DNA molekula. Struktura molekuly DNA

DNA molekula se skládá ze dvou řetězců, které tvoří dvojitou šroubovice. Jeho struktura byla poprvé dešifrována Francisem Crickem a Jamesem Watsonem v roce 1953.

Zpočátku molekuly DNA tvořené dvojicí nukleotidových řetězců, které se navzájem překrývají, vyvolaly otázky o tom, proč má tuto konkrétní formu. Vědci nazývají tento fenomén komplementaritou, což znamená, že pouze jeho nukleotidy se nacházejí v jeho navzájem protilehlých vláknech. Například proti thymu je vždy adenin a opačný k cytosinu je guanin. Tyto nukleotidy jsou molekuly DNA a jsou nazývány komplementárními.

Je schematicky znázorněn jako:

T - A

C - G

Tyto páry tvoří chemickou nukleotidovou vazbu, která určuje uspořádání aminokyselin. V prvním případě je mírně slabší. Spojení mezi C a D je trvanlivější. Nekomplementární nukleotidy netvoří dvojice mezi sebou.

O struktuře

Takže struktura molekuly DNA je zvláštní. Má tento tvar z důvodu: skutečnost je, že počet nukleotidů je velmi velký a je zapotřebí dostatek prostoru pro uložení dlouhých řetězců. Z tohoto důvodu je spirálové zkroucení vlastní řetězy. Tento jev se nazývá spiralizace, umožňuje zkrátit závit o pětkrát až šestkrát.

Organismus používá některé molekuly takového plánu velmi aktivně, jiné zřídka. Ty jsou vedle spiralizace také vystaveny takovým "kompaktním obalům", jako je supervrstvení. A pak se délka molekuly DNA sníží o 25-30krát.

Co je to "balení" molekuly?

Proces supersilingu zahrnuje histonové proteiny. Mají strukturu a vzhled cívky nitě nebo tyče. Spiralizované nitě jsou na nich navíjeny, které se okamžitě stávají "kompaktně zabalené" a zabírají málo místa. Když vznikne potřeba použít jednu nebo jinou nit, je navinutá cívka, například histonový protein, a šroubovice se roztočí na dva paralelní řetězce. Když je molekula DNA v tomto stavu, lze z ní přečíst nezbytné genetické údaje. Existuje však jedna podmínka. Získání informací je možné pouze tehdy, má-li struktura molekuly DNA promoklý vzhled. Čitelné chromozomy se nazývají euchromatiny, a pokud jsou supersipiralizovány, jsou to už heterochromatiny.

Nukleové kyseliny

Nukleové kyseliny, jako jsou proteiny, jsou biopolymery. Hlavním úkolem je uchovávání, implementace a přenos dědičných (genetických informací). Jsou to dva typy: DNA a RNA (deoxyribonukleotidová a ribonukleová). Nukleotidy působí jako monomery, z nichž každá obsahuje zbytek kyselina fosforečná, pěti-uhlíkový cukr (deoxyribosa / ribóza) a dusíkatá báze. Kód DNA obsahuje 4 typy nukleotidů - adenin (A) / guanin (G) / cytosin (C) / thymin (T). Odlišují se v dusíkaté bázi, kterou obsahují.

V molekule DNA může být počet nukleotidů obrovský - od několika tisíc do desítek a stovek milionů. Takové gigantické molekuly lze považovat za elektronový mikroskop. V tomto případě bude možné vidět dvojité vlákno polynukleotidových řetězců, které jsou vzájemně propojeny vodíkovými vazbami dusíkatých bází nukleotidů.

Výzkum

Během výzkumu vědci zjistili, že typy molekul DNA v různých živých organizmech jsou různé. Bylo také zjištěno, že jednorázový guanin se může vázat pouze s cytosinem a tyminem s adeninem. Uspořádání nukleotidů jednoho řetězce je striktně paralelní. Vzhledem k takové komplementaritě polynukleotidů je molekula DNA schopná zdvojnásobit a samo-reprodukovat. Nejprve však komplementární řetězce pod vlivem speciálních enzymů, které ničí spárované nukleotidy, se rozcházejí a potom v každé z nich začíná syntéza chybějícího řetězce. To je způsobeno množstvím volných nukleotidů v každé buňce. Výsledkem je, že místo "původní molekuly" se vytvářejí dvě "dcera", shodná ve složení a struktuře a kód DNA se stává původním. Tento proces je předchůdcem buněčného dělení. Poskytuje přenos všech dědičných dat z mateřských buněk do dceřiných buněk, stejně jako ke všem dalším generacím.

Jak čte kód genu?

Dnes není vypočtena pouze hmotnost molekuly DNA - zjistíte složitější data, která dříve nebyla vědcům k dispozici. Můžete například přečíst informace o tom, jak tělo používá vlastní buňku. Samozřejmě, nejprve je tato informace zakódována a vypadá jako druh matice, a proto musí být převedena na speciální nosič, což je RNA. Ribonukleová kyselina je schopna proniknout do buňky přes membránu jádra a číst zakódované informace uvnitř. RNA je tedy nosičem skrytých dat z jádra do buňky a liší se od DNA v tom, že obsahuje ribózu místo deoxyribózy a uracil namísto thyminu. Kromě toho je RNA jednovláknová.

Syntéza RNA

Analýza hluboké DNA ukázala, že poté, co RNA opouští jádro, vstupuje do cytoplazmy, kde může být vložena do matrix do ribosomů (speciální enzymové systémy). Na základě získaných informací mohou syntetizovat odpovídající sekvenci proteinových aminokyselin. Ribosom se z tripletového kódu dozví, jaký druh organické sloučeniny je nutné připojit k vznikajícímu řetězci bílkovin. Každá aminokyselina má svou vlastní specifickou trojici, která ji kóduje.

Po dokončení tvorby řetězce získává určitou prostorovou formu a přemění se na bílkovinu schopnou provádět své hormonální, stavební, enzymové a další funkce. Pro každý organismus je to genový produkt. Z toho jsou určeny všechny druhy vlastností, vlastností a projevů genů.

Geny

Nejprve byly vyvinuty sekvenační procesy, aby se získaly informace o tom, kolik genů má struktura DNA molekuly. A ačkoli výzkum umožnil vědcům, aby v této záležitosti daleko, není možné zjistit jejich přesné číslo.

Před několika lety se předpokládalo, že molekuly DNA obsahují přibližně 100 tisíc genů. O něco později se tento počet snížil na 80 tisíc a v roce 1998 genetici uvedli, že v jedné DNA je přítomno pouze 50 tisíc genů, což jsou jen 3% celkové délky DNA. Ale napadli poslední závěry genetiků. Nyní tvrdí, že genom obsahuje 25 až 40 tisíc jednotek. Ukazuje se, že pouze 1,5% chromozomální DNA je odpovědné za kódování bílkovin.

Na tomto výzkumu se nezastavil. Paralelní tým odborníků na genetické inženýrství zjistil, že počet genů v jedné molekule je přesně 32 tisíc. Jak můžete vidět, získání konečné odpovědi ještě není možné. Příliš mnoho protikladů. Všichni vědci se spoléhají jen na své výsledky.

Byl to vývoj?

Navzdory skutečnosti, že neexistují žádné důkazy o vývoji molekuly (protože struktura DNA molekuly je křehká a malá v rozměru), jeden návrh byl učiněn vědci. Na základě laboratorních údajů vyjádřili následující verzi: molekula v počátečním stádiu jejího vzhledu měla podobu jednoduchého samoreprodukujícího peptidu, který zahrnoval až 32 aminokyselin obsažených ve starých oceánech.

Po samo-replikaci, díky síle přirozený výběr, molekuly mají schopnost chránit se před účinky vnějších prvků. Začali žít déle a reprodukovat ve velkém množství. Molekuly, které se ocitly v lipidovém močovém měchýři, mají všechny možnosti pro sebeobrodukci. Výsledkem následných cyklů byly lipidové bubliny získané ve formě buněčných membrán a již dále známých částic. Je třeba poznamenat, že dnes každá část molekuly DNA je složitá a dobře fungující struktura, jejíž rysy nejsou plně pochopeny.

Moderní svět

Nedávno vědci z Izraele vyvinuli počítač, který může provádět bilióny operací za sekundu. Dnes je to nejrychlejší auto na světě. Celé tajemství je, že inovativní zařízení funguje od DNA. Profesoři říkají, že v blízké budoucnosti mohou takové počítače dokonce vytvářet energii.

Odborníci z Weizmannského institutu v Rehovotu (Izrael) před rokem oznámili vytvoření programovatelného molekulárního počítače sestávajícího z molekul a enzymů. Nahradili je křemíkovými mikročipy. Dosavadní tým pokročil. Nyní může pouze jedna molekula DNA poskytnout počítač potřebné údaje a poskytnout potřebné palivo.

Biochemické "nanokomputers" - to není fikce, existují už v přírodě a projevují se v každé živé bytosti. Ale často nejsou řízeni lidmi. Dosud člověk nemůže provozovat genom nějaké rostliny, aby mohl vypočítat číslo "Pi".

Myšlenka využití DNA pro ukládání dat / zpracování nejprve navštívila jasné mysli vědců v roce 1994. Bylo to tehdy, když se molekula podílela na řešení jednoduchého matematického problému. Od té doby řada výzkumných skupin navrhla různé projekty týkající se počítačů DNA. Ale všechny pokusy byly založeny pouze na energetické molekule. Tenhle počítač nevidíte pouhým okem, vypadá to jako čirý roztok vody ve zkumavce. V něm nejsou žádné mechanické součásti, jen miliardy biomolekulárních zařízení - a to je pouze jedna kapka kapaliny!

Lidská DNA

Jakou DNA člověče, lidí To se stalo známé v roce 1953, kdy vědci byli nejprve schopni demonstrovat světu dvojitý model DNA. Kirk a Watson získali Nobelovu cenu, protože tento objev byl zásadní ve 20. století.

Časem se samozřejmě ukázalo, že to není jen způsob, jak může navrhovaná verze vypadat jako strukturovaná lidská molekula. Provedení podrobnější analýzy DNA, objevil A-, B- a levou zkroucenou formu Z-. Forma A je často výjimkou, protože se tvoří pouze v případě nedostatku vlhkosti. Ale to je možné kromě laboratorních studií, pro přírodní prostředí to je abnormální, takový proces se nemůže objevit v živé buňce.

Forma B- je klasická a je známá jako dvojitá pravotočivá řetízka, ale forma Z- je nejen zkroucená v opačném směru, ale vlevo, ale má také tvar cikcaku. Vědci také identifikovali formu G-quadruplex. Jeho struktura není 2, ale 4 vlákna. Podle genetiků existuje taková forma v těch oblastech, kde je nadbytek guaninu.

Umělá DNA

Dnes již existuje umělá DNA, která je totožnou kopií přítomnosti; Dokonale opakuje strukturu přírodní dvojité šroubovice. Ale na rozdíl od prvotního polynukleotidu, v umělém - pouze dva další nukleotidy.

Vzhledem k tomu, že dabing byl vytvořen na základě informací získaných v průběhu různých studií o skutečné DNA, může být také kopírován, sebereprodukován a vyvíjen. Specialisté pracovali na vytvoření takové umělé molekuly asi 20 let. Výsledkem je úžasný vynález, který může použít genetický kód stejným způsobem jako přirozená DNA.

Ke čtyřem stávajícím dusíkatým základům přidala genetika další dva, které byly vytvořeny chemickou modifikací přírodních bází. Na rozdíl od přirozené DNA byla umělá DNA poměrně krátká. Obsahuje pouze 81 párů bází. Nicméně se také množí a vyvíjí.

Replikace molekuly získané umělými prostředky probíhá v důsledku polymerázové řetězové reakce, ale zatím se to děje nezávisle, ale díky intervenci vědců. V uvedené DNA nezávisle přidávají nezbytné enzymy a umístí je do speciálně připraveného kapalného média.

Konečný výsledek

Různé faktory mohou ovlivnit proces a konečný výsledek vývoje DNA, například mutace. To vede k povinnému studiu vzorků hmoty, takže výsledky testů jsou spolehlivé a spolehlivé. Příkladem je test otcovství. Ale nemůže se radovat, že incidenty, jako je mutace, jsou vzácné. Nicméně vzorky hmoty jsou vždy zkontrolovány, aby získaly přesnější informace na základě analýzy.

DNA rostlin

Díky technologiím s vysokou sekvencí (HTS) byla také provedena revoluce v oblasti genomiky - je také možné extrahovat DNA z rostlin. Samozřejmě, získání vysoce kvalitní molekulové hmotnosti DNA z rostlinného materiálu způsobuje určité obtíže kvůli velkému počtu kopií mitochondrií a chloroplastů DNA, stejně jako vysokým hladinám polysacharidů a fenolických sloučenin. Chcete-li zvýraznit strukturu, o které uvažujeme, v tomto případě bude použito mnoho metod.

Vodíková vazba v DNA

Elektromagnetické přitahování, vytvořené mezi kladně nabitým atomem vodíku, který je připojen k elektro-zápornému atomu, je zodpovědný za vodíkovou vazbu v molekule DNA. Tato interakce dipolu nespadá pod kritérium chemické vazby. Může se však realizovat intermolekulárně nebo v různých částech molekuly, tj. Intramolekulárně.

Atom vodíku je připojen k elektro-negativnímu atomu, který je donorem této vazby. Elektronegativním atomem může být dusík, fluor, kyslík. Prostřednictvím decentralizace přitahuje elektronový oblak z jádra vodíku a dělá atomový vodík nabitý (částečně) pozitivně. Jelikož velikost H je malá, ve srovnání s jinými molekulami a atomy je náboj také malý.

DNA dešifrování

Před rozluštěním DNA molekuly vědci nejprve vezmou obrovský počet buněk. Pro nejpřesnější a úspěšnější práci potřebují asi milion. Získané v procesu studování výsledků jsou neustále porovnávány a zaznamenávány. Dnes dekódování genomu již není raritou, ale přístupným procesem.

Samozřejmě, dešifrování genomu jedné buňky je nevhodným cvičením. Údaje získané v průběhu těchto studií nejsou pro vědce zajímavé. Je však důležité si uvědomit, že všechny dosud existující metody dekódování, i přes jejich složitost, nejsou dostatečně účinné. Umožní vám číst pouze 40-70% DNA.

Profesoři Harvardu však nedávno oznámili způsob, jak dešifrovat 90% genomu. Technika je založena na přidání primerových molekul k vybraným buňkám, s pomocí kterých začíná DNA replikace. Ale ani tato metoda nemůže být považována za úspěšnou, ale musí být dokončena ještě předtím, než bude otevřená ve vědě.