Nükleik asitler. DNA'nın yapısı, özellikleri ve fonksiyonları. DNA'nın yapısı ve organizasyon düzeyleri 1 DNA'nın yapısı ve rolü

DNA'nın kimyasal bileşimi ve makromoleküler organizasyonu. DNA sarmallarının türleri. Rekombinasyon, replikasyon ve DNA onarımının moleküler mekanizmaları. Nükleazlar ve polimerazlar kavramı. Genetik bilginin torunlara aktarılmasının bir koşulu olarak DNA replikasyonu. Çoğaltma işleminin genel özellikleri. Çoğaltma çatalında gerçekleşen eylemler. Telomer replikasyonu, telomeraz. Yaşlanma mekanizmasında terminal kromozom parçalarının yetersiz replikasyonunun önemi. Çoğaltma hatası düzeltme sistemleri. DNA polimerazların düzeltici özellikleri. Hasarlı DNA'nın onarım mekanizmaları. DNA onarım hastalıkları kavramı. Genel genetik rekombinasyonun moleküler mekanizmaları. Siteye özgü rekombinasyon. Gen dönüşümü.

1865'te Gregor Mendel genleri keşfetti ve çağdaşı Friedrich Miescher bunları 1869'da keşfetti. nükleik asitleri keşfetti (somon irin ve sperm hücrelerinin çekirdeklerinde). Ancak uzun süre bu keşiflerin birbiriyle bağlantısı yoktu; kalıtımın maddesinin yapısı ve doğası uzun süre bilinmiyordu. NK'nin genetik rolü, bakteriyofajların dönüşümü (1928, F. Griffiths; 1944, O. Avery), transdüksiyon (1951, Lederberg, Zinder) ve üremesi (1951, A. Hershey, M. Chase).

Bakteriyofajların dönüşümü, transdüksiyonu ve çoğaltılması, DNA'nın genetik rolünü ikna edici bir şekilde kanıtlamıştır. RNA virüslerinde (AIDS, hepatit B, influenza, TMV, murin lösemi vb.) bu rol RNA tarafından gerçekleştirilir.

Nükleik asitlerin yapısı. NC'ler genetik bilginin depolanması ve iletilmesinde rol oynayan biyopolimerlerdir. NA monomerleri, azotlu bir baz, bir monosakarit ve bir veya daha fazla fosfat grubundan oluşan nükleotitlerdir. NA'daki tüm nükleotidler monofosfatlardır. Fosfat grubu olmayan bir nükleotide nükleozit denir. NA'da bulunan şeker, riboz veya 2-deoksiribozun D-izomeri ve β-anomeridir. Riboz içeren nükleotidlere ribonükleotidler denir ve RNA'nın monomerleridir ve deoksiribozdan türetilen nükleotidler deoksiribonükleotidlerdir ve DNA bunlardan oluşur. İki tür azotlu baz vardır: pürinler - adenin, guanin ve pirimidinler - sitozin, timin, urasil. RNA ve DNA'nın bileşimi adenin, guanin, sitozin içerir; Urasil yalnızca RNA'da, timin ise yalnızca DNA'da bulunur.

Bazı durumlarda NA'lar, dihidrouridin, 4-tiouridin, inosin vb. gibi nadir küçük nükleotidler içerir. Bunların çeşitliliği özellikle tRNA'da yüksektir. Polimer zincirinin oluşumundan sonra meydana gelen NA bazlarının kimyasal dönüşümleri sonucu küçük nükleotidler oluşur. Çeşitli metillenmiş türevler RNA ve DNA'da son derece yaygındır: 5-metilüridin, 5-metilsitidin, l-N-metiladenozin, 2-N-metilguanozin. RNA'da metilasyonun amacı, 2"-O-metilsitidin veya 2"-O-metilguanozin oluşumuna yol açan riboz kalıntılarının 2"-hidroksi grupları da olabilir.

Ribonükleotid ve deoksiribonükleotid birimleri, bir nükleotidin 5"-hidroksil grubunu bir sonrakinin 3"-hidroksil grubuna bağlayan fosfodiester köprüleri kullanılarak birbirine bağlanır. Böylece, normal omurga fosfat ve riboz kalıntılarından oluşur ve yan grupların proteinlere bağlanması gibi bazlar da şekerlere bağlanır. Bazların zincir boyunca sıralanışına NC'nin birincil yapısı denir. Bazların dizisi genellikle pentozun 5" karbon atomundan 3" karbon atomuna doğru okunur.

DNA'nın yapısı. DNA yapısının çift sarmal modeli, 1953'te Watson ve Crick tarafından önerildi (Şekil 7).

Bu üç boyutlu modele göre DNA molekülü, aynı eksene göre sağ yönlü bir sarmal oluşturan, zıt yönlü iki polinükleotid zincirinden oluşur. Azotlu bazlar çift sarmalın içinde yer alır ve düzlemleri ana eksene diktir, şeker fosfat kalıntıları ise dışarıya doğru açığa çıkar. Bazlar arasında spesifik H bağları oluşur: adenin - timin (veya urasil), guanin - sitozin, buna Watson-Crick eşleşmesi adı verilir. Sonuç olarak, daha büyük pürinler her zaman daha küçük pirimidinlerle etkileşime girer ve bu da optimal omurga geometrisini sağlar. Çift sarmalın antiparalel zincirleri, baz dizisi veya nükleotit bileşimi açısından aynı değildir, ancak yukarıdaki bazlar arasında spesifik hidrojen bağlarının varlığı nedeniyle tam olarak birbirlerini tamamlayıcıdırlar.

DNA kopyalama (replikasyon) için tamamlayıcılık çok önemlidir. DNA'daki farklı bazların sayısı arasındaki ilişkiler ortaya çıktı

Şekil 7. B - DNA formu

Chargraff ve ark. 50'li yıllarda DNA'nın yapısını oluşturmak için büyük önem taşıyordu: DNA zincirinin bazlarındaki adenin kalıntılarının sayısının, organizmadan bağımsız olarak, timin kalıntılarının sayısına eşit olduğu ve guanin kalıntıları sitozin kalıntılarının sayısına eşittir. Bu eşitlikler seçici baz eşleşmesinin bir sonucudur (Şekil 8).

Çift sarmalın geometrisi, bitişik baz çiftlerinin birbirinden 0,34 nm uzakta olacağı ve sarmal ekseni etrafında 36° döndürüleceği şekildedir. Bu nedenle sarmalın dönüşü başına 10 baz çifti vardır ve sarmalın aralığı 3,4 nm'dir. Çift sarmalın çapı 20 nm'dir ve içinde büyük ve küçük olmak üzere iki oluk oluşur. Bunun nedeni şeker fosfat omurgasının sarmal ekseninden azotlu bazlara göre daha uzakta bulunmasıdır.

DNA yapısının stabilitesi, farklı türdeki etkileşimlerden kaynaklanmaktadır; bunların başlıcaları, bazlar arasındaki H bağları ve düzlemler arası etkileşimdir (istiflenme). İkincisi sayesinde, yalnızca atomlar arasında uygun van der Waals temasları sağlanmakla kalmaz, aynı zamanda

Şekil 8. DNA zincirlerinin tamamlayıcılığı ve antiparalelliği ilkesi

paralel bazlardaki atomların p-orbitallerinin örtüşmesi nedeniyle ek stabilizasyon. Stabilizasyon, düşük polar bazların sulu ortamla doğrudan temastan korunmasında kendini gösteren olumlu hidrofobik etkiyle de kolaylaştırılır. Buna karşılık, polar ve iyonize gruplarıyla birlikte şeker fosfat omurgası açığa çıkar ve bu da yapıyı stabilize eder.

DNA için dört polimorfik form bilinmektedir: A, B, C ve Z. Genel yapı, baz çiftlerinin düzlemlerinin çift sarmalın eksenine dik olduğu B-DNA'dır (Şekil 7.). A-DNA'da baz çiftlerinin düzlemleri normalden sağ çift sarmalın eksenine yaklaşık 20° döndürülür; Sarmalın her dönüşünde 11 baz çifti vardır. C-DNA'da sarmalın her dönüşünde 9 baz çifti vardır. Z-DNA, dönüş başına 12 baz çifti içeren, solak bir sarmaldır; tabanların düzlemleri spiralin eksenine yaklaşık olarak diktir. Bir hücredeki DNA genellikle B formundadır, ancak bireysel bölümleri A, Z veya başka bir konformasyonda olabilir.

DNA çift sarmalı donmuş bir oluşum değildir, sürekli hareket halindedir:

· devrelerdeki bağlantılar deforme olmuş;

· tamamlayıcı baz çiftleri açılır ve kapanır;

DNA proteinlerle etkileşime girer;

· Moleküldeki gerilim yüksekse yerel olarak çözülür;

· Sağ spiral sola döner.

DNA'nın 3 fraksiyonu vardır:

1. Sık sık tekrarlanan (uydu) - 106'ya kadar gen kopyası (farelerde %10). Protein sentezinde yer almaz; genleri ayırır; geçiş sağlar; transpozonlar içerir.

2. Zayıf derecede tekrarlanabilir - 102 - 103'e kadar gen kopyası (farelerde %15). T-RNA sentezi için genleri, ribozomal proteinlerin ve kromatin proteinlerinin sentezi için genleri içerir.

3. Benzersiz (tekrarlanamaz) – farelerde %75 (insanlarda %56). Yapısal genlerden oluşur.

DNA lokalizasyonu: DNA'nın %95'i çekirdekte kromozomlarda (doğrusal DNA), %5'i ise mitokondri, plastidler ve hücre merkezinde dairesel DNA şeklinde lokalizedir.

DNA'nın İşlevleri: bilginin saklanması ve iletilmesi; tamirat; çoğaltma.

Gen bölgesindeki iki DNA ipliği, işlevsel rolleri açısından temel olarak farklıdır: Bunlardan biri kodlama veya anlamdır, ikincisi ise kalıptır.

Bu, bir genin "okunması" sürecinde (transkripsiyon veya mRNA öncesi sentezi), DNA şablon zincirinin bir şablon görevi gördüğü anlamına gelir. Bu işlemin ürünü olan ön mRNA, nükleotid dizisinde DNA'nın kodlayıcı zinciriyle çakışır (timin bazlarının urasil bazlarla değiştirilmesiyle).

Böylece, DNA kalıp ipliğinin yardımıyla, DNA kodlayan iplikçikteki genetik bilginin, transkripsiyon sırasında RNA yapısında yeniden üretildiği ortaya çıkıyor.

Tüm canlı organizmalarda bulunan ana matris süreçleri DNA replikasyonu, transkripsiyonu ve translasyonudur.

Çoğaltma- Bir ana DNA molekülünün baz dizisinde kodlanan bilginin yavru DNA'ya maksimum doğrulukla iletildiği bir süreç. Yarı konservatif replikasyonda, birinci neslin yavru hücreleri ebeveynlerinden bir DNA ipliği alır ve ikinci iplik yeni sentezlenir. İşlem, transferaz sınıfına ait DNA polimerazların katılımıyla gerçekleştirilir. Şablonun rolü, çift sarmallı anne DNA'sının ayrılmış zincirleri tarafından oynanır ve substratlar, deoksiribonükleosit-5"-trifosfatlardır.

Transkripsiyon- genetik bilginin DNA'dan RNA'ya aktarılması süreci. Tüm RNA türleri (mRNA, rRNA ve tRNA), şablon görevi gören DNA'daki bazların sırasına göre sentezlenir. Yalnızca “+” DNA zinciri olarak adlandırılan tek bir iplik kopyalanır. İşlem, RNA polimerazların katılımıyla gerçekleşir. Substratlar ribonükleosit 5"-trifosfatlardır.

Prokaryotlarda ve ökaryotlarda replikasyon ve transkripsiyon süreçleri hız ve bireysel mekanizmalar açısından önemli ölçüde farklılık gösterir.

Yayın- mRNA'nın baz dizisinin dilinden gelen bilgilerin proteinin amino asit dizisinin diline çevrilmesinin bir sonucu olarak mRNA'nın kodunu çözme işlemi. Çeviri, substratlar aminoasil-tRNA olan ribozomlar üzerinde gerçekleşir.

DNA polimerazlar tarafından katalize edilen şablon DNA sentezi iki ana işlevi yerine getirir: DNA replikasyonu - yeni kardeş zincirlerin sentezi ve bunun hasarlı bölümlerinin kesilmesi sonucu oluşan zincirlerden birinde kopan çift sarmallı DNA'nın onarımı nükleazlarla zincirlenir. Prokaryotlarda ve ökaryotlarda üç tip DNA polimeraz vardır. Prokaryotlarda poll, pollll ve pol III olarak adlandırılan tip I, II ve III polimerazlar tanımlanır. İkincisi, büyüyen zincirin sentezini katalize eder; pol, DNA olgunlaşması sürecinde önemli bir rol oynar; polenin işlevleri tam olarak anlaşılmamıştır. Ökaryotik hücrelerde, DNA polimeraz ά kromozom replikasyonunda rol alır, DNA polimeraz β onarımda rol alır ve γ çeşidi mitokondriyal DNA replikasyonunu gerçekleştiren bir enzimdir. Bu Enzimler, replikasyonun gerçekleştiği hücre tipine bakılmaksızın, 5"→3 yönünde büyüyen DNA iplikçiklerinden birinin 3" ucundaki OH grubuna bir nükleotid bağlar. Dolayısıyla bu F'lerin 5"→3" polimeraz aktivitesine sahip olduğunu söylüyorlar. Ek olarak hepsi nükleotidleri 3"→5 yönünde bölerek DNA'yı parçalama yeteneği sergilerler, yani bunlar 3"→5" eksonükleazlardır.

1957'de E. coli üzerinde çalışan Meselson ve Stahl, her serbest iplik üzerinde DNA polimeraz enziminin yeni, tamamlayıcı bir iplik oluşturduğunu buldu. Bu yarı muhafazakar bir kopyalama yöntemidir: bir iplikçik eski, diğeri yeni!

Tipik olarak çoğaltma, ori alanları (çoğaltmanın başlangıcından itibaren) adı verilen kesin olarak tanımlanmış alanlarda başlar ve bu alanlardan her iki yönde de yayılır. Ori bölgelerinin önünde ana DNA iplikçiklerinin dallanma noktaları bulunur. Dallanma noktasına bitişik alana replikasyon çatalı adı verilir (Şekil 9). Sentez sırasında replikasyon çatalı molekül boyunca hareket eder ve çatal sonlanma noktasına ulaşana kadar ebeveyn DNA'nın giderek daha fazla yeni bölümü çözülür. Zincir ayrımı, özel F-helikazlar (topoizomerazlar) kullanılarak sağlanır. Bunun için gereken enerji ATP'nin hidrolizi yoluyla açığa çıkar. Helikazlar polinükleotid zincirleri boyunca iki yönde hareket eder.

DNA sentezini başlatmak için bir tohuma, yani bir primere ihtiyaç vardır. Primerin rolü kısa RNA (10-60 nükleotid) tarafından gerçekleştirilir. Primazın katılımıyla DNA'nın belirli bir bölümüne tamamlayıcı olarak sentezlenir. Primer oluştuktan sonra DNA polimeraz çalışmaya başlar. Helikazlardan farklı olarak DNA polimerazlar şablonun yalnızca 3" ila 5" ucundan hareket edebilir. Bu nedenle, çift sarmallı ana DNA çözülürken büyüyen zincirin uzaması, şablonun yalnızca bir sarmalı boyunca, yani replikasyon çatalının 3" uçtan 5" uca hareket ettiği zincir boyunca meydana gelebilir. Sürekli sentezlenen zincire öncü zincir denir. Gecikmeli iplikçik üzerindeki sentez aynı zamanda bir primerin oluşumuyla başlar ve replikasyon çatalından önde gelen ipliğin ters yönünde ilerler. Gecikmeli iplik, fragmanlar halinde (Okazaki fragmanları formunda) sentezlenir, çünkü primer yalnızca replikasyon çatalı şablonun primaz için afiniteye sahip bölgesini serbest bıraktığında oluşur. Okazaki parçalarının tek bir zincir oluşturacak şekilde ligasyonuna (çapraz bağlanmasına) olgunlaşma süreci denir.

İplik olgunlaşması sırasında, RNA primeri hem ön ipliğin 5" ucundan hem de Okazaki fragmanlarının 5" uçlarından çıkarılır ve bu fragmanlar birbirine dikilir. Primerin çıkarılması 3"→5" eksonükleazın katılımıyla gerçekleştirilir. Çıkarılan RNA yerine aynı F, 5"→3" polimeraz aktivitesini kullanarak deoksinükleotidleri bağlar. Bu durumda, "yanlış" bir nükleotidin eklenmesi durumunda, "düzeltici düzenleme" gerçekleştirilir - tamamlayıcı olmayan çiftler oluşturan bazların çıkarılması. Bu işlem, 109 baz çifti başına bir hataya karşılık gelen son derece yüksek kopyalama doğruluğu sağlar.

Şekil 9. DNA replikasyonu:

1 - replikasyon çatalı, 2 - DNA polimeraz (pol I - olgunlaşma);

3 - DNA polimeraz (pol III - “düzeltme”); 4-helikaz;

5-giraz (topoizomeraz); 6-Çift sarmalın dengesini bozan proteinler.

Büyüyen zincirin 3" ucuna "yanlış" bir nükleotidin eklendiği ve matrisle gerekli hidrojen bağlarını oluşturamadığı durumlarda düzeltme yapılır. Pol III yanlışlıkla yanlış bazı bağladığında 3" - 5" olur. eksonükleaz aktivitesi "açılır" ve bu baz hemen uzaklaştırılır, ardından polimeraz aktivitesi geri yüklenir. Bu basit mekanizma, pol III'ün yalnızca mükemmel bir DNA çift sarmalı üzerinde bir polimeraz olarak çalışabilmesi nedeniyle çalışır. baz eşleşmesi

RNA parçalarını uzaklaştırmaya yönelik başka bir mekanizma, hücrelerde RNase H adı verilen özel bir ribonükleazın varlığına dayanır. Bu F, bir ribonükleotid ve bir deoksiribonükleotid zincirinden oluşan çift sarmallı yapılara özgüdür ve bunlardan ilkini hidrolize eder.

RNase H ayrıca RNA primerini çıkarma ve ardından boşluğu DNA polimeraz ile onarma yeteneğine sahiptir. Parçaların gerekli sırayla birleştirilmesinin son aşamalarında, DNA ligaz etki ederek bir fosfodiester bağının oluşumunu katalize eder.

DNA çift sarmalının bir kısmının ökaryotik kromozomlardaki helikazlar tarafından çözülmesi, yapının geri kalanının aşırı sarılmasına yol açar ve bu da kaçınılmaz olarak replikasyon sürecinin hızını etkiler. Aşırı sarmallanma DNA topoizomerazları tarafından önlenir.

Böylece, DNA polimeraza ek olarak, DNA replikasyonunda büyük bir Ps kümesi yer alır: helikaz, primaz, RNaz H, DNA ligaz ve topoizomeraz. Kalıp DNA biyosentezinde yer alan fosfor proteinleri ve proteinlerin bu listesi kapsamlı olmaktan uzaktır. Ancak bu süreçteki katılımcıların çoğu bugüne kadar çok az çalışıldı.

Çoğaltma işlemi sırasında, yeni sentezlenen DNA'da bulunan yanlış (tamamlayıcı olmayan çiftler oluşturan) bazların çıkarılmasıyla "düzeltme" meydana gelir. Bu işlem, 109 baz çifti başına bir hataya karşılık gelen son derece yüksek kopyalama doğruluğu sağlar.

Telomerler. 1938'de klasik genetikçiler B. McClinton ve G. Möller, kromozomların uçlarında telomer (telos-uç, meros-parça) adı verilen özel yapıların bulunduğunu kanıtladılar.

Bilim adamları, X-ışını radyasyonuna maruz kaldıklarında yalnızca telomerlerin direnç gösterdiğini keşfettiler. Aksine, terminal kısımlardan yoksun kalan kromozomlar birleşmeye başlar ve bu da ciddi genetik anormalliklere yol açar. Böylece telomerler kromozomların bireyselliğini sağlar. Telomerler yoğun bir şekilde paketlenmiştir (heterokromatin) ve enzimlere (telomeraz, metilaz, endonükleazlar vb.) erişilemez.

Telomerlerin fonksiyonları.

1. Mekanik: a) S-fazından sonra kardeş kromatidlerin uçlarının birleştirilmesi; b) homologların konjugasyonunu sağlayan kromozomların nükleer membrana sabitlenmesi.

2. Stabilizasyon: a) genetik olarak önemli DNA bölümlerinin yetersiz kopyalanmasına karşı koruma (telomerler kopyalanmaz); b) kırık kromozomların uçlarının stabilizasyonu. α - talasemi hastalarında α - globin genlerinde 16d kromozomunda kırılmalar meydana gelir ve hasarlı uca telomerik tekrarlar (TTAGGG) eklenir.

3.Gen ifadesine etkisi. Telomerlerin yakınında bulunan genlerin aktivitesi azalır. Bu susturmanın, transkripsiyonel sessizliğin bir tezahürüdür.

4. "Sayma işlevi". Telomerler, hücre bölünmelerinin sayısını sayan bir saat cihazı görevi görür. Her bölünme telomerleri 50-65 bp kısaltır. Ve insan embriyonik hücrelerindeki toplam uzunlukları 10-15 bin bp'dir.

Telomerik DNA son zamanlarda biyologların dikkatini çekti. Çalışmanın ilk nesneleri, onbinlerce çok küçük kromozom içeren ve dolayısıyla bir hücrede çok sayıda telomer içeren (daha yüksek ökaryotlarda hücre başına 100'den az telomer vardır) tek hücreli protozoa - kirpikli siliatlardır (tetrahymena).

Siliatların telomerik DNA'sında 6 nükleotid kalıntısından oluşan bloklar birçok kez tekrarlanır. Bir DNA zinciri, 2 timin - 4 guanin (TTGGYG - G zinciri) bloğu ve tamamlayıcı zincir - 2 adenin - 4 sitozin (AACCCC - C zinciri) içerir.

İnsan telomerik DNA'sının siliatlarınkinden yalnızca bir harf farklı olduğunu ve 2 timin - adenin - 3 guanin (TTAGGG) bloklarını oluşturduğunu keşfettiklerinde bilim adamlarının şaşkınlığını bir düşünün. Üstelik tüm memelilerin, sürüngenlerin, amfibilerin, kuşların ve balıkların telomerlerinin (G zinciri) TTAGGG bloklarından yapıldığı ortaya çıktı.

Ancak burada şaşırtıcı bir şey yok çünkü telomerik DNA herhangi bir proteini kodlamaz (gen içermez). Tüm organizmalarda telomerler yukarıda tartışılan evrensel işlevleri yerine getirir. Telomerik DNA'nın çok önemli bir özelliği uzunluğudur. İnsanlarda 2 ila 20 bin baz çifti arasında değişirken, bazı fare türlerinde yüzbinlerce baz çiftine ulaşabiliyor. Telomerlerin yakınında onların işleyişini sağlayan ve telomerlerin yapımında görev alan özel proteinlerin olduğu bilinmektedir.

Normal işleyiş için her doğrusal DNA'nın iki telomere sahip olması gerektiği kanıtlanmıştır: her uçta bir telomer.

Prokaryotların telomerleri yoktur; DNA'ları bir halka şeklinde kapalıdır.

DNA'nın yapısı ve fonksiyonları

DNA- monomerleri deoksiribonükleotidler olan bir polimer. 1953'te DNA molekülünün çift sarmal şeklindeki uzaysal yapısının bir modeli önerildi. J. Watson ve F. Crick (bu modeli oluşturmak için M. Wilkins, R. Franklin, E. Chargaff'ın çalışmalarını kullandılar).

DNA molekülü Birbiri etrafında ve hayali bir eksen etrafında birlikte sarmal olarak bükülmüş iki polinükleotid zincirinden oluşur, ᴛ.ᴇ. çift ​​sarmaldır (bazı DNA içeren virüslerin tek sarmallı DNA'sı vardır). DNA çift sarmalının çapı 2 nm, komşu nükleotidler arasındaki mesafe 0,34 nm'dir ve sarmalın dönüşü başına 10 nükleotid çifti vardır. Molekülün uzunluğu birkaç santimetreye ulaşabilir. Molekül ağırlığı - onlarca ve yüz milyonlarca. Bir insan hücresinin çekirdeğindeki DNA'nın toplam uzunluğu yaklaşık 2 m'dir. Ökaryotik hücrelerde DNA, proteinlerle kompleksler oluşturur ve spesifik bir uzaysal yapıya sahiptir.

DNA monomeri - nükleotid (deoksiribonükleotid)- üç maddenin kalıntılarından oluşur: 1) azotlu bir baz, 2) beş karbonlu bir monosakarit (pentoz) ve 3) fosforik asit. Nükleik asitlerin azotlu bazları pirimidin ve pürin sınıflarına aittir. DNA pirimidin bazları(moleküllerinde bir halka bulunur) - timin, sitozin. Pürin bazları(iki halkası vardır) - adenin ve guanin.

DNA nükleotid monosakkariti deoksiribozdur.

Bir nükleotidin adı karşılık gelen bazın adından türetilir. Nükleotidler ve azotlu bazlar büyük harflerle gösterilir.

Polinükleotid zinciri, nükleotid yoğunlaşma reaksiyonlarının bir sonucu olarak oluşur. Bu durumda, bir nükleotidin deoksiriboz kalıntısının 3"-karbonu ile diğerinin fosforik asit kalıntısı arasında, fosfoester bağı(güçlü kovalent bağlar kategorisine aittir). Polinükleotid zincirinin bir ucu 5" karbonla (5" uç olarak adlandırılır) biter, diğer ucu ise 3" karbonla (3" uç olarak adlandırılır) biter.

Nükleotidlerin bir ipliğinin karşısında ikinci bir iplik bulunur. Bu iki zincirdeki nükleotidlerin dizilimi rastgele değil, kesin olarak tanımlanmıştır: timin her zaman diğer zincirdeki bir zincirin adenininin karşısında bulunur ve sitozin her zaman guaninin karşısında bulunur, adenin ile timin arasında ve arasında iki hidrojen bağı oluşur. guanin ve sitozin - üç hidrojen bağı. Farklı DNA zincirlerinin nükleotitlerinin kesin olarak sıralandığı (adenin - timin, guanin - sitozin) ve seçici olarak birbirleriyle bağlandığı modele genellikle denir tamamlayıcılık ilkesi. J. Watson ve F. Crick'in, E. Chargaff'ın çalışmalarına aşina olduktan sonra tamamlayıcılık ilkesini anlamaya başladıklarını belirtmek gerekir. Çeşitli organizmaların çok sayıda doku ve organ örneğini inceleyen E. Chargaff, herhangi bir DNA fragmanında guanin kalıntılarının içeriğinin her zaman sitozin ve adenin - timin içeriğine tam olarak karşılık geldiğini buldu ( "Chargaff kuralı"), ancak bu gerçeği açıklayamıyor.

Tamamlayıcılık ilkesinden, bir zincirin nükleotid dizisinin diğerinin nükleotid dizisini belirlediği sonucu çıkar.

DNA iplikçikleri antiparaleldir (çok yönlü), ᴛ.ᴇ. Farklı zincirlerin nükleotidleri zıt yönlerde bulunur ve bu nedenle bir zincirin 3" ucunun karşısında diğerinin 5" ucu bulunur. DNA molekülü bazen sarmal bir merdivene benzetilir. Bu merdivenin “korkuluğu” bir şeker-fosfat omurgasıdır (alternatif deoksiriboz ve fosforik asit kalıntıları); “Adımlar” tamamlayıcı azotlu bazlardır.

DNA'nın işlevi- kalıtsal bilgilerin depolanması ve iletilmesi.

DNA'nın yapısı ve işlevleri - kavram ve türleri. "DNA'nın yapısı ve işlevleri" kategorisinin sınıflandırılması ve özellikleri 2017, 2018.

MOSKOVA, 25 Nisan - RIA Novosti, Tatyana Pichugina. Bundan tam 65 yıl önce İngiliz bilim insanları James Watson ve Francis Crick, DNA'nın yapısının deşifre edilmesiyle ilgili bir makale yayınladılar ve yeni bir bilim olan moleküler biyolojinin temellerini attılar. Bu keşif insanoğlunun hayatında çok şeyi değiştirdi. RIA Novosti, DNA molekülünün özelliklerinden ve neden bu kadar önemli olduğundan bahsediyor.

19. yüzyılın ikinci yarısında biyoloji çok genç bir bilimdi. Bilim adamları hücreyi incelemeye yeni başlıyorlardı ve kalıtımla ilgili fikirler, Gregor Mendel tarafından formüle edilmiş olmasına rağmen geniş çapta kabul görmedi.

1868 baharında, genç İsviçreli doktor Friedrich Miescher, bilimsel çalışmalar yapmak üzere Tübingen Üniversitesi'ne (Almanya) geldi. Bir hücrenin hangi maddelerden oluştuğunu bulmayı amaçladı. Deneyler için irinden elde edilmesi kolay lökositleri seçtim.

Çekirdeği protoplazmadan, proteinlerden ve yağlardan ayıran Miescher, yüksek fosfor içeriğine sahip bir bileşik keşfetti. Bu moleküle nüklein (Latince "çekirdek") - çekirdek adını verdi.

Bu bileşik asidik özellikler sergiledi, bu yüzden “nükleik asit” terimi ortaya çıktı. "Deoksiribo" ön eki, molekülün H grupları ve şekerler içerdiği anlamına gelir. Sonra aslında tuz olduğu ortaya çıktı ama adını değiştirmediler.

20. yüzyılın başında bilim adamları, nükleinin bir polimer (yani tekrarlanan birimlerden oluşan çok uzun, esnek bir molekül) olduğunu, birimlerin dört azotlu bazdan (adenin, timin, guanin ve sitozin) ve nükleinden oluştuğunu zaten biliyorlardı. Bölünen hücrelerde oluşan kompakt yapılar olan kromozomlarda bulunur. Kalıtsal özellikleri aktarma yetenekleri Amerikalı genetikçi Thomas Morgan tarafından meyve sinekleri üzerinde yapılan deneylerde kanıtlandı.

Genleri açıklayan model

Ancak deoksiribonükleik asidin, kısaca DNA'nın hücre çekirdeğinde ne işe yaradığı uzun süredir anlaşılamadı. Kromozomlarda yapısal bir rol oynadığı düşünülüyordu. Kalıtım birimleri (genler) protein doğasına atfedildi. Bu buluş, genetik materyalin bakterilerden bakterilere DNA yoluyla aktarıldığını deneysel olarak kanıtlayan Amerikalı araştırmacı Oswald Avery tarafından gerçekleştirildi.

DNA'nın incelenmesi gerektiği ortaya çıktı. Ama nasıl? O zamanlar bilim adamlarının kullanımına yalnızca X ışınları sağlanıyordu. Biyolojik molekülleri onunla aydınlatmak için kristalleşmeleri gerekiyordu ve bu çok zor. Protein moleküllerinin yapısı Cavendish Laboratuvarı'nda (Cambridge, Birleşik Krallık) X-ışını kırınım desenlerinden çözüldü. Orada çalışan genç araştırmacılar James Watson ve Francis Crick'in DNA hakkında kendi deneysel verileri yoktu, bu yüzden King's College'dan meslektaşları Maurice Wilkins ve Rosalind Franklin'in röntgen görüntülerini kullandılar.

Watson ve Crick, X-ışını modelleriyle tam olarak eşleşen bir DNA yapısı modeli önerdiler: iki paralel şerit, sağ yönlü bir sarmal şeklinde büküldü. Her zincir, şekerlerin ve fosfatların omurgasına dizilmiş rastgele bir dizi nitrojenli bazdan oluşur ve bazlar arasındaki hidrojen bağlarıyla bir arada tutulur. Ayrıca adenin sadece timinle, guanin ise sitozinle birleşir. Bu kurala tamamlayıcılık ilkesi denir.

Watson ve Crick modeli DNA'nın dört ana işlevini açıkladı: genetik materyalin kopyalanması, özgüllüğü, molekülde bilginin depolanması ve mutasyona uğrama yeteneği.

Bilim adamları keşiflerini 25 Nisan 1953'te Nature dergisinde yayınladılar. On yıl sonra Maurice Wilkins ile birlikte Nobel Biyoloji Ödülü'ne layık görüldüler (Rosalind Franklin 1958'de 37 yaşında kanserden öldü).

“Artık, yarım yüzyılı aşkın bir süre sonra, fizikte atom çekirdeğinin keşfiyle aynı rolü oynayan DNA yapısının keşfinin, biyolojinin gelişmesinde rol oynadığını söyleyebiliriz. yeni bir kuantum fiziğinin doğuşu ve DNA yapısının keşfi, yeni bir şeyin, moleküler biyolojinin doğuşuna yol açtı” diye yazıyor seçkin bir genetikçi, DNA araştırmacısı ve “The En Önemli Molekül.”

Genetik kod

Artık geriye sadece bu molekülün nasıl çalıştığını bulmak kalmıştı. DNA'nın, hücredeki tüm işleri yapan hücresel proteinlerin sentezi için talimatlar içerdiği biliniyordu. Proteinler, tekrarlanan amino asit kümelerinden (dizilerinden) oluşan polimerlerdir. Üstelik sadece yirmi amino asit var. Hayvan türleri, hücrelerindeki protein seti yani farklı amino asit dizileri bakımından birbirlerinden farklılık gösterir. Genetik, bu dizilerin, o zamanlar yaşamın yapı taşları olarak hizmet ettiğine inanılan genler tarafından belirlendiğini iddia ediyordu. Ancak hiç kimse genlerin tam olarak ne olduğunu bilmiyordu.

Açıklık, Büyük Patlama teorisinin yazarı, George Washington Üniversitesi'nin (ABD) bir çalışanı olan fizikçi Georgiy Gamow tarafından getirildi. Watson ve Crick'in çift sarmallı DNA sarmalı modeline dayanarak, bir genin DNA'nın bir bölümü, yani belirli bir bağlantı dizisi - nükleotidler olduğunu öne sürdü. Her nükleotid dört azotlu bazdan biri olduğundan, dört elementin yirmiyi nasıl kodladığını bulmamız yeterli. Genetik kodun fikri buydu.

1960'lı yılların başlarında proteinlerin, hücre içinde bir tür "fabrika" olan ribozomlarda bulunan amino asitlerden sentezlendiği anlaşıldı. Protein sentezini başlatmak için bir enzim DNA'ya yaklaşır, genin başlangıcındaki belirli bir bölümü tanır, genin küçük RNA formundaki bir kopyasını (buna şablon denir) sentezler, ardından protein ribozomda büyütülür. amino asitler.

Ayrıca genetik kodun üç harfli olduğunu da buldular. Bu, bir amino asidin üç nükleotide karşılık geldiği anlamına gelir. Kod birimine kodon denir. Ribozomda mRNA'dan gelen bilgi kodon kodon sırasına göre okunur. Ve bunların her biri çeşitli amino asitlere karşılık gelir. Şifre neye benziyor?

Bu soruyu ABD'den Marshall Nirenberg ve Heinrich Mattei yanıtladı. 1961'de sonuçlarını ilk kez Moskova'daki biyokimya kongresinde bildirdiler. 1967 yılına gelindiğinde genetik kod tamamen çözülmüştü. Bilim açısından geniş kapsamlı sonuçları olan tüm organizmaların tüm hücreleri için evrensel olduğu ortaya çıktı.

DNA'nın yapısının ve genetik kodun keşfi, biyolojik araştırmaları tamamen yeniden yönlendirdi. Her bireyin benzersiz bir DNA dizisine sahip olması, adli bilimde devrim yarattı. İnsan genomunun şifresinin çözülmesi, antropologlara türümüzün evrimini incelemek için tamamen yeni bir yöntem sağladı. Yakın zamanda icat edilen DNA editörü CRISPR-Cas, genetik mühendisliğini büyük ölçüde geliştirdi. Görünüşe göre bu molekül, insanlığın en acil sorunlarına çözüm içeriyor: kanser, genetik hastalıklar, yaşlanma.

DNA'nın ömrü (deoksiribonükleik asit)

"DNA"nın tanımı

Gen - Bir RNA molekülünün veya bir protein ürününün oluşumunu belirleyen DNA parçalarının bir koleksiyonudur. (Şarkıcı M., Berg P., 1998).

İnsanlarda yaklaşık 30.000 gen bulunmaktadır. Yapısal genler (yani vücudun yapılarını oluşturmak için kullanılan proteinleri kodlayanlar) DNA'nın tüm hacminde yalnızca %3-10'luk bir yer kaplar.

DNA'nın en küçük fonksiyonel birimi şu unsurlardan oluşur: yapısal gen, düzenleyici bölgeler, düzenleyici genler.

DNA molekülünün yapısı

DNA molekülleri, monomerlerden - nükleotidlerden oluşan uzun çift polimer zincirleri - polinükleotidler biçimindedir. Çift zincir spiral şeklinde bükülür. DNA'nın sarmal bir merdivene benzemesinin nedeni budur (yukarıdaki resme bakın). Her nükleotid dört azotlu bazdan birini içerir: adenin (A), guanin (G), sitozin (C) veya timin (T), bir pentoz molekülü (beş karbonlu şeker) ve bir fosforik asit kalıntısı. Tipik olarak bir DNA molekülü, çift sarmal oluşturan iki tamamlayıcı iplikten oluşur. Bu durumda, bir iplikçikteki adenin diğerinin timini ile eşleşir (iki hidrojen bağıyla stabilize edilir) ve guanin de benzer şekilde sitozinle (üç hidrojen bağı) ilişkilidir. Bir DNA molekülündeki azotlu bazların dizisi, protein sentezi için gerekli bilgileri taşır. DNA, birçok nükleotidden oluşan çok uzun bir moleküldür. Örneğin insan genomu, temeli DNA molekülleri olan ve birlikte yaklaşık 3 milyar nükleotid çiftinden oluşan 46 kromozomdan oluşur.

Ökaryotlarda genetik materyal, kromozomlardaki hücre çekirdeğinde bulunur. Aktif durumdaki kromozomlar kromatin formunda bulunur. Kromatin yaklaşık %40 DNA, %40 histonlar (alkali proteinler), yaklaşık %20 histon olmayan kromozomal proteinler ve bir miktar RNA içerir.

Video:Kromozom yapısı

DNA'yı, genel olarak yaşamın temelinde yer alması ve aynı zamanda üreme yeteneği başta olmak üzere yaşamın en önemli birçok özelliğine sahip olması nedeniyle "canlı sistemler", "canlı moleküller" olarak sınıflandırabiliriz. DNA o kadar bağımsız ve kendi kendine yeterli ki, hücrenin dışında bile virüs şeklinde var olabilir. DNA molekülleri yaşamları boyunca bize daha karmaşık biyolojik sistemlerin, yani canlı organizmaların yaşamını hatırlatan yaşam evrelerinden geçerler. Bunlar doğum, olgunlaşma, çalışma (etkinlik) ve “ölüm” gibi aşamalardır.

Konu: DNA'nın Yapısı

Ev ödevi

1. Nükleotidlerin yapısal formüllerini bilir ve yazabilir: A, T, G, C, U.
2. DNA moleküllerinin yapısını ve kromozomlardaki organizasyonunu bilir.
3. DNA'daki nükleotidlerin dikey ve yatay olarak nasıl bağlandığını bilin. 3"-5" bağlantı konsepti.
4. Boyutu 12 veya daha fazla nükleotidden oluşan bir DNA bölümüne dayalı olarak peptit molekülleri oluşturmak için genetik kod tablosunu kullanabilme.

Video:Kromozomlar, mitoz, replikasyon

Bir DNA molekülünün ömrünün aşamaları

Doğum (çoğaltma) - olgunlaşma (kromozomlar) - çalışma (transkripsiyon) - kontrol (düzenleme) - modifikasyon (mutasyon) - “ölüm”

1. DNA replikasyonu - ana iplikçik üzerinde yeni bir yavru DNA ipliğinin doğuşu.
2. DNA olgunlaşması - kromozom oluşumu.
3. DNA transkripsiyonu - DNA'nın, üzerinde RNA'nın şablon sentezi şeklinde çalışması.
4. Transkripsiyon düzenlemesi - DNA transkripsiyon aktivitelerinin kontrolü.
5. DNA onarımı - hasarlı alanların restorasyonu.
6. DNA yapısındaki değişiklikler - mutasyonlar, transpozonlar.
7. DNA bozulması - her replikasyon döngüsü sırasında yıkım.

1. Doğum - çoğalma

DNA replikasyonu çok basit bir şekilde "bir, iki, üç" sayılarak, yani üç aşamada gerçekleşir: 1) başlama, 2) uzama, 3) sonlanma.

1. Başlatma - başlangıç

Çoğaltmayı başlatmak için hedef

Devasa bir DNA molekülünün replikasyonu, bir replikasyon noktasının ortaya çıkmasıyla başlar. Bu noktanın A-T çiftleri bakımından zengin spesifik bir dizisi vardır. DNA'daki bu alanlar tam da replikasyonu başlatan proteinlerin hedefidir. Replikasyon enzimlerinin bağlanmasını sağlayan özel tanıma proteinleri onlara bağlanır. helikazlar Ve topoizomerazlar(gyrases) ve böylece replikasyon sürecini başlatır. Helikaz DNA'yı iki şerit halinde çözer. Bir çoğaltma çatalı oluşur. DNA molekülü nükleer matrise sıkı bir şekilde bağlanmıştır ve herhangi bir bölüm çözüldüğünde serbestçe dönemez. Bu, helikazın zincir boyunca hareket etmesini engeller. Topoizomeraz DNA iplikçiklerini keser ve yapısal gerilimi azaltır.
Bir replikasyon çatalında zıt yönlerde hareket eden iki helikaz vardır. Ayrılan iplikler DNA bağlayıcı proteinler tarafından sabitlenir. Çoğaltma çatalının oluştuğu yerlere “ori noktaları” (başlangıç ​​– başlangıç) denir. Ökaryotlarda bu türden binlerce çatal aynı anda oluşur ve bu da yüksek bir çoğalma oranı sağlar.

2. Uzama – devam (uzama)

İki ana iplik üzerindeki yavru DNA iplikçiklerinin büyümesi farklı şekilde gerçekleşir. Prokaryotların DNA polimeraz III'ü ve ökaryotların δ- veya α-DNA polimerazları, yeni bir DNA zincirini yalnızca 5'>3' yönünde sentezleyebilir, çünkü sadece 3' pozisyonundaki karbona yeni bir nükleotid ekleyebilir, ancak 5' pozisyonundaki karbona ekleyemez.

Bu yöndeki bir devreye denir önde gelen . Üzerinde, DNA'nın yavru ipliğinin sentezi sürekli olarak meydana gelir. DNA polimeraz III veya δ polimeraz, ona sürekli olarak tamamlayıcı nükleotidler ekler.

Polaritesi 3'>5' olan bir devre geride kalmak ve parçalar halinde tamamlanır (ayrıca 5'>3' yönünde). α-DNA polimeraz (veya DNA polimeraz III), bu zincirdeki kısa bölümleri - Okazaki fragmanlarını - sentezler.

Okazaki parçalarının ve öncü zincirin sentezi oluşumu ile başlar. RNA primerleri (tohum ) Enzim uzunluğuna göre 10-15 ribonükleotid uzunluğunda primaz (RNA polimeraz). DNA polimerazların hiçbiri DNA sentezini sıfırdan başlatma yeteneğine sahip değildir, ancak yalnızca Binayı bitirmek mevcut devre. Öncü iplikçik veya Okazaki fragmanlarının oluşumuna paralel olarak ribonükleotidler primerlerden çıkarılır ve DNA nükleotidleri ile değiştirilir. Ribonükleik asit bölgelerinin (primerlerin) DNA bölgeleriyle değiştirilmesi, hem ekzonükleaz hem de polimeraz aktivitesine sahip olan β-DNA polimeraz kullanılarak gerçekleşir.

Bu nedenle kısmi zamansal transkripsiyon olmadan replikasyon mümkün değildir.

DNA replikasyonunun (uzama) hızı dakikada yaklaşık 45.000 nükleotiddir, dolayısıyla ebeveyn çatalı 4.500 rpm hızında çözülür. Bu, örneğin bir bilgisayardaki soğutma fanının dönüş hızıyla (1300-4800 rpm) karşılaştırılabilir.

3. Fesih - tamamlama (bitiş)

Replikasyonun tamamlanması, Okazaki fragmanları arasındaki boşlukların nükleotidlerle (DNA ligazın katılımıyla) doldurularak iki sürekli çift DNA zinciri oluşturması ve iki replikasyon çatalının karşılaşmasıyla gerçekleşir. Daha sonra sentezlenen DNA süper sarmallar oluşturacak şekilde bükülür.

Replikasyonun doğruluğu, tamamlayıcı baz çiftlerinin tam eşleşmesi ve polimeraza ek olarak eksonükleaz aktivitesine sahip olan ve hataları tanıyıp düzeltebilen DNA polimerazların etkisiyle sağlanır. Tamamlayıcı olmayan bir nükleotid dahil edilirse, enzim bir adım geri gider, onu ayırır ve polimeraz reaksiyonunu sürdürür. Bu nedenle çoğaltma işlemi son derece doğrudur.

Replikasyon tamamlandıktan sonra adenin (N-metiladenin oluşumu ile) ve sitozin kalıntılarında 5-metilsitozin oluşumu ile –GATC- bölgelerinde DNA metilasyonu meydana gelir. Metilasyon zincir tamamlayıcılığını bozmaz ve kromozom yapısının oluşumu ve gen transkripsiyonunun düzenlenmesi için gereklidir.

Bakteriler gibi prokaryotlarda DNA, doğrusal bir molekül halinde düzleşmeden, yani karakteristik dairesel formunda kalarak kopyalanabilir.

Video:P

2. Olgunlaşma – kromozom ve kromatin oluşumu

3. İş - transkripsiyon

Video:Geni engellemek

4. Yönetim - düzenleme

5. Restorasyon (onarım) - onarım

6. Modifikasyon - mutasyon .

7. "Ölüm" - çoğaltma sırasında bozulma.