزین، تیمین. مولکول های RNA حاوی آدنین، گوانین، سیتوزین و اوراسیل هستند.

نوکلئوتیدها از طریق بقایای اسید فسفریک یک نوکلئوتید و کربوهیدرات نوکلئوتید دیگر توسط یک پیوند استری کووالانسی قوی که "پل اکسیژن" نامیده می شود به یکدیگر متصل می شوند. پیوند از طریق پنجمین اتم کربن کربوهیدرات یک نوکلئوتید به سومین اتم کربن کربوهیدرات یک نوکلئوتید دیگر می رود. توالی نوکلئوتیدی نشان دهنده ساختار اولیه اسیدهای نوکلئیک است. RNA یک زنجیره پلی نوکلئوتیدی منفرد است. ساختار DNA یک زنجیره پلی نوکلئوتیدی دوگانه است که به صورت مارپیچی پیچیده شده است.

ساختار ثانویه DNA زمانی تشکیل می شود که یک رشته DNA دوم ظاهر می شود که بر اساس اصل مکمل بودن نسبت به اولی مرتب شده است. زنجیره دوم مخالف زنجیر اول است (ضد موازی). پایه های نیتروژنی در یک صفحه عمود بر صفحه مولکول قرار دارند - این شبیه یک پلکان مارپیچ است. نرده های این راه پله بقایای اسید فسفریک و کربوهیدرات و پله ها پایه های نیتروژنی هستند.

بازهای نیتروژنی که هر نوکلئوتید را در زنجیره هایی با جهت مخالف تشکیل می دهند، قادر به تشکیل پیوندهای هیدروژنی مکمل با یکدیگر هستند (به دلیل گروه های عاملی موجود در ساختار هر باز نیتروژنی). آدنیل نوکلئوتید مکمل تیمین، گوانیل به سیتوزین و بالعکس است. به خودی خود، این پیوندها شکننده هستند، اما یک مولکول DNA که به طور مکرر در تمام طول آن با چنین پیوندهایی "دوخته شده" نشان دهنده یک ارتباط بسیار قوی است.

مکمل بودن- این مطابقت فضایی-ساختاری و شیمیایی پایه های نیتروژنی با یکدیگر است؛ آنها "مانند یک کلید قفل" با یکدیگر مطابقت دارند.

یک مولکول DNA می تواند حاوی 108 نوکلئوتید یا بیشتر باشد.

ساختار مولکول DNA به عنوان یک مارپیچ دوگانه ضد موازی در سال 1953 توسط زیست شناس آمریکایی جیمز واتسون و فیزیکدان انگلیسی فرانسیس کریک پیشنهاد شد.

مولکول DNA هر موجود زنده روی این سیاره تنها از چهار نوع نوکلئوتید تشکیل شده است که در بازهای نیتروژنی آنها با یکدیگر متفاوت هستند: آدنیل، گوانیل، تیمین و سیتوزین. در آن تطبیق پذیری DNA دنباله آنها متفاوت است و تعداد آنها بی نهایت است.

برای هر گونه از موجودات زنده و برای هر موجودات زنده به طور جداگانه، این توالی فردی و دقیق است خاص .

خصوصیات عجیب و غریبساختار DNA به این صورت است که بخش‌های فعال شیمیایی مولکول - بازهای نیتروژنی، در مرکز مارپیچ غوطه‌ور شده و پیوندهای مکمل را با یکدیگر تشکیل می‌دهند و بقایای دئوکسی‌ریبوز و اسید فسفریک در حاشیه قرار دارند و دسترسی به بازهای نیتروژنی را پوشش می‌دهند. - از نظر شیمیایی غیر فعال هستند. این ساختار می تواند پایداری شیمیایی را برای مدت طولانی حفظ کند. چه چیز دیگری برای ذخیره اطلاعات ارثی مورد نیاز است؟ این ویژگی های ساختار DNA است که توانایی آن را برای رمزگذاری و بازتولید اطلاعات ژنتیکی تعیین می کند.

تخریب ساختار قوی DNA بسیار دشوار است. با این وجود، این به طور منظم در سلول اتفاق می افتد - در طول سنتز RNA و دو برابر شدن مولکول DNA قبل از تقسیم سلولی.

تکثیر، تکثیر DNAبا این واقعیت شروع می شود که یک آنزیم ویژه - DNA پلیمراز - مارپیچ دوگانه را باز می کند و آن را به رشته های جداگانه جدا می کند - یک چنگال تکراری تشکیل می شود. این آنزیم مانند یک قفل روی زیپ عمل می کند. در هر زنجیره تک رشته ای - انتهای چسبنده چنگال تکراری - یک زنجیره جدید از نوکلئوتیدهای آزاد در کاریوپلاسم مطابق اصل مکملیت سنتز می شود. در دو مولکول DNA جدید، یک رشته به عنوان رشته مادر اصلی و رشته دوم به عنوان رشته جدید دختر باقی می ماند. در نتیجه، به جای یک مولکول DNA، دو مولکول با همان ترکیب نوکلئوتیدی اصلی ظاهر می شوند.

در سیستم های زنده ما با نوع جدیدی از واکنش های ناشناخته در طبیعت بی جان مواجه می شویم. آنها نامیده می شوند واکنش های سنتز ماتریس . سنتز ماتریس مانند ریخته‌گری روی یک ماتریس است: مولکول‌های جدید دقیقاً مطابق با طرحی که در ساختار مولکول‌های موجود تعیین شده است، سنتز می‌شوند. این واکنش ها توالی دقیق واحدهای مونومر را در پلیمرهای سنتز شده تضمین می کند. مونومرها به مکان خاصی روی مولکول ها می رسند که به عنوان یک ماتریس عمل می کنند که در آن واکنش انجام می شود. اگر چنین واکنش هایی در نتیجه برخورد تصادفی مولکول ها رخ می داد، بی نهایت آهسته پیش می رفت. سنتز مولکول های پیچیده بر اساس اصل الگو به سرعت و با دقت با کمک آنزیم ها انجام می شود. سنتز الگو زیربنای مهم ترین واکنش ها در سنتز اسیدهای نوکلئیک و پروتئین ها است. نقش ماتریکس در سلول توسط مولکول های اسیدهای نوکلئیک DNA یا RNA ایفا می شود. مولکول های مونومر که پلیمر از آنها سنتز می شود - نوکلئوتیدها یا اسیدهای آمینه - مطابق با اصل مکمل بودن، به ترتیب کاملاً مشخص روی ماتریس قرار گرفته و ثابت می شوند. سپس واحدهای مونومر به یک زنجیره پلیمری متصل می شوند و پلیمر نهایی از ماتریس خارج می شود. پس از این، ماتریس برای مونتاژ یک مولکول جدید و دقیقاً مشابه پلیمر آماده است.

واکنش های ماتریکسی یک ویژگی خاص یک سلول زنده است. آنها اساس ویژگی اساسی همه موجودات زنده هستند - توانایی بازتولید نوع خود.

عملکرد اسیدهای نوکلئیک- ذخیره و انتقال اطلاعات ارثی مولکول های DNA اطلاعات مربوط به ساختار اولیه پروتئین را رمزگذاری می کنند. سنتز مولکول های mRNA روی ماتریکس DNA انجام می شود. به این فرآیند «رونویسی» می گویند. I-RNA در فرآیند "ترجمه" اطلاعات را به شکل دنباله ای از اسیدهای آمینه در یک مولکول پروتئین پیاده سازی می کند.

DNA هر سلول نه تنها در مورد پروتئین‌های ساختاری که شکل سلول را تعیین می‌کنند، بلکه در مورد تمام پروتئین‌های آنزیمی، پروتئین‌های هورمونی و سایر پروتئین‌ها و همچنین ساختار همه انواع RNA اطلاعاتی را حمل می‌کند.

شاید اسیدهای نوکلئیک انواع مختلفی از حافظه بیولوژیکی - ایمونولوژیک، عصبی و غیره را فراهم کنند و همچنین نقش مهمی در تنظیم فرآیندهای بیوسنتزی ایفا کنند.

اطلاعات مربوطه.

اولین اثبات نقش DNA به عنوان حامل اطلاعات ارثی در موجودات، توجه زیادی را به مطالعه اسیدهای نوکلئیک جلب کرد. در سال 1869، F. Miescher ماده خاصی را از هسته های سلولی جدا کرد که آن را نوکلئین نامید. پس از 20 سال این نام با اصطلاح جایگزین شد اسید نوکلئیک.در سال 1924، R. Felgen روشی را برای شناسایی سیتولوژیک اسیدهای نوکلئیک از طریق رنگ آمیزی خاص آنها ایجاد کرد و نشان داد که DNA در هسته سلول ها و RNA در سیتوپلاسم قرار دارد. در سال 1936 A.N. بلوزرسکی و I.I. Dubrovskaya DNA را به شکل خالص از هسته سلول های گیاهی جدا کرد. در آغاز دهه 1930. اصول اولیه شیمیایی ساختار قندهای اسید نوکلئیک مشخص شد و در سال 1953 یک مدل ساختاری از DNA ایجاد شد.

واحد ساختاری پایه اسیدهای نوکلئیک است نوکلئوتید، که از سه بخش شیمیایی مختلف تشکیل شده است که توسط پیوندهای کووالانسی به هم متصل شده اند (شکل 5.2).

برنج. 5.2. فرمول های ساختاری: آ- نوکلئوتیدها؛ ب- DNA V - RNA (همچنین رجوع کنید به ص 110)

برنج. 5.2. پایان یافتن. فرمول های ساختاری: آ- نوکلئوتیدها؛ 6 - DNA V- RNA

بخش اول شکر حاوی پنج اتم کربن است: دئوکسی ریبوزدر DNA و ریبوزدر RNA

بخش دوم نوکلئوتید، یک پایه نیتروژنی پورین یا پیریمیدین، به طور کووالانسی به اولین اتم کربن قند متصل شده و ساختاری به نام نوکلئوزید DNA حاوی بازهای پورین است - آدنین(الف) و گوانین(D) - و بازهای پیریمیدین - تیمین(T) و سیتوزین(ج). نوکلئوزیدهای مربوطه دئوکسی آدنوزین، دئوکسی گوانوزین، دئوکسی تیمیدین و دئوکسی سیتیدین نامیده می شوند. RNA حاوی همان بازهای پورین DNA، یک باز پیریمیدین است سیتوزینو به جای تیمین حاوی اوراسیل(U)؛ نوکلئوزیدهای مربوطه را آدنوزین، گوانوزین، یوریدین و سیتیدین می نامند.

بخش سوم نوکلئوتید یک گروه فسفات است که نوکلئوزیدهای مجاور را از طریق پیوندهای فسفودی استری بین اتم 5 کربنی یک قند و اتم 3 کربنی قند دیگر به زنجیره پلیمری متصل می کند (شکل 5.2، b. V). نوکلئوتیدهانوکلئوزیدها با یک یا چند گروه فسفات که توسط پیوندهای استری به اتم های 3 یا 5 کربنی قند متصل شده اند، نامیده می شوند. سنتز نوکلئوتیدها مقدم بر سنتز اسیدهای نوکلئیک است؛ بر این اساس، نوکلئوتیدها محصولات هیدرولیز شیمیایی یا آنزیمی اسیدهای نوکلئیک هستند.

اسیدهای نوکلئیک زنجیره های پلیمری بسیار بلندی هستند که از مونونوکلئوتیدها با پیوندهای 5- و 3'-فسفودی استر به هم متصل شده اند. یک مولکول DNA دست نخورده بسته به نوع ارگانیسم، از چند هزار تا میلیون ها نوکلئوتید، یک مولکول RNA دست نخورده - از 100 تا 100 هزار نوکلئوتید یا بیشتر دارد.

نتایج تجزیه و تحلیل E. Chargaff از ترکیب نوکلئوتیدی DNA اشکال گونه های مختلف نشان داد که نسبت مولکولی بازهای نیتروژنی مختلف - آدنین، گوانین، تیمین، سیتوزین - به طور گسترده ای متفاوت است. در نتیجه، ثابت شد که DNA به هیچ وجه یک پلیمر یکنواخت متشکل از تترانوکلئوتیدهای یکسان نیست، همانطور که در دهه 40 فرض می شد. قرن بیستم، و اینکه کاملاً دارای پیچیدگی لازم برای حفظ و انتقال اطلاعات ارثی در قالب یک توالی خاص از پایه های نوکلئوتیدی است.

تحقیقات E. Chargaff همچنین ویژگی ذاتی همه مولکول‌های DNA را نشان داد: محتوای مولی آدنین برابر با محتوای تیمین است و محتوای مولی گوانین برابر با محتوای سیتوزین است. این برابری ها قانون هم ارزی Chargaff نامیده می شوند: [A] = [T], [G] = [C]; تعداد پورین ها برابر است با تعداد پیریمیدین ها. بسته به گونه، فقط نسبت ([A] + [T])/([G] + [C]) تغییر می کند (جدول 5.1).

	ترکیب پایه ها				نگرش		عدم تقارن
					دلایل
							(A + T)/(G + C)
حیوانات
لاک پشت
خرچنگ دریایی
توتیای دریایی
گیاهان، قارچ
جوانه گندم
قارچ آسپرژیلوس نیجر
باکتری ها
اشرشیاکلی
استافیلوکوکوس اورئوس
کلستریدیوم پرفرنجنس
بروسلا آبورتوس
سارسینا لوتئا
باکتریوفاژها
FH 174 (شکل ویروسی)
FH 174 (شکل تکراری)

نسبت پایه ها نامیده می شود ضریب نوکلئوتیدی(گونه ها) اختصاصی.کشف چارگاف یک ویژگی ساختاری مهم DNA را فرموله کرد که بعداً در مدل ساختاری DNA توسط جی. واتسون و اف. کریک (1953) منعکس شد، که در واقع نشان دادند که قوانین چارگاف هیچ محدودیتی بر تعداد احتمالی ترکیبات اعمال نمی کند. توالی پایه های مختلف که قادر به تشکیل مولکول های DNA هستند.

مفهوم اختصاصی بودن نوکلئوتید اساس شاخه جدیدی از زیست شناسی را تشکیل داد - سیستماتیک ژن، که با مقایسه ترکیب و ساختار اسیدهای نوکلئیک برای ساختن یک سیستم طبیعی از موجودات عمل می کند.

طبق مدل واتسون-کریک، یک مولکول DNA از دو زنجیره پلی نوکلئوتیدی (رشته‌ها، رشته‌ها) تشکیل شده است که با استفاده از پیوندهای هیدروژنی عرضی بین بازهای نیتروژنی مطابق با اصل مکمل (آدنین یک زنجیره توسط دو پیوند هیدروژنی به هم متصل می‌شوند) تیمین از زنجیره مخالف و گوانین و سیتوزین از زنجیره های مختلف توسط سه پیوند هیدروژنی به یکدیگر متصل می شوند. در این حالت، دو زنجیره پلی نوکلئوتیدی از یک مولکول ضد موازی هستند، یعنی در مقابل انتهای 3 اینچی یک زنجیره، انتهای 5 اینچی زنجیره دیگر قرار دارد و بالعکس (شکل 5.3). با این حال، باید داده های مدرن را در نظر داشت که ماده ژنتیکی برخی ویروس ها توسط مولکول های DNA تک رشته ای (تک رشته ای) نشان داده می شود. بر اساس تجزیه و تحلیل پراش اشعه ایکس DNA، جی واتسون و اف. کریک همچنین به این نتیجه رسیدند که مولکول دو رشته ای آن دارای ساختار ثانویه ای به شکل مارپیچ است که در جهت از چپ به راست پیچ خورده است که بعدها 5 نامیده شد. -form (شکل 5.4). تا به امروز، ثابت شده است که علاوه بر رایج ترین شکل 5، می توان بخش هایی از DNA را که دارای پیکربندی متفاوتی هستند - به صورت راست دست (فرم) تشخیص داد. آ، C) و از راست به چپ (چپ پیچ خورده یا Z شکل) پیچ خورده است (شکل 5.4). تفاوت های خاصی بین این اشکال ساختار DNA ثانویه وجود دارد (جدول 5.2). به عنوان مثال، فاصله بین دو جفت پایه نیتروژنی مجاور در یک مارپیچ دو رشته ای، که بر حسب نانومتر (nm) بیان می شود، با مقادیر مختلف برای فرم 5 و شکل Z (به ترتیب 0.34 و 0.38 نانومتر) مشخص می شود. . در شکل شکل 5.5 مدل های سه بعدی مدرن اشکال "چپ دست" و "راست دست" DNA را نشان می دهد.

برنج. 5.3. نمایش شماتیک از ساختار اولیه یک قطعه از یک مولکول DNA دو رشته ای: A - آدنین. G - گوانین؛ T - تیمین؛ ج - سیتوزین

برنج. 5.4.

جدول 5.2

خواص اشکال مختلف مارپیچ دوگانه DNA

مولکول های RNA، بسته به ویژگی های ساختاری و عملکردی خود، به چندین نوع تقسیم می شوند: RNA پیام رسان (mRNA، یا mRNA)، RNA ریبوزومی (rRNA)، RNA انتقالی (tRNA)، RNA هسته ای کوچک (snRNA)، و غیره. مولکول های DNA، RNA همیشه تک رشته ای (تک رشته ای) هستند. با این حال، آنها می توانند پیکربندی های پیچیده تری (ثانویه) را به دلیل اتصال مکمل بخش های جداگانه چنین زنجیره ای بر اساس برهم کنش پایه های نیتروژنی مکمل (A-U و G-C) تشکیل دهند. به عنوان مثال، پیکربندی برگ شبدر را برای مولکول RNA انتقالی فنیل آلانین در نظر بگیرید (شکل 5.6).

برنج. 5.6.

در سال 1953، D. Watson و F. Crick مدلی از ساختار DNA ارائه کردند که بر اساس فرضیه های زیر بود:

• 1. DNA پلیمری متشکل از نوکلئوتیدهایی است که با پیوندهای فسفودی استری 3 و 5 اینچی به هم متصل شده اند.
• 2. ترکیب نوکلئوتیدهای DNA از قوانین Chargaff پیروی می کند.
• 3. مولکول DNA دارای ساختار مارپیچ دوگانه است که یادآور پلکان مارپیچی است، همانطور که توسط الگوهای پراش اشعه ایکس رشته های DNA که برای اولین بار توسط M. Wilkins و R. Franklin به دست آمد، مشهود است.
• 4. ساختار پلیمر، همانطور که با تیتراسیون اسید-باز DNA بومی (طبیعی) نشان داده شده است، توسط پیوندهای هیدروژنی تثبیت می شود. تیتراسیون و گرم شدن DNA بومی باعث تغییر قابل توجهی در خصوصیات فیزیکی آن، به ویژه ویسکوزیته، تبدیل آن به شکل دناتوره شده می شود و پیوندهای کووالانسی از بین نمی روند.

اسیدهای نوکلئیک موادی با مولکولی بالا متشکل از مونوکلئوتیدها هستند که در یک زنجیره پلیمری با استفاده از پیوندهای فسفودی استر 3 اینچی به یکدیگر متصل شده و به روش خاصی در سلول ها بسته بندی می شوند.

اسیدهای نوکلئیک دو نوع زیست پلیمری هستند: اسید ریبونوکلئیک (RNA) و اسید دئوکسی ریبونوکلئیک (DNA). هر بیوپلیمر متشکل از نوکلئوتیدهایی است که در باقیمانده کربوهیدرات (ریبوز، دئوکسی ریبوز) و یکی از پایه های نیتروژنی (اوراسیل، تیمین) متفاوت هستند. با توجه به این تفاوت ها، اسیدهای نوکلئیک نام خود را دریافت کردند.

ساختار اسید دئوکسی ریبونوکلئیک

اسیدهای نوکلئیک دارای ساختار اولیه، ثانویه و سوم هستند.

ساختار اولیه DNA

ساختار اولیه DNA یک زنجیره پلی نوکلئوتیدی خطی است که در آن مونونوکلئوتیدها با پیوندهای فسفودی استری 3 اینچی به هم متصل می شوند. ماده اولیه برای مونتاژ یک زنجیره اسید نوکلئیک در یک سلول، نوکلئوزید تری فسفات 5 اینچی است که در نتیجه حذف بقایای اسید فسفریک β و γ، قادر به اتصال اتم کربن 3 اینچی نوکلئوزید دیگر است. . بنابراین، اتم کربن 3 اینچی یک دئوکسی ریبوز به طور کووالانسی به اتم کربن 5 اینچی دئوکسی ریبوز دیگر از طریق یک باقیمانده اسید فسفریک متصل می شود و یک زنجیره پلی نوکلئوتیدی خطی از اسید نوکلئیک را تشکیل می دهد. از این رو نام: پیوندهای فسفودی استر 3، 5 اینچی. بازهای نیتروژنی در اتصال نوکلئوتیدهای یک زنجیره شرکت نمی کنند (شکل 1.).

چنین ارتباطی بین بقایای مولکول اسید فسفریک یک نوکلئوتید و کربوهیدرات نوکلئوتید دیگر منجر به تشکیل اسکلت پنتوز فسفات از مولکول پلی نوکلئوتید می شود که بر روی آن بازهای نیتروژنی یکی پس از دیگری به طرفین متصل می شوند. ترتیب ترتیب آنها در زنجیره های مولکول های اسید نوکلئیک کاملاً مخصوص سلول های موجودات مختلف است، به عنوان مثال. خصلت خاصی دارد (قاعده چارگاف).

یک زنجیره DNA خطی که طول آن به تعداد نوکلئوتیدهای موجود در زنجیره بستگی دارد، دو سر دارد: یکی انتهای 3 اینچی و حاوی هیدروکسیل آزاد و دیگری انتهای 5 اینچی و حاوی فسفر است. باقی مانده اسید مدار قطبی است و می تواند جهت 5"->3" و 3"->5" داشته باشد. استثنا DNA دایره ای است.

"متن" ژنتیکی DNA از رمز "کلمات" - سه قلو نوکلئوتید به نام کدون تشکیل شده است. بخش هایی از DNA که حاوی اطلاعاتی در مورد ساختار اولیه همه انواع RNA هستند، ژن های ساختاری نامیده می شوند.

زنجیره های DNA پلی نوکلئوتیدی به اندازه های غول پیکر می رسند، بنابراین به روش خاصی در سلول بسته بندی می شوند.

چارگاف (1949) در حین مطالعه ترکیب DNA، الگوهای مهمی را در مورد محتوای بازهای DNA منفرد ایجاد کرد. آنها به کشف ساختار ثانویه DNA کمک کردند. به این الگوها قوانین چارگاف گفته می شود. قوانین چارگاف مجموع نوکلئوتیدهای پورین برابر با مجموع نوکلئوتیدهای پیریمیدین است، یعنی A+G / C+T = 1 محتوای آدنین برابر با محتوای تیمین است (A = T، یا A/T = 1). محتوای گوانین برابر با محتوای سیتوزین است (G = C یا G/C = 1). تعداد 6-گروه آمینو برابر است با تعداد گروه های 6-کتو از بازهای موجود در DNA: G + T = A + C. فقط مجموع A + T و G + C متغیر است. اگر A + T > G-C، آنگاه این نوع AT DNA است. اگر G+C > A+T، آنگاه این نوع DNA GC است. این قوانین نشان می دهد که هنگام ساخت DNA، باید مطابقت (جفت شدن) نسبتاً دقیقی را نه بین بازهای پورین و پیریمیدین به طور کلی، بلکه به طور خاص تیمین با آدنین و سیتوزین با گوانین مشاهده کرد. بر اساس این قوانین، در سال 1953، واتسون و کریک مدلی از ساختار ثانویه DNA به نام مارپیچ دوگانه ارائه کردند (شکل).

ساختار ثانویه DNA

ساختار ثانویه DNA یک مارپیچ دوگانه است که مدل آن توسط D. Watson و F. Crick در سال 1953 ارائه شد.

پیش نیازهای ایجاد مدل DNA

در نتیجه تجزیه و تحلیل های اولیه، اعتقاد بر این بود که DNA با هر منشا حاوی هر چهار نوکلئوتید در مقادیر مولی یکسان است. با این حال، در دهه 1940، E. Chargaff و همکارانش، در نتیجه تجزیه و تحلیل DNA جدا شده از موجودات مختلف، به وضوح نشان دادند که آنها حاوی بازهای نیتروژنی در نسبت های کمی متفاوت هستند. شارگاف دریافت که اگرچه این نسبت‌ها برای DNA همه سلول‌های یک گونه ارگانیسم یکسان است، DNA گونه‌های مختلف می‌تواند به طور قابل توجهی در محتوای نوکلئوتیدهای خاص متفاوت باشد. این نشان داد که تفاوت در نسبت بازهای نیتروژنی ممکن است با نوعی کد بیولوژیکی مرتبط باشد. اگرچه نسبت بازهای پورین و پیریمیدین منفرد در نمونه های مختلف DNA متفاوت است، اما هنگام مقایسه نتایج آزمایش، یک الگوی مشخص ظاهر شد: در همه نمونه ها، تعداد کل پورین ها برابر با تعداد کل پیریمیدین ها بود (A + G = T + C)، مقدار آدنین برابر با مقدار تیمین (A = T) و مقدار گوانین مقدار سیتوزین است (G = C). DNA جدا شده از سلول‌های پستانداران به طور کلی از نظر آدنین و تیمین غنی‌تر و از نظر گوانین و سیتوزین نسبتا فقیرتر بود، در حالی که DNA باکتری‌ها از نظر گوانین و سیتوزین غنی‌تر و از نظر آدنین و تیمین نسبتاً فقیرتر بود. این داده‌ها بخش مهمی از مطالب واقعی را تشکیل می‌دهند که بعدها مدل واتسون-کریک ساختار DNA بر اساس آن ساخته شد.

یکی دیگر از نشانه های غیر مستقیم مهم ساختار احتمالی DNA توسط داده های L. Pauling در مورد ساختار مولکول های پروتئین ارائه شد. پاولینگ نشان داد که چندین پیکربندی پایدار مختلف زنجیره آمینو اسید در یک مولکول پروتئین امکان پذیر است. یکی از پیکربندی های رایج زنجیره پپتیدی، مارپیچ α، یک ساختار مارپیچ منظم است. با این ساختار، تشکیل پیوند هیدروژنی بین اسیدهای آمینه واقع در پیچ های مجاور زنجیره امکان پذیر است. پاولینگ پیکربندی α-مارپیچ زنجیره پلی پپتیدی را در سال 1950 توصیف کرد و پیشنهاد کرد که مولکول‌های DNA احتمالاً ساختار مارپیچی دارند که توسط پیوندهای هیدروژنی در جای خود ثابت می‌شوند.

با این حال، با ارزش ترین اطلاعات در مورد ساختار مولکول DNA توسط نتایج تجزیه و تحلیل پراش اشعه ایکس ارائه شد. پرتوهای ایکس که از یک کریستال DNA عبور می کنند دچار پراش می شوند، یعنی در جهات خاصی منحرف می شوند. درجه و ماهیت انحراف پرتوها به ساختار خود مولکول ها بستگی دارد. یک الگوی پراش اشعه ایکس (شکل 3) به چشم با تجربه تعدادی نشانه غیرمستقیم در مورد ساختار مولکول های ماده مورد مطالعه می دهد. تجزیه و تحلیل الگوهای پراش پرتو ایکس DNA به این نتیجه رسید که بازهای نیتروژنی (که شکلی صاف دارند) مانند یک پشته از صفحات قرار گرفته اند. الگوهای پراش اشعه ایکس سه دوره اصلی را در ساختار DNA کریستالی نشان داد: 0.34، 2 و 3.4 نانومتر.

مدل DNA واتسون-کریک

بر اساس داده های تحلیلی چارگاف، الگوهای پرتو ایکس ویلکینز، و تحقیقات شیمیدانانی که اطلاعاتی در مورد فواصل دقیق بین اتم ها در یک مولکول، زوایای بین پیوندهای یک اتم معین و اندازه اتم ها ارائه کردند، واتسون و کریک شروع به ساختن مدل‌های فیزیکی از اجزای منفرد مولکول DNA در مقیاسی خاص کرد و آنها را با یکدیگر «تطبیق داد» به گونه‌ای که سیستم به دست آمده با داده‌های تجربی مختلف مطابقت داشته باشد. [نمایش] .

حتی قبلاً شناخته شده بود که نوکلئوتیدهای همسایه در یک زنجیره DNA توسط پل های فسفودی استر به هم متصل می شوند و اتم 5 اینچ دی اکسی ریبوز کربن یک نوکلئوتید را با اتم دئوکسی ریبوز کربن 3 اینچ نوکلئوتید بعدی پیوند می دهند. واتسون و کریک شک نداشتند که دوره 0.34 نانومتر مربوط به فاصله بین نوکلئوتیدهای متوالی در زنجیره DNA است. علاوه بر این، می توان فرض کرد که دوره 2 نانومتر مربوط به ضخامت زنجیره است. و برای توضیح اینکه دوره 3.4 نانومتری با چه ساختار واقعی مطابقت دارد، واتسون و کریک و همچنین پاولینگ قبلاً پیشنهاد کردند که زنجیره به شکل یک مارپیچ پیچ خورده است (یا به طور دقیق تر، یک خط مارپیچ را تشکیل می دهد، زیرا یک مارپیچ به معنای دقیق این کلمه زمانی به دست می آید که سیم پیچ ها یک سطح مخروطی به جای استوانه ای در فضا ایجاد کنند). سپس یک دوره 3.4 نانومتری با فاصله بین چرخش های متوالی این مارپیچ مطابقت دارد. چنین مارپیچی می تواند بسیار متراکم یا تا حدودی کشیده باشد، یعنی چرخش آن می تواند صاف یا شیب دار باشد. از آنجایی که دوره 3.4 نانومتر دقیقاً 10 برابر فاصله بین نوکلئوتیدهای متوالی (0.34 نانومتر) است، واضح است که هر چرخش کامل مارپیچ حاوی 10 نوکلئوتید است. از این داده ها، واتسون و کریک توانستند چگالی یک زنجیره پلی نوکلئوتیدی را که به شکل مارپیچ با قطر 2 نانومتر، با فاصله بین پیچ های 3.4 نانومتر، پیچ خورده است، محاسبه کنند. معلوم شد که چنین زنجیره ای دارای چگالی نصف چگالی واقعی DNA است که قبلاً شناخته شده بود. من باید فرض می کردم که مولکول DNA از دو زنجیره تشکیل شده است - که یک مارپیچ دوگانه از نوکلئوتیدها است.

کار بعدی، البته، روشن کردن روابط فضایی بین دو زنجیره تشکیل دهنده مارپیچ دوگانه بود. واتسون و کریک پس از آزمایش تعدادی از گزینه‌ها برای آرایش زنجیره‌ها در مدل فیزیکی خود، دریافتند که تمام داده‌های موجود با گزینه‌ای که در آن دو مارپیچ پلی‌نوکلئوتیدی در جهت مخالف می‌روند، به بهترین وجه مطابقت دارند. در این حالت، زنجیره های متشکل از باقی مانده های قند و فسفات سطح مارپیچ دوگانه را تشکیل می دهند و پورین ها و پیریمیدین ها در داخل آن قرار دارند. پایه های واقع در مقابل یکدیگر، متعلق به دو زنجیره، به صورت جفت توسط پیوندهای هیدروژنی به هم متصل می شوند. این پیوندهای هیدروژنی هستند که زنجیره ها را در کنار هم نگه می دارند، بنابراین پیکربندی کلی مولکول را ثابت می کنند.

مارپیچ دوگانه DNA را می توان به عنوان یک نردبان طنابی تصور کرد که به صورت مارپیچ پیچ خورده است، به طوری که پله های آن افقی باقی می مانند. سپس دو طناب طولی با زنجیره‌ای از قند و فسفات باقی‌مانده مطابقت دارند و میله‌های متقاطع به جفت پایه‌های نیتروژنی مرتبط با پیوندهای هیدروژنی مربوط می‌شوند.

در نتیجه مطالعه بیشتر مدل‌های احتمالی، واتسون و کریک به این نتیجه رسیدند که هر "میله متقاطع" باید از یک پورین و یک پیریمیدین تشکیل شده باشد. در یک دوره 2 نانومتر (مرتبط با قطر مارپیچ دوگانه)، فضای کافی برای دو پورین وجود نخواهد داشت، و این دو پیریمیدین نمی توانند به اندازه کافی به یکدیگر نزدیک باشند تا پیوندهای هیدروژنی مناسب را تشکیل دهند. مطالعه عمیق مدل دقیق نشان داد که آدنین و سیتوزین در حالی که ترکیبی با اندازه مناسب را تشکیل می دهند، هنوز نمی توانند به گونه ای قرار بگیرند که پیوندهای هیدروژنی بین آنها تشکیل شود. گزارش های مشابه باعث حذف ترکیب گوانین - تیمین شد، در حالی که ترکیبات آدنین - تیمین و گوانین - سیتوزین کاملاً قابل قبول بود. ماهیت پیوندهای هیدروژنی به گونه ای است که آدنین با تیمین و گوانین با سیتوزین جفت می شوند. این ایده از جفت شدن بازهای خاص، توضیح "قانون Chargaff" را ممکن کرد، که بر اساس آن در هر مولکول DNA، مقدار آدنین همیشه برابر با محتوای تیمین است و مقدار گوانین همیشه با مقدار آن برابر است. سیتوزین دو پیوند هیدروژنی بین آدنین و تیمین و سه پیوند بین گوانین و سیتوزین تشکیل می شود. با توجه به این ویژگی، تشکیل پیوندهای هیدروژنی در برابر هر آدنین در یک زنجیره باعث تشکیل تیمین در زنجیره دیگر می شود. به همین ترتیب، فقط سیتوزین می تواند در مقابل هر گوانین قرار گیرد. بنابراین، زنجیره ها مکمل یکدیگر هستند، یعنی توالی نوکلئوتیدها در یک زنجیره به طور منحصر به فرد توالی آنها را در زنجیره دیگر تعیین می کند. دو زنجیره در جهات مخالف یکدیگر قرار دارند و گروه های فسفات انتهایی آنها در انتهای مخالف مارپیچ دوگانه قرار دارند.

در نتیجه تحقیقات خود، در سال 1953 واتسون و کریک مدلی از ساختار مولکول DNA ارائه کردند (شکل 3)، که به امروز مربوط می شود. طبق مدل، مولکول DNA از دو زنجیره پلی نوکلئوتیدی مکمل تشکیل شده است. هر رشته DNA یک پلی نوکلئوتید است که از چند ده هزار نوکلئوتید تشکیل شده است. در آن، نوکلئوتیدهای همسایه به دلیل اتصال باقیمانده اسید فسفریک و دئوکسی ریبوز توسط یک پیوند کووالانسی قوی، یک ستون فقرات پنتوز فسفات منظم را تشکیل می دهند. بازهای نیتروژنی یک زنجیره پلی نوکلئوتیدی به ترتیب کاملاً مشخص در مقابل بازهای نیتروژنی زنجیره دیگر قرار گرفته اند. تناوب بازهای نیتروژنی در یک زنجیره پلی نوکلئوتیدی نامنظم است.

آرایش بازهای نیتروژنی در زنجیره DNA مکمل است (از یونانی "مکمل" - افزودن)، یعنی. تیمین (T) همیشه در برابر آدنین (A) است و فقط سیتوزین (C) در برابر گوانین (G) است. این با این واقعیت توضیح داده می شود که A و T، و همچنین G و C، به شدت با یکدیگر مطابقت دارند، یعنی. مکمل یکدیگر. این تطابق توسط ساختار شیمیایی پایه ها تعیین می شود که امکان تشکیل پیوندهای هیدروژنی در جفت پورین و پیریمیدین را فراهم می کند. دو اتصال بین A و T و سه ارتباط بین G و C وجود دارد. این پیوندها باعث تثبیت جزئی مولکول DNA در فضا می شود. پایداری مارپیچ دوتایی با تعداد پیوندهای G≡C که در مقایسه با پیوندهای A=T پایدارتر هستند، نسبت مستقیم دارد.

توالی شناخته شده آرایش نوکلئوتیدها در یک زنجیره DNA، بر اساس اصل مکمل بودن، ایجاد نوکلئوتیدهای زنجیره دیگر را ممکن می سازد.

علاوه بر این، مشخص شده است که پایه‌های نیتروژنی دارای ساختار معطر در یک محلول آبی یکی بالاتر از دیگری قرار گرفته‌اند و مانند آن، پشته‌ای از سکه‌ها را تشکیل می‌دهند. این فرآیند تشکیل پشته‌های مولکول‌های آلی، انباشتگی نامیده می‌شود. زنجیره های پلی نوکلئوتیدی مولکول DNA مدل واتسون-کریک مورد بررسی حالت فیزیکوشیمیایی مشابهی دارند، پایه های نیتروژنی آنها به شکل پشته ای از سکه ها مرتب شده اند که بین صفحات آن برهمکنش های واندروالس (برهم کنش های انباشته) ایجاد می شود.

پیوندهای هیدروژنی بین بازهای مکمل (افقی) و برهمکنش های انباشته بین صفحات بازها در یک زنجیره پلی نوکلئوتیدی به دلیل نیروهای واندروالس (عمودی) تثبیت اضافی را در فضا به مولکول DNA ارائه می دهد.

ستون فقرات قند فسفات هر دو زنجیره به سمت بیرون و پایه ها به سمت داخل و به سمت یکدیگر هستند. جهت زنجیره ها در DNA ضد موازی است (یکی از آنها دارای جهت 5"->3"، دیگری - 3"->5" است، یعنی انتهای 3 اینچی یک زنجیره در مقابل انتهای 5 اینچی قرار دارد. دیگری.). زنجیرها مارپیچ های راست دست را با یک محور مشترک تشکیل می دهند. یک دور مارپیچ 10 نوکلئوتید است، اندازه چرخش 3.4 نانومتر، ارتفاع هر نوکلئوتید 0.34 نانومتر، قطر مارپیچ 2.0 نانومتر است. در نتیجه چرخش یک رشته به دور رشته دیگر، یک شیار اصلی (به قطر حدود 20 Å) و یک شیار کوچک (به قطر حدود 12 A) از مارپیچ دوگانه DNA تشکیل می شود. این شکل از مارپیچ دوگانه واتسون-کریک بعدها شکل B نامیده شد. در سلول ها، DNA معمولاً به شکل B وجود دارد که پایدارترین است.

توابع DNA

مدل پیشنهادی بسیاری از خواص بیولوژیکی اسید دئوکسی ریبونوکلئیک، از جمله ذخیره اطلاعات ژنتیکی و تنوع ژن های ارائه شده توسط طیف گسترده ای از ترکیبات متوالی 4 نوکلئوتید و واقعیت وجود یک کد ژنتیکی، توانایی خود تولید مثل را توضیح می دهد. و انتقال اطلاعات ژنتیکی ارائه شده توسط فرآیند تکثیر، و پیاده سازی اطلاعات ژنتیکی به شکل پروتئین، و همچنین هر ترکیب دیگری که با کمک پروتئین های آنزیمی تشکیل می شود.

عملکردهای اساسی DNA

1. DNA حامل اطلاعات ژنتیکی است که با وجود کد ژنتیکی تضمین می شود.
2. تولید مثل و انتقال اطلاعات ژنتیکی در نسل‌های مختلف سلول‌ها و موجودات. این قابلیت توسط فرآیند تکرار ارائه می شود.
3. اجرای اطلاعات ژنتیکی در قالب پروتئین و همچنین هر ترکیب دیگری که با کمک پروتئین های آنزیمی تشکیل می شود. این عملکرد توسط فرآیندهای رونویسی و ترجمه ارائه می شود.

اشکال سازماندهی DNA دو رشته ای

DNA می تواند چندین نوع مارپیچ دوگانه را تشکیل دهد (شکل 4). در حال حاضر، شش شکل از قبل شناخته شده است (از A تا E و Z-form).

اشکال ساختاری DNA، همانطور که روزالیند فرانکلین مشخص کرد، به اشباع مولکول اسید نوکلئیک با آب بستگی دارد. در مطالعات روی الیاف DNA با استفاده از تجزیه و تحلیل پراش اشعه ایکس، نشان داده شد که الگوی اشعه ایکس به طور اساسی به رطوبت نسبی بستگی دارد که آزمایش در چه درجه ای از اشباع آب این فیبر انجام می شود. اگر فیبر به اندازه کافی با آب اشباع شده بود، یک رادیوگرافی گرفته می شد. هنگامی که خشک شد، یک الگوی اشعه ایکس کاملاً متفاوت ظاهر شد که بسیار متفاوت از الگوی اشعه ایکس فیبر با رطوبت بالا بود.

مولکول DNA با رطوبت بالا به شکل B نامیده می شود. تحت شرایط فیزیولوژیکی (غلظت کم نمک، درجه هیدراتاسیون بالا)، نوع ساختاری غالب DNA، فرم B است (شکل اصلی DNA دو رشته ای - مدل واتسون-کریک). گام مارپیچ چنین مولکولی 3.4 نانومتر است. 10 جفت مکمل در هر نوبت به شکل پشته های پیچ خورده "سکه" - پایه های نیتروژنی وجود دارد. پشته ها توسط پیوندهای هیدروژنی بین دو "سکه" متضاد پشته ها به هم متصل می شوند و توسط دو نوار از ستون فقرات فسفودی استر که به شکل یک مارپیچ راست دست پیچیده شده اند، "زخم" می شوند. صفحات پایه های نیتروژنی بر محور مارپیچ عمود هستند. جفت های مکمل مجاور نسبت به یکدیگر 36 درجه می چرخند. قطر مارپیچ 20Å است که نوکلئوتید پورین 12Å و نوکلئوتید پیریمیدین 8Å را اشغال می کند.

مولکول DNA با رطوبت کمتر A-form نامیده می شود. فرم A تحت شرایط هیدراتاسیون کمتر و در محتوای بالاتر یون های Na + یا K + تشکیل می شود. این ترکیب مارپیچ راست دست گسترده تر دارای 11 جفت پایه در هر چرخش است. صفحات پایه های نیتروژن دار تمایل قوی تری به محور مارپیچ دارند و 20 درجه از حالت عادی به محور مارپیچ منحرف می شوند. این به معنای وجود یک فضای خالی داخلی با قطر 5A است. فاصله بین نوکلئوتیدهای مجاور 0.23 نانومتر، طول چرخش 2.5 نانومتر و قطر مارپیچ 2.3 نانومتر است.

در ابتدا تصور می شد شکل A از DNA از اهمیت کمتری برخوردار است. با این حال، بعداً مشخص شد که فرم A DNA، مانند فرم B، اهمیت بیولوژیکی زیادی دارد. مارپیچ RNA-DNA در مجموعه الگو-پرایمر دارای فرم A است، همچنین ساختارهای RNA-RNA مارپیچ و سنجاق موی RNA (گروه 2'-هیدروکسیل ریبوز از تشکیل مولکول های RNA به شکل B جلوگیری می کند). شکل A DNA در هاگ ها یافت می شود. ثابت شده است که فرم A DNA 10 برابر بیشتر از فرم B در برابر اشعه ماوراء بنفش مقاوم است.

فرم A و فرم B را اشکال متعارف DNA می نامند.

فرم های C-Eهمچنین راست دست، تشکیل آنها را فقط می توان در آزمایش های خاص مشاهده کرد، و ظاهراً آنها در داخل بدن وجود ندارند. شکل C DNA ساختاری شبیه به DNA B دارد. تعداد جفت پایه در هر چرخش 9.33 است، طول چرخش مارپیچ 3.1 نانومتر است. جفت‌های پایه با زاویه 8 درجه نسبت به موقعیت عمود بر محور متمایل می‌شوند. شیارها از نظر اندازه مشابه شیارهای B-DNA هستند. در این حالت، شیار اصلی تا حدودی کم عمق تر است و شیار فرعی عمیق تر است. پلی نوکلئوتیدهای DNA طبیعی و مصنوعی می توانند به فرم C تبدیل شوند.

جدول 1. ویژگی های برخی از انواع ساختارهای DNA
نوع مارپیچ	آ	ب	ز
زمین مارپیچ	0.32 نانومتر	3.38 نانومتر	4.46 نانومتر
پیچش مارپیچ	درست	درست	ترک کرد
تعداد جفت پایه در هر نوبت	11	10	12
فاصله بین هواپیماهای پایه	0.256 نانومتر	0.338 نانومتر	0.371 نانومتر
ساختار پیوند گلیکوزیدی	ضد	ضد	ضد سی آواز خواندن
ساختار حلقه فورانوز	C3"-endo	C2"-endo	C3"-endo-G C2"-endo-C
عرض شیار، کوچک/بزرگ	1.11/0.22 نانومتر	0.57/1.17 نانومتر	0.2/0.88 نانومتر
عمق شیار، کوچک/بزرگ	0.26/1.30 نانومتر	0.82/0.85 نانومتر	1.38/0.37 نانومتر
قطر مارپیچ	2.3 نانومتر	2.0 نانومتر	1.8 نانومتر

عناصر ساختاری DNA
(ساختارهای غیر متعارف DNA)

عناصر ساختاری DNA شامل ساختارهای غیرمعمول محدود شده توسط چند توالی خاص است:

DNA شکل Z - در مکان هایی از DNA شکل B، جایی که پورین ها متناوب با پیریمیدین ها یا در تکرارهای حاوی سیتوزین متیله می شوند، تشکیل می شود. پالیندروم‌ها توالی‌های معکوس هستند، تکرارهای معکوس توالی‌های پایه که دارای تقارن مرتبه دوم نسبت به دو رشته DNA هستند و «گیره‌های مو» و «صلیب» را تشکیل می‌دهند. شکل H از مارپیچ‌های سه‌گانه DNA و DNA زمانی تشکیل می‌شوند که در یک زنجیره از دوبلکس معمولی Watson-Crick، بخشی حاوی تنها پورین‌ها و در زنجیره دوم، پیریمیدین‌های مکمل آنها وجود داشته باشد. G-quadruplex (G-4) یک مارپیچ DNA چهار رشته ای است که در آن 4 باز گوانین از زنجیره های مختلف G-quartets (G-tetrads) را تشکیل می دهند که توسط پیوندهای هیدروژنی به هم متصل می شوند تا G-quaduplexes را تشکیل دهند.

DNA شکل Zدر سال 1979 هنگام مطالعه هگزانوکلئوتید d(CG)3 - کشف شد. این توسط پروفسور MIT الکساندر ریچ و همکارانش کشف شد. شکل Z به یکی از مهمترین عناصر ساختاری DNA تبدیل شده است زیرا تشکیل آن در مناطق DNA مشاهده شده است که در آن پورین ها متناوب با پیریمیدین ها (به عنوان مثال 5'-GCGCGC-3') یا در تکرارهای 5 مشاهده شده است. '-CGCGCG-3' حاوی سیتوزین متیله. یک شرط ضروری برای تشکیل و تثبیت Z-DNA وجود نوکلئوتیدهای پورین در آن در ترکیب syn، متناوب با بازهای پیریمیدین در ترکیب ضد بود.

مولکول های DNA طبیعی عمدتاً به شکل B راست دست وجود دارند مگر اینکه حاوی توالی هایی مانند (CG)n باشند. با این حال، اگر چنین توالی‌هایی بخشی از DNA باشند، این بخش‌ها، زمانی که قدرت یونی محلول یا کاتیون‌هایی که بار منفی روی چارچوب فسفودی استر را خنثی می‌کنند تغییر کند، این بخش‌ها می‌توانند به شکل Z تبدیل شوند، در حالی که بخش‌های دیگر DNA در زنجیره به شکل کلاسیک B باقی می ماند. امکان چنین انتقالی نشان می‌دهد که دو رشته در مارپیچ دوگانه DNA در حالت دینامیکی هستند و می‌توانند نسبت به یکدیگر باز شوند و از شکل راست‌دست به سمت چپ و بالعکس حرکت کنند. پیامدهای بیولوژیکی چنین پایداری، که امکان تبدیل ساختاری ساختار DNA را فراهم می کند، هنوز به طور کامل درک نشده است. اعتقاد بر این است که بخش‌هایی از Z-DNA نقش خاصی در تنظیم بیان ژن‌های خاص دارند و در نوترکیبی ژنتیکی شرکت می‌کنند.

شکل Z DNA یک مارپیچ دوتایی چپ است که در آن ستون فقرات فسفودی استر به صورت زیگزاگ در امتداد محور مولکول قرار دارد. از این رو نام مولکول (زیگزاگ)-DNK است. Z-DNA کمترین پیچ خوردگی (12 جفت باز در هر نوبت) و نازک ترین DNA شناخته شده در طبیعت است. فاصله بین نوکلئوتیدهای مجاور 0.38 نانومتر، طول چرخش 4.56 نانومتر و قطر Z-DNA 1.8 نانومتر است. علاوه بر این، ظاهر این مولکول DNA با وجود یک شیار متمایز می شود.

شکل Z DNA در سلول های پروکاریوتی و یوکاریوتی یافت شده است. اکنون آنتی بادی هایی به دست آمده اند که می توانند فرم Z را از فرم B DNA تشخیص دهند. این آنتی بادی ها به نواحی خاصی از کروموزوم های غول پیکر سلول های غدد بزاقی مگس سرکه (دکتر ملانوگاستر) متصل می شوند. به دلیل ساختار غیرمعمول این کروموزوم ها، که در آن نواحی متراکم تر (دیسک ها) با مناطق کم تراکم (بین دیسک ها) تضاد دارند، واکنش اتصال آسان است. مناطق Z-DNA در بین دیسک ها قرار دارند. از این نتیجه می شود که فرم Z در واقع در شرایط طبیعی وجود دارد، اگرچه اندازه بخش های جداگانه فرم Z هنوز ناشناخته است.

(اینورترها) معروف ترین و متداول ترین توالی پایه در DNA هستند. پالیندروم کلمه یا عبارتی است که از چپ به راست و بالعکس یکسان خوانده می شود. نمونه هایی از این کلمات یا عبارات عبارتند از: کلبه، قزاق، سیل، و گل سرخ که روی پنجه آزور افتاد. وقتی برای بخش‌های DNA به کار می‌رود، این اصطلاح (palindrome) به معنای همان تناوب نوکلئوتیدها در طول زنجیره از راست به چپ و چپ به راست است (مانند حروف در کلمه "کلبه" و غیره).

پالیندروم با حضور تکرارهای معکوس توالی های پایه که دارای تقارن مرتبه دوم نسبت به دو رشته DNA هستند مشخص می شود. چنین توالی هایی، به دلایل واضح، خود مکمل هستند و تمایل به ایجاد ساختارهای صلیبی یا سنجاق سر دارند (شکل). سنجاق سر به پروتئین های تنظیم کننده کمک می کند تا تشخیص دهند متن ژنتیکی DNA کروموزوم کجا کپی شده است.

هنگامی که یک تکرار معکوس روی همان رشته DNA وجود دارد، توالی تکرار آینه ای نامیده می شود. تکرارهای آینه ای خاصیت خود تکمیلی ندارند و بنابراین قادر به ایجاد ساختارهای سنجاق سر یا صلیبی نیستند. توالی هایی از این نوع تقریباً در تمام مولکول های DNA بزرگ یافت می شوند و می توانند از چند جفت باز تا چندین هزار جفت باز متغیر باشند.

وجود پالیندروم ها به شکل ساختارهای صلیبی در سلول های یوکاریوتی ثابت نشده است، اگرچه تعداد معینی از ساختارهای صلیبی در داخل بدن در سلول های E. coli شناسایی شده است. وجود توالی های خود تکمیلی در RNA یا DNA تک رشته ای دلیل اصلی تا شدن زنجیره اسید نوکلئیک در محلول ها به یک ساختار فضایی خاص است که با تشکیل بسیاری از "گیره های مو" مشخص می شود.

DNA شکل Hیک مارپیچ است که توسط سه رشته DNA تشکیل شده است - یک مارپیچ سه گانه DNA. این مجموعه ای از یک مارپیچ دوگانه Watson-Crick با یک رشته DNA تک رشته ای سوم است که در شیار اصلی آن قرار می گیرد و یک جفت به اصطلاح هوگستین را تشکیل می دهد.

تشکیل چنین تریپلکسی در نتیجه تا شدن یک مارپیچ دوگانه DNA اتفاق می افتد به گونه ای که نیمی از بخش آن به شکل یک مارپیچ دوتایی باقی می ماند و نیمی دیگر از هم جدا می شود. در این مورد، یکی از مارپیچ های جدا شده ساختار جدیدی را با نیمه اول مارپیچ دوتایی - یک مارپیچ سه گانه تشکیل می دهد، و دومی به شکل یک بخش تک رشته ای بدون ساختار است. یکی از ویژگی های این انتقال ساختاری وابستگی شدید آن به pH محیط است که پروتون های آن ساختار جدید را تثبیت می کنند. با توجه به این ویژگی، ساختار جدید H-form DNA نامیده شد که تشکیل آن در پلاسمیدهای ابرپیچ دار حاوی نواحی هوموپورین-هموپیریمیدین که یک تکرار آینه ای هستند، کشف شد.

در مطالعات بیشتر مشخص شد که امکان انتقال ساختاری برخی پلی نوکلئوتیدهای دو رشته ای هوموپورین-هموپیریمیدین با تشکیل یک ساختار سه رشته ای شامل موارد زیر وجود دارد:

• یک رشته هوموپورین و دو رشته هموپیریمیدین ( تریپلکس Py-Pu-Py) [تعامل هوگستین].

  بلوک های تشکیل دهنده تری پلکس Py-Pu-Py سه گانه های هم شکل متعارف CGC+ و TAT هستند. تثبیت تریپلکس به پروتونه شدن سه گانه CGC+ نیاز دارد، بنابراین این تری پلکس ها به pH محلول بستگی دارند.

• یک هموپیریمیدین و دو رشته هوموپورین ( تریپلکس Py-Pu-Pu) [برهم کنش هوگستین معکوس].

  بلوک های تشکیل دهنده تری پلکس Py-Pu-Pu سه گانه های هم شکل متعارف CGG و TAA هستند. یکی از ویژگی های اساسی تری پلکس های Py-Pu-Pu وابستگی پایداری آنها به حضور یون های دارای بار مضاعف است و یون های مختلف برای تثبیت تریپلکس های توالی های مختلف مورد نیاز است. از آنجایی که تشکیل تری پلکس های Py-Pu-Pu نیازی به پروتونه شدن نوکلئوتیدهای تشکیل دهنده آنها ندارد، چنین تری پلکس ها می توانند در pH خنثی وجود داشته باشند.

  توجه: برهمکنش مستقیم و معکوس هوگستین با تقارن 1-متیل تیمین توضیح داده می شود: چرخش 180 درجه باعث می شود که اتم O2 جای اتم O4 را بگیرد، در حالی که سیستم پیوندهای هیدروژنی حفظ می شود.

دو نوع مارپیچ سه گانه شناخته شده است:

1. مارپیچ های سه گانه موازی که در آنها قطبیت رشته سوم با قطبیت زنجیره هوموپورین دوبلکس واتسون-کریک منطبق است.
2. مارپیچ های سه گانه ضد موازی که در آنها قطبیت های زنجیره سوم و هوموپورین متضاد هستند.

زنجیره های همولوگ شیمیایی در هر دو سه پلکس Py-Pu-Pu و Py-Pu-Py در جهت ضد موازی هستند. این بیشتر توسط داده های طیف سنجی NMR تایید شد.

جی کوادروپلکس- DNA 4 رشته ای. این ساختار در صورتی تشکیل می شود که چهار گوانین وجود داشته باشد که به اصطلاح G-quadruplex - یک رقص دور چهار گوانین را تشکیل می دهد.

اولین نکات در مورد امکان شکل گیری چنین ساختارهایی مدت ها قبل از پیشرفت واتسون و کریک - در سال 1910 - دریافت شد. سپس شیمیدان آلمانی ایوار بنگ کشف کرد که یکی از اجزای DNA - اسید گوانوسینیک - در غلظت های بالا ژل تشکیل می دهد، در حالی که سایر اجزای DNA این خاصیت را ندارند.

در سال 1962 با استفاده از روش پراش اشعه ایکس، امکان ایجاد ساختار سلولی این ژل فراهم شد. معلوم شد که از چهار باقیمانده گوانین تشکیل شده است که به صورت دایره ای به یکدیگر متصل شده و یک مربع مشخص را تشکیل می دهند. در مرکز، پیوند توسط یک یون فلزی (Na, K, Mg) پشتیبانی می شود. در صورتی که DNA حاوی مقدار زیادی گوانین باشد، همان ساختارها می توانند در DNA ایجاد شوند. این مربع های مسطح (کوارتت های G) برای تشکیل ساختارهای نسبتاً پایدار و متراکم (G-quadruplexes) روی هم چیده شده اند.

چهار رشته مجزا از DNA را می توان به کمپلکس های چهار رشته ای بافته کرد، اما این یک استثنا است. اغلب، یک رشته از اسید نوکلئیک به سادگی به یک گره گره می خورد و ضخیم شدن های مشخصی را ایجاد می کند (مثلاً در انتهای کروموزوم ها)، یا DNA دو رشته ای در برخی از مناطق غنی از گوانین، یک چهارگانه محلی را تشکیل می دهد.

وجود چهارگانه در انتهای کروموزوم ها - در تلومرها و در محرک های تومور - بیشتر مورد مطالعه قرار گرفته است. با این حال، تصویر کاملی از محلی سازی چنین DNA در کروموزوم های انسانی هنوز شناخته نشده است.

تمام این ساختارهای غیر معمول DNA به شکل خطی در مقایسه با DNA فرم B ناپایدار هستند. با این حال، DNA اغلب به شکل دایره‌ای از کشش توپولوژیکی وجود دارد که دارای چیزی باشد که ابرپیچ نامیده می‌شود. تحت این شرایط، ساختارهای غیر متعارف DNA به راحتی تشکیل می شوند: شکل های Z، "صلیب ها" و "پیچ های مو"، فرم های H، چهارگوش های گوانین و i-motif.

• شکل ابرپیچ - هنگامی که از هسته سلول آزاد می شود بدون آسیب رساندن به ستون فقرات پنتوز فسفات مشخص می شود. شکل حلقه های بسته فوق العاده پیچ خورده دارد. در حالت ابرپیچ، مارپیچ دوگانه DNA حداقل یک بار "روی خود پیچ ​​خورده" است، یعنی حداقل یک ابرچرخش دارد (شکل شکل هشت را به خود می گیرد).
• حالت آرام DNA - با یک شکست (شکستن یک رشته) مشاهده می شود. در این حالت ابرپیچ ها ناپدید می شوند و DNA به شکل یک حلقه بسته در می آید.
• شکل خطی DNA زمانی مشاهده می شود که دو رشته از یک مارپیچ دوتایی شکسته شوند.

هر سه شکل از این DNA به راحتی توسط ژل الکتروفورز جدا می شوند.

ساختار سوم DNA

ساختار سوم DNAدر نتیجه چرخش اضافی در فضای یک مولکول دو مارپیچ - ابرپیچ آن - تشکیل می شود. ابرپیچ شدن مولکول DNA در سلول های یوکاریوتی، بر خلاف پروکاریوت ها، به شکل کمپلکس هایی با پروتئین ها رخ می دهد.

تقریباً تمام DNA یوکاریوت‌ها در کروموزوم‌های هسته یافت می‌شود؛ فقط مقدار کمی در میتوکندری و در گیاهان در پلاستیدها وجود دارد. ماده اصلی کروموزوم های سلول های یوکاریوتی (از جمله کروموزوم های انسانی) کروماتین است که از DNA دو رشته ای، هیستون و پروتئین های غیر هیستونی تشکیل شده است.

پروتئین های هیستون کروماتین

هیستون ها پروتئین های ساده ای هستند که تا 50 درصد کروماتین را تشکیل می دهند. در تمام سلول های حیوانی و گیاهی مورد مطالعه، پنج کلاس اصلی هیستون یافت شد: H1، H2A، H2B، H3، H4، که از نظر اندازه، ترکیب اسید آمینه و بار (همیشه مثبت) متفاوت بودند.

هیستون H1 پستانداران از یک زنجیره پلی پپتیدی منفرد شامل تقریباً 215 اسید آمینه تشکیل شده است. اندازه هیستون های دیگر از 100 تا 135 اسید آمینه متفاوت است. همه آنها مارپیچی شده و به شکل یک کروی با قطر حدود 2.5 نانومتر پیچ خورده و حاوی مقدار غیرمعمول زیادی از اسیدهای آمینه با بار مثبت لیزین و آرژنین هستند. هیستون ها را می توان استیله، متیله، فسفریله، پلی(ADP)-ریبوسیله کرد و هیستون های H2A و H2B به صورت کووالانسی با یوبیکوئیتین مرتبط هستند. نقش چنین تغییراتی در شکل‌گیری ساختار و عملکرد هیستون‌ها هنوز به طور کامل مشخص نشده است. فرض بر این است که این توانایی آنها در تعامل با DNA و ارائه یکی از مکانیسم های تنظیم عملکرد ژن است.

هیستون ها عمدتاً از طریق پیوندهای یونی (پل های نمکی) که بین گروه های فسفات با بار منفی DNA و باقی مانده های لیزین و آرژنین هیستون ها با بار مثبت تشکیل شده اند، با DNA تعامل دارند.

پروتئین های کروماتین غیر هیستونی

پروتئین های غیر هیستونی، بر خلاف هیستون ها، بسیار متنوع هستند. تا 590 بخش مختلف از پروتئین های غیر هیستونی متصل به DNA جدا شده است. آنها همچنین پروتئین های اسیدی نامیده می شوند، زیرا ساختار آنها توسط اسیدهای آمینه اسیدی (آنها پلی آنیون ها) غالب است. تنوع پروتئین های غیر هیستونی با تنظیم خاصی از فعالیت کروماتین مرتبط است. به عنوان مثال، آنزیم های مورد نیاز برای همانندسازی و بیان DNA ممکن است به طور موقت به کروماتین متصل شوند. سایر پروتئین‌ها، مثلاً آنهایی که در فرآیندهای تنظیمی مختلف دخیل هستند، فقط در بافت‌های خاص یا در مراحل خاصی از تمایز به DNA متصل می‌شوند. هر پروتئین مکمل یک توالی خاص از نوکلئوتیدهای DNA (محل DNA) است. این گروه شامل:

• خانواده پروتئین های انگشت روی مخصوص سایت هر "انگشت روی" یک محل خاص متشکل از 5 جفت نوکلئوتید را تشخیص می دهد.
• خانواده پروتئین های سایت خاص - همودایمرها. قطعه ای از چنین پروتئینی در تماس با DNA دارای ساختار مارپیچ-گردش-مارپیچ است.
• پروتئین های ژل با تحرک بالا (پروتئین های HMG) گروهی از پروتئین های ساختاری و تنظیمی هستند که به طور مداوم با کروماتین در ارتباط هستند. آنها وزن مولکولی کمتر از 30 کیلو دالتون دارند و با محتوای بالای آمینو اسیدهای باردار مشخص می شوند. پروتئین های HMG به دلیل وزن مولکولی کم، تحرک بالایی در طول الکتروفورز ژل پلی آکریل آمید دارند.
• آنزیم های تکثیر، رونویسی و ترمیم.

با مشارکت پروتئین‌های ساختاری، تنظیم‌کننده و آنزیم‌های دخیل در سنتز DNA و RNA، رشته نوکلئوزوم به مجموعه‌ای بسیار متراکم از پروتئین‌ها و DNA تبدیل می‌شود. ساختار حاصل 10000 برابر کوتاهتر از مولکول DNA اصلی است.

کروماتین

کروماتین مجموعه ای از پروتئین ها با DNA هسته ای و مواد معدنی است. بخش عمده ای از کروماتین غیر فعال است. حاوی DNA فشرده و فشرده است. این هتروکروماتین است. کروماتین سازنده و غیر فعال ژنتیکی (DNA ماهواره ای) متشکل از نواحی بیان نشده، و اختیاری - غیر فعال در تعدادی از نسل ها، اما تحت شرایط خاص قادر به بیان وجود دارد.

کروماتین فعال (euchromatin) متراکم نشده است، یعنی. کمتر محکم بسته بندی شده است. در سلول های مختلف محتوای آن از 2 تا 11 درصد متغیر است. در سلول های مغز فراوان ترین است - 10-11٪، در سلول های کبد - 3-4 و سلول های کلیه - 2-3٪. رونویسی فعال یوکروماتین ذکر شده است. علاوه بر این، سازماندهی ساختاری آن اجازه می دهد تا از اطلاعات ژنتیکی یکسانی که در یک نوع معین از ارگانیسم وجود دارد، در سلول های تخصصی استفاده شود.

در یک میکروسکوپ الکترونی، تصویر کروماتین شبیه مهره‌هایی است: ضخامت‌های کروی به اندازه حدود 10 نانومتر، که توسط پل‌های نخ مانند از هم جدا شده‌اند. به این ضخامت های کروی، نوکلئوزوم می گویند. نوکلئوزوم یک واحد ساختاری کروماتین است. هر نوکلئوزوم حاوی یک قطعه DNA ابرپیچ‌پیچ 146 جفت باز است که 1.75 چرخش به چپ در هر هسته نوکلئوزومی ایجاد می‌کند. هسته نوکلئوزومی یک اکتامر هیستونی است متشکل از هیستون های H2A، H2B، H3 و H4، دو مولکول از هر نوع (شکل 9)، که شبیه دیسکی با قطر 11 نانومتر و ضخامت 5.7 نانومتر است. هیستون پنجم، H1، بخشی از هسته نوکلئوزومی نیست و در فرآیند پیچاندن DNA روی اکتامر هیستونی دخالتی ندارد. در محل هایی که مارپیچ دوگانه وارد هسته نوکلئوزومی شده و از آن خارج می شود با DNA تماس می گیرد. اینها بخشهای DNA intercore (پیوند دهنده) هستند که طول آنها بسته به نوع سلول از 40 تا 50 جفت نوکلئوتیدی متفاوت است. در نتیجه، طول قطعه DNA موجود در نوکلئوزوم ها نیز متفاوت است (از 186 تا 196 جفت نوکلئوتید).

نوکلئوزوم ها تقریباً 90٪ DNA دارند و بقیه پیوند دهنده ها هستند. اعتقاد بر این است که نوکلئوزوم ها قطعاتی از کروماتین "ساکت" هستند و پیوند دهنده فعال است. با این حال، نوکلئوزوم ها می توانند باز شوند و خطی شوند. نوکلئوزوم های باز شده در حال حاضر کروماتین فعال هستند. این به وضوح وابستگی عملکرد به ساختار را نشان می دهد. می توان فرض کرد که هر چه کروماتین در نوکلئوزوم های کروی بیشتر باشد، فعالیت آن کمتر است. بدیهی است که در سلول های مختلف نسبت نابرابر کروماتین در حال استراحت با تعداد این نوکلئوزوم ها مرتبط است.

در عکس های میکروسکوپی الکترونی، بسته به شرایط جداسازی و میزان کشش، کروماتین می تواند نه تنها به عنوان یک رشته طولانی با ضخیم شدن - "دانه های" نوکلئوزوم ها، بلکه به عنوان یک فیبریل (فیبر) کوتاه تر و متراکم تر با قطر ظاهر شود. 30 نانومتر، تشکیل آن در حین تعامل مشاهده می شود که هیستون H1 به ناحیه پیوند دهنده DNA و هیستون H3 متصل می شود، که منجر به پیچش اضافی مارپیچ شش نوکلئوزوم در هر نوبت برای تشکیل یک سولنوئید با قطر 30 نانومتر می شود. در این حالت، پروتئین هیستون می تواند در رونویسی تعدادی از ژن ها اختلال ایجاد کند و در نتیجه فعالیت آنها را تنظیم کند.

در نتیجه برهمکنش‌های DNA با هیستون‌هایی که در بالا توضیح داده شد، بخشی از یک مارپیچ دوگانه DNA با 186 جفت باز با قطر متوسط ​​2 نانومتر و طول 57 نانومتر به مارپیچ با قطر 10 نانومتر تبدیل می‌شود. طول 5 نانومتر هنگامی که این مارپیچ متعاقباً به فیبری با قطر 30 نانومتر فشرده می شود، درجه تراکم شش برابر افزایش می یابد.

در نهایت، بسته بندی یک DNA دوبلکس با پنج هیستون منجر به تراکم 50 برابری DNA می شود. با این حال، حتی چنین درجه بالایی از تراکم نمی تواند تراکم تقریباً 50000 تا 100000 برابری DNA در کروموزوم متافاز را توضیح دهد. متأسفانه، جزئیات بیشتر بسته بندی کروماتین تا کروموزوم متافاز هنوز مشخص نیست، بنابراین ما فقط می توانیم ویژگی های کلی این فرآیند را در نظر بگیریم.

سطوح تراکم DNA در کروموزوم ها

هر مولکول DNA در یک کروموزوم جداگانه بسته بندی می شود. سلول های دیپلوئید انسانی حاوی 46 کروموزوم هستند که در هسته سلول قرار دارند. طول کل DNA همه کروموزوم های یک سلول 1.74 متر است، اما قطر هسته ای که کروموزوم ها در آن بسته بندی شده اند میلیون ها بار کوچکتر است. چنین بسته بندی فشرده ای از DNA در کروموزوم ها و کروموزوم ها در هسته سلول توسط انواع پروتئین های هیستونی و غیرهیستونی که در یک توالی خاص با DNA برهمکنش می کنند تضمین می شود (به بالا مراجعه کنید). فشرده سازی DNA در کروموزوم ها باعث می شود که ابعاد خطی آن تقریباً 10000 برابر کاهش یابد - تقریباً از 5 سانتی متر تا 5 میکرون. چندین سطح از تراکم وجود دارد (شکل 10).

• مارپیچ دوگانه DNA یک مولکول با بار منفی با قطر 2 نانومتر و طول چند سانتی متر است.
• سطح نوکلئوزومی- کروماتین در یک میکروسکوپ الکترونی به عنوان زنجیره ای از "دانه ها" - نوکلئوزوم ها - "روی یک نخ" به نظر می رسد. نوکلئوزوم یک واحد ساختاری جهانی است که هم در یوکروماتین و هم در هتروکروماتین، در هسته اینترفاز و کروموزوم‌های متافاز یافت می‌شود.

  سطح تراکم نوکلئوزومی توسط پروتئین های ویژه - هیستون ها تضمین می شود. هشت حوزه هیستونی با بار مثبت هسته نوکلئوزومی را تشکیل می دهند که یک مولکول DNA با بار منفی در اطراف آن زخمی شده است. این باعث کوتاه شدن 7 برابر می شود، در حالی که قطر از 2 به 11 نانومتر افزایش می یابد.

• سطح شیر برقی

  سطح سولنوئید سازمان کروموزوم با پیچ خوردن رشته نوکلئوزوم و تشکیل فیبریل های ضخیم تر به قطر 20-35 نانومتر - سولنوئیدها یا سوپربایدها مشخص می شود. گام سولنوئید 11 نانومتر است؛ حدود 6-10 نوکلئوزوم در هر نوبت وجود دارد. بسته بندی سولنوئیدی محتمل تر از بسته بندی فوق العاده در نظر گرفته می شود که بر اساس آن یک فیبریل کروماتین با قطر 20-35 نانومتر زنجیره ای از گرانول ها یا سوپربایدها است که هر کدام از هشت نوکلئوزوم تشکیل شده است. در سطح سولنوئید، اندازه خطی DNA 6-10 برابر کاهش می یابد، قطر به 30 نانومتر افزایش می یابد.

• سطح حلقه

  سطح حلقه توسط پروتئین های متصل شونده به DNA غیر هیستونی اختصاص داده می شود که توالی های DNA خاصی را تشخیص داده و به آن متصل می شوند و حلقه هایی با حدود 30-300 کیلوبایت تشکیل می دهند. حلقه بیان ژن را تضمین می کند، یعنی. حلقه نه تنها یک ساختار ساختاری، بلکه یک شکل گیری عملکردی است. کوتاه شدن در این سطح 20-30 بار رخ می دهد. قطر به 300 نانومتر افزایش می یابد. ساختارهای حلقه ای مانند "برس های لامپ" در تخمک های دوزیستان را می توان در آماده سازی سیتولوژی مشاهده کرد. به نظر می رسد این حلقه ها ابرپیچ هستند و حوزه های DNA را نشان می دهند که احتمالاً مربوط به واحدهای رونویسی و همانندسازی کروماتین هستند. پروتئین های خاص پایه حلقه ها و احتمالاً برخی از بخش های داخلی آنها را ثابت می کنند. سازماندهی دامنه حلقه مانند تاخوردگی کروماتین را در کروموزوم های متافاز به ساختارهای مارپیچ با مرتبه بالاتر ترویج می کند.

• سطح دامنه

  سطح دامنه سازماندهی کروموزوم به اندازه کافی مورد مطالعه قرار نگرفته است. در این سطح، تشکیل دامنه های حلقه ذکر شده است - ساختارهای رشته ها (فیبریل ها) به ضخامت 25-30 نانومتر، که حاوی 60٪ پروتئین، 35٪ DNA و 5٪ RNA هستند، عملاً در تمام مراحل چرخه سلولی نامرئی هستند. به استثنای میتوز و تا حدودی به طور تصادفی در سراسر هسته سلول توزیع می شوند. ساختارهای حلقه ای مانند "برس های لامپ" در تخمک های دوزیستان را می توان در آماده سازی سیتولوژی مشاهده کرد.

  دامنه‌های حلقه در پایه خود به ماتریکس پروتئین درون هسته‌ای در به اصطلاح مکان‌های پیوست داخلی متصل می‌شوند، که اغلب به عنوان توالی‌های MAR/SAR شناخته می‌شوند (MAR، از ناحیه مرتبط با ماتریس انگلیسی؛ SAR، از مناطق اتصال داربست انگلیسی) - قطعات DNA چند صد جفت باز طولی که با محتوای بالای (بیش از 65٪) از جفت های نوکلئوتیدی A/T مشخص می شود. به نظر می رسد هر حوزه دارای یک منشاء تکثیر است و به عنوان یک واحد ابرمارپیچ مستقل عمل می کند. هر دامنه حلقه شامل واحدهای رونویسی زیادی است که عملکرد آنها احتمالاً هماهنگ است - کل دامنه یا در حالت فعال یا غیرفعال است.

  در سطح دامنه، در نتیجه بسته بندی متوالی کروماتین، کاهش ابعاد خطی DNA تقریباً 200 برابر (700 نانومتر) رخ می دهد.

• سطح کروموزومی

  در سطح کروموزومی، تراکم کروموزوم پروفاز به کروموزوم متافاز با فشردگی دامنه های حلقه در اطراف چارچوب محوری پروتئین های غیر هیستونی رخ می دهد. این ابرپیچش با فسفوریلاسیون تمام مولکول های H1 در سلول همراه است. در نتیجه، کروموزوم متافاز را می توان به صورت حلقه های الکترومغناطیسی متراکم، که به صورت مارپیچ محکم پیچیده شده اند، نشان داد. یک کروموزوم انسانی معمولی می تواند تا 2600 حلقه داشته باشد. ضخامت چنین ساختاری به 1400 نانومتر (دو کروماتید) می رسد و مولکول DNA 104 برابر کوتاه می شود، یعنی. از 5 سانتی متر DNA کشیده تا 5 میکرومتر.

عملکرد کروموزوم ها

در تعامل با مکانیسم های خارج کروموزومی، کروموزوم ها فراهم می کنند

1. ذخیره سازی اطلاعات ارثی
2. استفاده از این اطلاعات برای ایجاد و حفظ سازمان سلولی
3. تنظیم خواندن اطلاعات ارثی
4. خود تکراری مواد ژنتیکی
5. انتقال ماده ژنتیکی از سلول مادر به سلول دختر

شواهدی وجود دارد که نشان می دهد وقتی ناحیه ای از کروماتین فعال می شود، به عنوان مثال. در طول رونویسی، ابتدا هیستون H1 و سپس اکتت هیستون به طور برگشت پذیر از آن حذف می شود. این باعث تراکم زدایی کروماتین، انتقال متوالی فیبریل کروماتین 30 نانومتری به فیبریل 10 نانومتری و باز شدن بیشتر آن در بخش‌هایی از DNA آزاد می‌شود، به عنوان مثال. از دست دادن ساختار نوکلئوزومی

پس از کشف اصل سازماندهی مولکولی ماده ای مانند DNA در سال 1953، زیست شناسی مولکولی شروع به توسعه کرد. بیشتر در فرآیند تحقیق، دانشمندان متوجه شدند که چگونه DNA دوباره ترکیب می شود، ترکیب آن و ساختار ژنوم انسان ما چگونه است.

هر روز، فرآیندهای پیچیده در سطح مولکولی رخ می دهد. ساختار مولکول DNA چگونه است، از چه چیزی تشکیل شده است؟ و مولکول های DNA چه نقشی در یک سلول دارند؟ بیایید با جزئیات در مورد تمام فرآیندهایی که در داخل زنجیره دوگانه رخ می دهند صحبت کنیم.

اطلاعات ارثی چیست؟

پس همه چیز از کجا شروع شد؟ در سال 1868 آنها آن را در هسته باکتری ها یافتند. و در سال 1928، N. Koltsov این نظریه را مطرح کرد که تمام اطلاعات ژنتیکی در مورد یک موجود زنده در DNA رمزگذاری شده است. سپس J. Watson و F. Crick در سال 1953 مدلی برای مارپیچ DNA که اکنون شناخته شده است، پیدا کردند، که برای آن به شایستگی به رسمیت شناختن و جایزه دریافت کردند - جایزه نوبل.

به هر حال DNA چیست؟ این ماده از 2 رشته یا به عبارت بهتر مارپیچ تشکیل شده است. بخشی از چنین زنجیره ای با اطلاعات معین، ژن نامیده می شود.

DNA تمام اطلاعات مربوط به اینکه چه نوع پروتئین و به چه ترتیبی تشکیل می شود را ذخیره می کند. ماکرومولکول DNA حامل ماده ای از اطلاعات فوق العاده حجیم است که در یک توالی دقیق از آجرهای منفرد - نوکلئوتیدها ثبت می شود. در کل 4 نوکلئوتید وجود دارد که از نظر شیمیایی و هندسی مکمل یکدیگر هستند. این اصل مکمل یا مکمل در علم بعدا توضیح داده خواهد شد. این قانون در رمزگذاری و رمزگشایی اطلاعات ژنتیکی نقش اساسی دارد.

از آنجایی که رشته DNA فوق العاده طولانی است، هیچ تکراری در این دنباله وجود ندارد. هر موجود زنده ای رشته DNA منحصر به فرد خود را دارد.

توابع DNA

کارکردها شامل ذخیره سازی اطلاعات ارثی و انتقال آن به فرزندان است. بدون این عملکرد، ژنوم یک گونه نمی تواند در طول هزاران سال حفظ و توسعه یابد. ارگانیسم هایی که دچار جهش های ژنی شدید شده اند به احتمال زیاد زنده نمی مانند یا توانایی تولید فرزندان را از دست می دهند. به این ترتیب حفاظت طبیعی در برابر انحطاط گونه رخ می دهد.

یکی دیگر از عملکردهای ضروری، پیاده سازی اطلاعات ذخیره شده است. یک سلول نمی تواند بدون دستورالعمل هایی که در یک زنجیره دوگانه ذخیره می شوند، یک پروتئین حیاتی ایجاد کند.

ترکیب اسید نوکلئیک

اکنون به طور قطع مشخص شده است که خود نوکلئوتیدها - بلوک های سازنده DNA - از چه ساخته شده اند. آنها حاوی 3 ماده هستند:

• اسید اورتوفسفریک.
• پایه نیتروژنی پایه های پیریمیدین - که فقط یک حلقه دارند. اینها شامل تیمین و سیتوزین است. پایه های پورین که شامل 2 حلقه است. اینها گوانین و آدنین هستند.
• ساکارز. DNA حاوی دئوکسی ریبوز و RNA حاوی ریبوز است.

تعداد نوکلئوتیدها همیشه برابر با تعداد بازهای نیتروژنی است. در آزمایشگاه های ویژه، نوکلئوتید تجزیه شده و پایه نیتروژنی از آن جدا می شود. به این ترتیب خصوصیات فردی این نوکلئوتیدها و جهش های احتمالی در آنها بررسی می شود.

سطوح سازماندهی اطلاعات ارثی

3 سطح سازمان وجود دارد: ژنتیکی، کروموزومی و ژنومی. تمام اطلاعات مورد نیاز برای سنتز یک پروتئین جدید در بخش کوچکی از زنجیره - ژن - موجود است. یعنی ژن پایین ترین و ساده ترین سطح رمزگذاری اطلاعات در نظر گرفته می شود.

ژن ها به نوبه خود در کروموزوم ها جمع می شوند. به لطف این سازمان حامل مواد ارثی، گروه هایی از ویژگی ها مطابق قوانین خاصی متناوب می شوند و از نسلی به نسل دیگر منتقل می شوند. لازم به ذکر است که تعداد باورنکردنی ژن در بدن وجود دارد، اما اطلاعات حتی با چند بار ترکیب مجدد از بین نمی رود.

چندین نوع ژن وجود دارد:

• با توجه به هدف عملکردی آنها، 2 نوع وجود دارد: توالی ساختاری و تنظیمی.
• بر اساس تأثیر آنها بر فرآیندهای رخ داده در سلول، آنها ژن های فوق حیاتی، کشنده، کشنده شرطی و همچنین ژن های جهش دهنده و ضد جهش را تشخیص می دهند.

ژن ها در امتداد کروموزوم به ترتیب خطی مرتب شده اند. در کروموزوم ها، اطلاعات به طور تصادفی متمرکز نمی شوند، نظم خاصی وجود دارد. حتی نقشه ای وجود دارد که موقعیت یا جایگاه ژن ها را نشان می دهد. برای مثال، مشخص است که کروموزوم شماره 18 داده‌های مربوط به رنگ چشم‌های کودک را رمزگذاری می‌کند.

ژنوم چیست؟ این نامی است که به کل مجموعه توالی های نوکلئوتیدی در سلول یک موجود زنده داده می شود. ژنوم یک گونه کامل را مشخص می کند نه یک فرد.

کد ژنتیکی انسان چیست؟

واقعیت این است که کل پتانسیل عظیم توسعه انسانی از قبل در دوره مفهوم نهفته است. تمام اطلاعات ارثی که برای رشد زیگوت و رشد کودک پس از تولد ضروری است در ژن ها رمزگذاری شده است. بخش های DNA ابتدایی ترین حامل اطلاعات ارثی هستند.

انسان ها 46 کروموزوم یا 22 جفت جسمی به اضافه یک کروموزوم تعیین کننده جنسیت از هر والدین دارند. این مجموعه دیپلوئیدی از کروموزوم ها کل ظاهر فیزیکی یک فرد، توانایی های ذهنی و جسمی و استعداد ابتلا به بیماری ها را رمزگذاری می کند. کروموزوم های سوماتیک از نظر ظاهری غیرقابل تشخیص هستند، اما اطلاعات متفاوتی دارند، زیرا یکی از آنها از پدر و دیگری از مادر است.

کد مذکر با کد ماده در آخرین جفت کروموزوم - XY متفاوت است. مجموعه دیپلوئید ماده آخرین جفت، XX است. مردان یک کروموزوم X را از مادر بیولوژیکی خود دریافت می کنند که سپس به دخترانشان منتقل می شود. کروموزوم جنسی Y به پسران منتقل می شود.

کروموزوم های انسان از نظر اندازه بسیار متفاوت هستند. به عنوان مثال، کوچکترین جفت کروموزوم شماره 17 است. و بزرگترین جفت 1 و 3 است.

قطر مارپیچ دوگانه در انسان تنها 2 نانومتر است. DNA به قدری محکم پیچیده شده است که درون هسته کوچک یک سلول قرار می گیرد، اگرچه اگر پیچ خورده نشود تا 2 متر طول خواهد داشت. طول مارپیچ صدها میلیون نوکلئوتید است.

کد ژنتیکی چگونه منتقل می شود؟

بنابراین، مولکول های DNA چه نقشی در تقسیم سلولی دارند؟ ژن ها - حامل اطلاعات ارثی - در داخل هر سلول بدن قرار دارند. بسیاری از موجودات برای انتقال کد خود به ارگانیسم دختر، DNA خود را به 2 مارپیچ یکسان تقسیم می کنند. به این میگن تکثیر. در طول فرآیند همانند سازی، DNA باز می شود و "ماشین های" ویژه هر رشته را تکمیل می کنند. پس از دوشاخه شدن مارپیچ ژنتیکی، هسته و تمام اندامک ها و سپس کل سلول شروع به تقسیم می کنند.

اما انسان فرآیند انتقال ژن متفاوتی دارد - جنسی. ویژگی های پدر و مادر مخلوط است، کد ژنتیکی جدید حاوی اطلاعاتی از هر دو والدین است.

ذخیره و انتقال اطلاعات ارثی به دلیل سازماندهی پیچیده مارپیچ DNA امکان پذیر است. به هر حال، همانطور که گفتیم، ساختار پروتئین ها در ژن ها رمزگذاری شده است. هنگامی که در زمان لقاح ایجاد شد، این کد در طول زندگی خود را کپی می کند. کاریوتیپ (مجموعه شخصی کروموزوم ها) در طول تجدید سلول های اندام تغییر نمی کند. انتقال اطلاعات با کمک گامت های جنسی - نر و ماده انجام می شود.

فقط ویروس های حاوی یک رشته RNA قادر به انتقال اطلاعات خود به فرزندان خود نیستند. بنابراین برای تولید مثل به سلول های انسانی یا حیوانی نیاز دارند.

پیاده سازی اطلاعات ارثی

فرآیندهای مهم به طور مداوم در هسته سلول رخ می دهد. تمام اطلاعات ثبت شده در کروموزوم ها برای ساخت پروتئین از اسیدهای آمینه استفاده می شود. اما زنجیره DNA هرگز هسته را ترک نمی کند، بنابراین به کمک یک ترکیب مهم دیگر نیاز دارد: RNA. این RNA است که قادر به نفوذ به غشای هسته و تعامل با زنجیره DNA است.

از طریق تعامل DNA و 3 نوع RNA، تمام اطلاعات رمزگذاری شده محقق می شود. اجرای اطلاعات ارثی در چه سطحی اتفاق می افتد؟ تمام فعل و انفعالات در سطح نوکلئوتید رخ می دهد. RNA پیام رسان بخشی از زنجیره DNA را کپی می کند و این کپی را به ریبوزوم می آورد. در اینجا سنتز یک مولکول جدید از نوکلئوتیدها آغاز می شود.

برای اینکه mRNA قسمت ضروری زنجیره را کپی کند، مارپیچ باز می شود و پس از تکمیل فرآیند رمزگذاری مجدد، دوباره بازیابی می شود. علاوه بر این، این فرآیند می تواند به طور همزمان در 2 طرف از 1 کروموزوم رخ دهد.

اصل مکمل بودن

آنها از 4 نوکلئوتید تشکیل شده اند - آدنین (A)، گوانین (G)، سیتوزین (C)، تیمین (T). آنها با پیوندهای هیدروژنی بر اساس قانون مکمل به هم متصل می شوند. کار E. Chargaff به ایجاد این قانون کمک کرد، زیرا دانشمند متوجه الگوهایی در رفتار این مواد شد. E. Chargaff کشف کرد که نسبت مولی آدنین به تیمین برابر با یک است. و به همین ترتیب نسبت گوانین به سیتوزین همیشه برابر با یک است.

بر اساس کار او، ژنتیک دانان قانونی برای برهمکنش نوکلئوتیدها تشکیل دادند. قانون مکملیت بیان می کند که آدنین فقط با تیمین ترکیب می شود و گوانین فقط با سیتوزین ترکیب می شود. در طی رمزگشایی مارپیچ و سنتز یک پروتئین جدید در ریبوزوم، این قانون تناوب به یافتن سریع اسید آمینه لازم که به RNA انتقالی متصل است کمک می کند.

RNA و انواع آن

اطلاعات ارثی چیست؟ نوکلئوتیدها در یک دو رشته DNA RNA چیست؟ شغلش چیه؟ RNA یا اسید ریبونوکلئیک به استخراج اطلاعات از DNA، رمزگشایی آن و بر اساس اصل مکمل بودن، ایجاد پروتئین های ضروری برای سلول ها کمک می کند.

در کل 3 نوع RNA وجود دارد. هر یک از آنها به شدت عملکرد خود را انجام می دهد.

1. اطلاعاتی (mRNA)، یا ماتریس نیز نامیده می شود. مستقیماً به مرکز سلول، به درون هسته می رود. در یکی از کروموزوم ها ماده ژنتیکی لازم برای ساخت پروتئین را پیدا می کند و یکی از اضلاع رشته دوتایی را کپی می کند. کپی برداری دوباره طبق اصل مکملیت اتفاق می افتد.
2. حمل و نقلیک مولکول کوچک است که در یک طرف دارای رمزگشاهای نوکلئوتیدی و در طرف دیگر اسیدهای آمینه مربوط به کد پایه است. وظیفه tRNA این است که آن را به "کارگاه"، یعنی به ریبوزوم برساند، جایی که اسید آمینه لازم را سنتز می کند.
3. rRNA ریبوزومی است.مقدار پروتئین تولید شده را کنترل می کند. از 2 قسمت تشکیل شده است - یک اسید آمینه و یک بخش پپتید.

تنها تفاوت در رمزگشایی این است که RNA تیمین ندارد. به جای تیمین، اوراسیل در اینجا وجود دارد. اما پس از آن، در طول فرآیند سنتز پروتئین، tRNA هنوز به درستی تمام اسیدهای آمینه را نصب می کند. اگر هر گونه شکستی در رمزگشایی اطلاعات رخ دهد، یک جهش رخ می دهد.

ترمیم مولکول DNA آسیب دیده

فرآیند بازیابی یک رشته دوگانه آسیب دیده تعمیر نامیده می شود. در طول فرآیند ترمیم، ژن های آسیب دیده حذف می شوند.

سپس توالی مورد نیاز عناصر دقیقاً تکثیر شده و به همان مکان روی زنجیره که از آنجا برداشته شده است برش داده می شود. همه اینها به لطف مواد شیمیایی خاص - آنزیم ها اتفاق می افتد.

چرا جهش رخ می دهد؟

چرا برخی از ژن ها شروع به جهش می کنند و عملکرد خود را - ذخیره اطلاعات ارثی حیاتی - متوقف می کنند؟ این به دلیل خطا در رمزگشایی رخ می دهد. به عنوان مثال، اگر آدنین به طور تصادفی با تیمین جایگزین شود.

جهش های کروموزومی و ژنومی نیز وجود دارد. جهش‌های کروموزومی زمانی اتفاق می‌افتند که بخش‌هایی از اطلاعات ارثی از بین می‌روند، تکرار می‌شوند یا حتی به کروموزوم دیگری وارد می‌شوند.

جهش های ژنومی جدی ترین هستند. علت آنها تغییر در تعداد کروموزوم ها است. یعنی وقتی به جای یک جفت - یک مجموعه دیپلوئید، یک مجموعه تریپلوئید در کاریوتیپ وجود دارد.

معروف ترین نمونه جهش تریپلوئید سندرم داون است که در آن مجموعه شخصی کروموزوم ها 47 است. در چنین کودکانی 3 کروموزوم به جای جفت 21 تشکیل می شود.

همچنین یک جهش شناخته شده به نام پلی پلوئیدی وجود دارد. اما پلی پلوئیدی فقط در گیاهان رخ می دهد.

مولکول DNA از دو رشته تشکیل شده است که یک مارپیچ دوتایی را تشکیل می دهند. ساختار آن برای اولین بار توسط فرانسیس کریک و جیمز واتسون در سال 1953 رمزگشایی شد.

در ابتدا، مولکول DNA، متشکل از یک جفت زنجیره نوکلئوتیدی که به دور یکدیگر پیچ خورده اند، باعث ایجاد سؤالاتی در مورد اینکه چرا این شکل خاص را دارد، ایجاد شد. دانشمندان این پدیده را مکملی می نامند، به این معنی که فقط نوکلئوتیدهای خاصی را می توان در مقابل یکدیگر در رشته های آن یافت. به عنوان مثال، آدنین همیشه در مقابل تیمین قرار دارد و گوانین همیشه در مقابل سیتوزین قرار دارد. این نوکلئوتیدهای مولکول DNA مکمل نامیده می شوند.

به طور شماتیک به این صورت نشان داده شده است:

T - A

ج - جی

این جفت ها یک پیوند نوکلئوتیدی شیمیایی تشکیل می دهند که ترتیب اسیدهای آمینه را تعیین می کند. در مورد اول کمی ضعیف تر است. ارتباط بین C و G قوی تر است. نوکلئوتیدهای غیر مکمل با یکدیگر جفت تشکیل نمی دهند.

در مورد ساختمان

بنابراین، ساختار مولکول DNA خاص است. به دلیلی این شکل را دارد: واقعیت این است که تعداد نوکلئوتیدها بسیار زیاد است و فضای زیادی برای قرار دادن زنجیره های بلند مورد نیاز است. به همین دلیل است که زنجیره ها با پیچش مارپیچی مشخص می شوند. این پدیده مارپیچی نامیده می شود، این اجازه می دهد تا نخ ها حدود پنج تا شش برابر کوتاه شوند.

بدن از برخی مولکول های این نوع بسیار فعال استفاده می کند، برخی دیگر به ندرت. دومی، علاوه بر مارپیچی، همچنین تحت چنین "بسته بندی فشرده" مانند superspiralization قرار می گیرد. و سپس طول مولکول DNA 25-30 برابر کاهش می یابد.

"بسته بندی" یک مولکول چیست؟

فرآیند ابرپیچ شدن شامل پروتئین های هیستون است. آنها ساختار و ظاهر یک قرقره از نخ یا یک میله را دارند. نخ های مارپیچی روی آنها پیچیده می شود، که بلافاصله "به طور فشرده" بسته بندی می شوند و فضای کمی را اشغال می کنند. هنگامی که نیاز به استفاده از یک یا آن نخ وجود دارد، از یک قرقره، به عنوان مثال، یک پروتئین هیستون، باز می شود و مارپیچ به دو زنجیره موازی باز می شود. زمانی که مولکول DNA در این حالت قرار دارد، می توان داده های ژنتیکی لازم را از روی آن خواند. با این حال، یک شرط وجود دارد. به دست آوردن اطلاعات تنها در صورتی امکان پذیر است که ساختار مولکول DNA شکلی بدون پیچش داشته باشد. کروموزوم هایی که برای خواندن قابل دسترسی هستند، یوکروماتین نامیده می شوند، و اگر آنها ابرپیچ هستند، پس از قبل هتروکروماتین هستند.

اسیدهای نوکلئیک

اسیدهای نوکلئیک مانند پروتئین ها بیوپلیمر هستند. عملکرد اصلی ذخیره، اجرا و انتقال ارثی (اطلاعات ژنتیکی) است. آنها در دو نوع وجود دارند: DNA و RNA (دئوکسی ریبونوکلئیک و ریبونوکلئیک). مونومرهای موجود در آنها نوکلئوتیدهایی هستند که هر کدام حاوی یک باقیمانده اسید فسفریک، یک قند پنج کربنه (دئوکسی ریبوز/ریبوز) و یک باز نیتروژنی است. کد DNA شامل 4 نوع نوکلئوتید است - آدنین (A) / گوانین (G) / سیتوزین (C) / تیمین (T). آنها در پایه نیتروژنی که دارند متفاوت هستند.

در یک مولکول DNA، تعداد نوکلئوتیدها می تواند بسیار زیاد باشد - از چند هزار تا ده ها و صدها میلیون. چنین مولکول های غول پیکری را می توان از طریق میکروسکوپ الکترونی بررسی کرد. در این صورت شما قادر خواهید بود زنجیره دوگانه ای از رشته های پلی نوکلئوتیدی را مشاهده کنید که توسط پیوندهای هیدروژنی پایه های نیتروژنی نوکلئوتیدها به یکدیگر متصل شده اند.

پژوهش

در طول تحقیقات، دانشمندان دریافتند که انواع مولکول های DNA در موجودات زنده مختلف متفاوت است. همچنین مشخص شد که گوانین یک زنجیره فقط می تواند به سیتوزین و تیمین به آدنین متصل شود. آرایش نوکلئوتیدها در یک زنجیره کاملاً با زنجیره موازی مطابقت دارد. به لطف این مکمل بودن پلی نوکلئوتیدها، مولکول DNA قادر به دو برابر شدن و بازتولید خود است. اما ابتدا زنجیره های مکمل تحت تأثیر آنزیم های خاصی که نوکلئوتیدهای جفت را از بین می برند، واگرا می شوند و سپس در هر یک از آنها سنتز زنجیره گم شده آغاز می شود. این به دلیل وجود نوکلئوتیدهای آزاد در مقادیر زیاد در هر سلول است. در نتیجه به جای "مولکول مادر" دو "دختر" از نظر ترکیب و ساختار یکسان تشکیل می شود و کد DNA به کد اصلی تبدیل می شود. این فرآیند پیشروی برای تقسیم سلولی است. انتقال تمام داده های ارثی از سلول های مادر به سلول های دختر و همچنین به تمام نسل های بعدی را تضمین می کند.

کد ژن چگونه خوانده می شود؟

امروزه نه تنها جرم یک مولکول DNA محاسبه می شود - همچنین می توان داده های پیچیده تری را که قبلاً برای دانشمندان غیرقابل دسترسی بود، کشف کرد. به عنوان مثال، می توانید اطلاعاتی در مورد نحوه استفاده یک موجود زنده از سلول خود بخوانید. البته در ابتدا این اطلاعات به صورت کدگذاری شده و به شکل ماتریس خاصی است و بنابراین باید به حامل خاصی که RNA است منتقل شود. ریبونوکلئیک اسید قادر است از طریق غشای هسته ای به داخل سلول نفوذ کند و اطلاعات رمزگذاری شده درون آن را بخواند. بنابراین، RNA حامل داده های پنهان از هسته به سلول است و تفاوت آن با DNA در این است که به جای دئوکسی ریبوز، ریبوز و به جای تیمین اوراسیل دارد. علاوه بر این، RNA تک رشته ای است.

سنتز RNA

تجزیه و تحلیل عمیق DNA نشان داده است که پس از خروج RNA از هسته، وارد سیتوپلاسم می شود، جایی که می تواند به عنوان یک ماتریکس در ریبوزوم ها (سیستم های آنزیمی خاص) ادغام شود. با هدایت اطلاعات دریافتی، آنها می توانند توالی مناسب اسیدهای آمینه پروتئین را سنتز کنند. ریبوزوم از کد سه گانه یاد می گیرد که کدام نوع ترکیب آلی باید به زنجیره پروتئینی تشکیل دهنده متصل شود. هر اسید آمینه سه گانه خاص خود را دارد که آن را رمزگذاری می کند.

پس از تکمیل تشکیل زنجیره، شکل فضایی خاصی به خود می گیرد و به پروتئینی تبدیل می شود که قادر به انجام عملکردهای هورمونی، ساختمانی، آنزیمی و سایر عملکردهای خود است. برای هر موجود زنده ای یک محصول ژنی است. از آن است که انواع کیفیت ها، خواص و مظاهر ژن ها مشخص می شود.

ژن ها

فرآیندهای توالی یابی در درجه اول برای به دست آوردن اطلاعاتی در مورد تعداد ژن های یک مولکول DNA در ساختار خود ایجاد شدند. و اگرچه تحقیقات به دانشمندان این امکان را داده است که در این زمینه پیشرفت زیادی داشته باشند، هنوز نمی توان تعداد دقیق آنها را دانست.

همین چند سال پیش فرض بر این بود که مولکول های DNA تقریباً 100 هزار ژن دارند. کمی بعد این رقم به 80 هزار کاهش یافت و در سال 1998 متخصصان ژنتیک اعلام کردند که تنها 50 هزار ژن در یک DNA وجود دارد که تنها 3٪ از کل طول DNA را تشکیل می دهد. اما آخرین نتیجه گیری ژنتیک دانان قابل توجه بود. اکنون آنها ادعا می کنند که ژنوم شامل 25-40 هزار واحد از این واحدها است. به نظر می رسد که تنها 1.5 درصد از DNA کروموزومی مسئول کدگذاری پروتئین ها است.

تحقیقات به همین جا ختم نشد. یک تیم موازی از متخصصان مهندسی ژنتیک دریافتند که تعداد ژن ها در یک مولکول دقیقاً 32 هزار است. همانطور که می بینید، هنوز نمی توان به یک پاسخ قطعی دست یافت. تناقضات بسیار زیاد است. همه محققان تنها بر نتایج خود تکیه می کنند.

آیا تکامل وجود داشت؟

با وجود این واقعیت که هیچ مدرکی دال بر تکامل مولکول وجود ندارد (از آنجایی که ساختار مولکول DNA شکننده و کوچک است)، دانشمندان هنوز یک فرض را مطرح کردند. بر اساس داده های آزمایشگاهی، آنها نسخه زیر را بیان کردند: در مرحله اولیه ظاهرش، این مولکول به شکل یک پپتید خود-تکثیر شونده ساده بود که شامل حداکثر 32 اسید آمینه موجود در اقیانوس های باستانی بود.

پس از خود همانند سازی، به لطف نیروهای انتخاب طبیعی، مولکول ها توانایی محافظت از خود را در برابر عناصر خارجی به دست آوردند. آنها شروع به زندگی طولانی تری کردند و در مقادیر بیشتری تولید مثل کردند. مولکول هایی که خود را در حباب لیپیدی یافتند، از هر فرصتی برای تولید مثل خود برخوردار بودند. در نتیجه یک سری چرخه های متوالی، حباب های چربی شکل غشای سلولی و سپس - ذرات شناخته شده را به دست آوردند. لازم به ذکر است که امروزه هر بخش از یک مولکول DNA یک ساختار پیچیده و واضح است که تمام ویژگی های آن را دانشمندان هنوز به طور کامل مطالعه نکرده اند.

دنیای مدرن

اخیراً دانشمندان اسرائیلی کامپیوتری ساخته اند که می تواند تریلیون ها عملیات را در ثانیه انجام دهد. امروزه این خودرو سریع ترین خودروی روی زمین است. تمام راز این است که دستگاه نوآورانه از DNA نیرو می گیرد. پروفسورها می گویند که در آینده نزدیک، چنین رایانه هایی حتی قادر به تولید انرژی خواهند بود.

یک سال پیش، متخصصان موسسه Weizmann در Rehovot (اسرائیل) از ایجاد یک ماشین محاسباتی مولکولی قابل برنامه ریزی متشکل از مولکول ها و آنزیم ها خبر دادند. آنها ریزتراشه های سیلیکونی را با آنها جایگزین کردند. تا به امروز، تیم پیشرفت بیشتری داشته است. اکنون فقط یک مولکول DNA می تواند داده های لازم و سوخت لازم را در اختیار کامپیوتر قرار دهد.

نانوکامپیوترهای بیوشیمیایی یک داستان تخیلی نیستند، آنها از قبل در طبیعت وجود دارند و در هر موجود زنده ای نمایان می شوند. اما اغلب آنها توسط مردم مدیریت نمی شوند. یک فرد هنوز نمی تواند روی ژنوم هیچ گیاهی عمل کند تا مثلاً عدد "Pi" را محاسبه کند.

ایده استفاده از DNA برای ذخیره و پردازش داده ها برای اولین بار در سال 1994 به ذهن دانشمندان رسید. در آن زمان بود که از یک مولکول برای حل یک مسئله ساده ریاضی استفاده شد. از آن زمان، تعدادی از گروه های تحقیقاتی پروژه های مختلف مرتبط با کامپیوترهای DNA را پیشنهاد کرده اند. اما در اینجا همه تلاش ها فقط بر اساس مولکول انرژی بود. شما نمی توانید چنین کامپیوتری را با چشم غیرمسلح ببینید، مانند محلول شفاف آب در یک لوله آزمایش است. هیچ بخش مکانیکی در آن وجود ندارد، بلکه فقط تریلیون ها دستگاه بیومولکولی وجود دارد - و این فقط در یک قطره مایع است!

DNA انسان

مردم از نوع DNA انسان در سال 1953 آگاه شدند، زمانی که دانشمندان برای اولین بار توانستند یک مدل DNA دو رشته ای را به دنیا نشان دهند. برای این کار، کرک و واتسون جایزه نوبل را دریافت کردند، زیرا این کشف در قرن بیستم اساسی شد.

البته با گذشت زمان، آنها ثابت کردند که یک مولکول انسانی ساختار یافته می تواند نه تنها شبیه نسخه پیشنهادی باشد. پس از انجام تجزیه و تحلیل دقیق تر DNA، آن ها شکل A-، B- و چپ دستی Z- را کشف کردند. فرم A- اغلب یک استثنا است، زیرا فقط در صورت کمبود رطوبت تشکیل می شود. اما این فقط در مطالعات آزمایشگاهی امکان پذیر است؛ برای محیط طبیعی این امر غیرعادی است؛ چنین فرآیندی نمی تواند در یک سلول زنده رخ دهد.

شکل B کلاسیک است و به عنوان یک زنجیر راست دست دوتایی شناخته می شود، اما شکل Z نه تنها در جهت مخالف سمت چپ پیچ خورده است، بلکه ظاهر زیگزاگی بیشتری نیز دارد. دانشمندان همچنین فرم G-quadruplex را شناسایی کرده اند. ساختار آن نه 2، بلکه 4 رشته دارد. به گفته متخصصان ژنتیک، این شکل در مناطقی که مقدار بیش از حد گوانین وجود دارد رخ می دهد.

DNA مصنوعی

امروزه DNA مصنوعی وجود دارد که یک کپی مشابه از DNA واقعی است. کاملاً از ساختار مارپیچ دوگانه طبیعی پیروی می کند. اما برخلاف پلی نوکلئوتید اصلی، پلی نوکلئوتید مصنوعی تنها دو نوکلئوتید اضافی دارد.

از آنجایی که دوبله بر اساس اطلاعات به دست آمده از مطالعات مختلف DNA واقعی ایجاد شده است، می توان آن را کپی، خود تکرار و تکامل نیز کرد. کارشناسان حدود 20 سال است که روی ایجاد چنین مولکولی مصنوعی کار می کنند. نتیجه یک اختراع شگفت انگیز است که می تواند از کد ژنتیکی همانند DNA طبیعی استفاده کند.

به چهار پایه نیتروژنی موجود، متخصصان ژنتیک دو پایه اضافی اضافه کردند که با اصلاح شیمیایی پایه های طبیعی ایجاد شدند. برخلاف DNA طبیعی، DNA مصنوعی کاملاً کوتاه بود. این شامل تنها 81 جفت پایه است. با این حال، آن را نیز تکثیر و تکامل می یابد.

همانندسازی یک مولکول به‌دست‌آمده به‌طور مصنوعی به لطف واکنش زنجیره‌ای پلیمراز انجام می‌شود، اما تاکنون این امر به‌طور مستقل اتفاق نمی‌افتد، بلکه از طریق مداخله دانشمندان اتفاق می‌افتد. آنها به طور مستقل آنزیم های لازم را به DNA مذکور اضافه می کنند و آن را در یک محیط مایع آماده شده مخصوص قرار می دهند.

نتیجه نهایی

فرآیند و نتیجه نهایی توسعه DNA را می توان تحت تأثیر عوامل مختلفی مانند جهش قرار داد. این امر مطالعه نمونه های ماده را ضروری می سازد تا نتیجه تجزیه و تحلیل قابل اعتماد و قابل اعتماد باشد. یک نمونه آزمایش پدری است. اما نمی‌توانیم از این که حوادثی مانند جهش نادر است خوشحال باشیم. با این وجود، نمونه‌های ماده همیشه مجدداً بررسی می‌شوند تا اطلاعات دقیق‌تری بر اساس آنالیز به دست آید.

DNA گیاهی

به لطف فناوری های توالی یابی بالا (HTS)، انقلابی در زمینه ژنومیک ایجاد شده است - استخراج DNA از گیاهان نیز امکان پذیر است. البته به دست آوردن DNA با وزن مولکولی با کیفیت بالا از مواد گیاهی به دلیل تعداد زیاد نسخه های DNA میتوکندری و کلروپلاست و همچنین سطح بالای پلی ساکاریدها و ترکیبات فنلی با مشکلاتی مواجه است. برای جداسازی سازه مورد نظر در این مورد از روش های مختلفی استفاده می شود.

پیوند هیدروژنی در DNA

پیوند هیدروژنی در مولکول DNA مسئول جاذبه الکترومغناطیسی ایجاد شده بین یک اتم هیدروژن با بار مثبت است که به یک اتم الکترونگاتیو متصل است. این برهمکنش دوقطبی معیار یک پیوند شیمیایی را برآورده نمی کند. اما می تواند به صورت بین مولکولی یا در قسمت های مختلف مولکول، یعنی داخل مولکولی رخ دهد.

یک اتم هیدروژن به اتم الکترونگاتیو که دهنده پیوند است می چسبد. یک اتم الکترونگاتیو می تواند نیتروژن، فلوئور یا اکسیژن باشد. این - از طریق تمرکززدایی - ابر الکترونی را از هسته هیدروژن به سمت خود جذب می کند و اتم هیدروژن را (تا حدی) بار مثبت می کند. از آنجایی که اندازه H در مقایسه با سایر مولکول ها و اتم ها کوچک است، بار نیز کوچک است.

رمزگشایی DNA

قبل از رمزگشایی یک مولکول DNA، دانشمندان ابتدا تعداد زیادی سلول را می گیرند. برای دقیق ترین و موفق ترین کار، حدود یک میلیون مورد نیاز است. نتایج به دست آمده در طول مطالعه به طور مداوم مقایسه و ثبت می شود. امروزه رمزگشایی ژنوم دیگر نادر نیست، بلکه یک روش قابل دسترس است.

البته رمزگشایی ژنوم یک سلول یک تمرین غیرعملی است. داده های به دست آمده در طول چنین مطالعاتی برای دانشمندان جالب نیست. اما درک این نکته مهم است که همه روش‌های رمزگشایی موجود، با وجود پیچیدگی، به اندازه کافی مؤثر نیستند. آنها فقط اجازه خواندن 40-70 درصد از DNA را می دهند.

با این حال، اخیراً اساتید هاروارد روشی را اعلام کردند که از طریق آن می توان 90 درصد ژنوم را رمزگشایی کرد. این تکنیک مبتنی بر افزودن مولکول های آغازگر به سلول های جدا شده است که با کمک آن تکثیر DNA آغاز می شود. اما حتی این روش را نیز نمی توان موفقیت آمیز تلقی کرد، قبل از اینکه آشکارا در علم مورد استفاده قرار گیرد، هنوز باید اصلاح شود.