Deoxyribonucleic acid (DNA) ay isang nucleic acid na naroroon sa bawat organismo at sa bawat buhay na bagay, pangunahin sa nucleus nito, na naglalaman ng deoxyribose bilang asukal, at adenine, guanine, cytosine at thymine bilang nitrogenous base. Gumaganap ng napakahalagang papel na biyolohikal, pag-iingat at pagpapadala ng genetic na impormasyon tungkol sa istruktura, pag-unlad at indibidwal na mga katangian ng anuman katawan. Ang mga paghahanda ng DNA ay maaaring makuha mula sa iba't ibang mga tisyu ng mga hayop at halaman, gayundin mula sa bakterya at bakterya na naglalaman ng DNA.
Ang DNA ay isang biopolymer na binubuo ng maraming monomer - deoxyribonucleotides, na konektado sa pamamagitan ng phosphoric acid residues sa isang tiyak na pagkakasunod-sunod na tiyak sa bawat indibidwal na DNA. Ang natatanging sequence ng deoxyribonucleotides sa isang ibinigay na molekula ng DNA ay kumakatawan sa isang naka-code na talaan ng biological na impormasyon. Dalawang ganoong polynucleotide chain ang bumubuo ng double helix sa isang DNA molecule (tingnan ang Fig. 1), kung saan ang mga complementary base - adenine (A) na may thymine (T) at guanine (G) na may cytosine (C) - ay naka-link sa isa't isa gamit ang hydrogen bonds bonds at tinatawag na hydrophobic interactions. Tinutukoy ng katangiang istraktura na ito hindi lamang ang mga biological na katangian ng DNA, kundi pati na rin ang mga katangiang physicochemical nito.
Mag-click sa larawan upang palakihin:
kanin. 1. Diagram ng double helix ng isang molekula ng DNA (modelo ng Watson at Crick): A - adenine; T - thymine; G - guanine; C - cytosine; D - deoxyribose; F - pospeyt
Ang malaking bilang ng mga residue ng pospeyt ay gumagawa ng DNA na isang malakas na polybasic acid (polyanion), na naroroon sa mga tisyu sa anyo ng mga asin. Ang pagkakaroon ng purine at pyrimidine base ay nagiging sanhi ng matinding pagsipsip ng ultraviolet rays na may maximum na wavelength na mga 260 mm. Kapag pinainit ang mga solusyon sa DNA, humihina ang bono sa pagitan ng mga pares ng base at sa isang tiyak na katangian ng temperatura ng isang naibigay na DNA (karaniwan ay 80 - 90°), dalawang polynucleotide chain ang pinaghihiwalay sa isa't isa (natutunaw, o denaturation, ng DNA).
Ang mga katutubong molekula ng DNA ay may napakataas na molar mass - hanggang sa daan-daang milyon. Sa mitochondria lamang, pati na rin sa ilang mga virus at bakterya, ang molar mass ng DNA ay makabuluhang mas mababa; sa mga kasong ito, ang mga molekula ng DNA ay may pabilog (kung minsan, halimbawa, sa phage ∅X174, single-stranded) o, mas madalas, isang linear na istraktura. Sa cell nucleus, ang DNA ay nakararami na matatagpuan sa anyo ng mga protina ng DNA - mga complex na may (pangunahin na mga histones) na bumubuo ng mga katangiang istrukturang nuklear - mga chromosome at chromatin. Sa isang indibidwal ng isang partikular na species, ang nucleus ng bawat somatic cell (diploid body cell) ay naglalaman ng pare-parehong dami ng DNA; sa nuclei ng mga selula ng mikrobyo (haploid) ito ay kalahating mababa. Sa polyploidy, ang dami ng DNA ay mas mataas at proporsyonal sa ploidy. Sa panahon ng paghahati ng cell, dumodoble ang dami ng DNA sa interphase (sa tinatawag na synthetic, o “S” period, sa pagitan ng G1 at G2 period). Ang proseso ng pagdoble ng DNA (pagtitiklop) ay nagsasangkot ng paglalahad ng isang double helix at ang synthesis ng isang bagong komplementaryong chain sa bawat polynucleotide chain. Kaya, ang bawat isa sa dalawang bagong molekula ng DNA, na kapareho ng lumang molekula, ay naglalaman ng isang luma at isang bagong synthesize na polynucleotide chain.
Ang biosynthesis ng DNA ay nangyayari mula sa mga libreng nucleoside triphosphate na mayaman sa enerhiya sa ilalim ng pagkilos ng enzyme DNA polymerase. Una, ang mga maliliit na seksyon ng polimer ay na-synthesize, na pagkatapos ay pinagsama sa mas mahabang mga kadena sa pamamagitan ng pagkilos ng enzyme DNA ligase. Sa labas ng katawan, ang biosynthesis ng DNA ay nangyayari sa pagkakaroon ng lahat ng 4 na uri ng deoxyribonucleoside triphosphate, kaukulang mga enzyme at DNA - ang matrix kung saan na-synthesize ang complementary nucleotide sequence. Amerikano Ang siyentipiko, biochemist na si Arthur Kornberg, na unang nagsagawa ng reaksyong ito noong 1967, ay nakakuha ng biologically active viral DNA sa pamamagitan ng enzymatic synthesis sa labas ng katawan. Noong 1968, ang Indian at American molecular biologist na si Har Gobind Korana ay kemikal na nag-synthesize ng polydeoxyribonucleotide na naaayon sa structural gene (cistron) ng DNA.
Ang DNA ay nagsisilbi rin bilang isang template para sa synthesis ng ribonucleic acids (RNA), sa gayon ay tinutukoy ang kanilang pangunahing istraktura (transkripsyon). Sa pamamagitan ng messenger RNA (i-RNA), ang pagsasalin ay isinasagawa - ang synthesis ng mga tiyak na protina, ang istraktura na ibinigay ng DNA sa anyo ng isang tiyak na pagkakasunud-sunod ng nucleotide. Kaya, kung ang RNA ay naglilipat ng biological na impormasyon na "naitala" sa mga molekula ng DNA sa mga synthesized na molekula ng protina, pagkatapos ay iniimbak ng DNA ang impormasyong ito at ipinapasa ito sa mana. Ang papel na ito ng DNA ay napatunayan ng katotohanan na ang purified DNA ng isang strain ng bacteria ay may kakayahang ilipat sa isa pang strain na katangian na katangian ng donor strain, at gayundin sa katotohanan na ang DNA ng isang virus na nanirahan sa isang latent state sa bacteria. ng isang strain ay may kakayahang ilipat ang mga seksyon ng DNA ng mga bakteryang ito sa isa pang strain kapag nahawahan ng virus na ito at magparami ng mga kaukulang katangian sa strain ng tatanggap. Kaya, ang mga hereditary inclinations (genes) ay materyal na nakapaloob sa isang tiyak na pagkakasunud-sunod ng mga nucleotide sa mga seksyon ng molekula ng DNA at maaaring mailipat mula sa isang indibidwal patungo sa isa pa kasama ng mga seksyong ito. Ang mga namamana na pagbabago sa mga organismo (mutations) ay nauugnay sa mga pagbabago, pagkawala o pagsasama ng mga nitrogenous base sa polynucleotide chain ng DNA at maaaring sanhi ng pisikal o kemikal na mga impluwensya.
Ang pagtukoy sa istruktura ng mga molekula ng DNA at pagpapalit ng mga ito ay ang paraan upang makakuha ng mga namamana na pagbabago sa mga hayop, halaman at mikroorganismo, gayundin para itama ang mga namamanang depekto. (Sobyet at Ruso siyentipiko, biochemist, akademiko ng Russian Academy of Medical Sciences, propesor Ilya Borisovich Zbarsky (Oktubre 26, 1913, Kamenets-Podolsky - Nobyembre 9, 2007, Moscow))
Noong 1977, iminungkahi ng English biochemist na si Frederick Sanger ang isang paraan para sa pag-decipher ng pangunahing istruktura ng DNA, batay sa enzymatic synthesis ng isang mataas na radioactive na komplementaryong DNA sequence sa pinag-aralan na single-stranded na DNA bilang isang template. Bilang resulta ng pananaliksik sa larangan ng mga nucleic acid, noong 1980 si Sanger at ang American W. Gilbert ay iginawad sa kalahati ng Nobel Prize "para sa kanilang kontribusyon sa pagpapasiya ng pagkakasunud-sunod ng mga base sa mga nucleic acid." Ang iba pang kalahati ng premyo ay iginawad sa American P. Berg.
Sa ordinaryong buhay (i.e. hindi sa agham) Ginagamit ang DNA upang maitaguyod ang pagiging ama At pagtatatag ng pagkakakilanlan ng isang tao kapag, kung ang katawan ay nasira (aksidente, sunog, atbp.), imposibleng makilala ang katawan batay sa panlabas na data at nananatili.
Noong Setyembre 10, 1984, natuklasan ang pagiging natatangi ng DNA - "genetic fingerprints".
Ang katawan ng karaniwang tao ay naglalaman ng sapat na DNA upang maabot mula sa Araw hanggang Pluto at pabalik ng napakalaking 17 beses! Ang genome ng tao (ang genetic code sa bawat cell ng tao) ay naglalaman ng 23 molekula ng DNA (tinatawag na chromosome), bawat isa ay naglalaman ng pagitan ng 500,000 at 2.5 milyong mga pares ng nucleotide. Ang mga molekula ng DNA na ganito ang laki ay mula 1.7 hanggang 8.5 cm ang haba kapag natanggal - humigit-kumulang 5 cm sa karaniwan. Ang bawat isa sa atin ay nagbabahagi ng 99% ng ating DNA sa bawat ibang tao. Mas magkamukha tayo kaysa magkaiba.
Higit pang mga detalye tungkol sa DNA sa panitikan:
- Chemistry at biochemistry ng mga nucleic acid, inedit ni I. B. Zbarsky at Sergei Sergeevich Debov, L., 1968;
- Mga nucleic acid, pagsasalin mula sa Ingles, inedit ni I. B. Zbarsky, M., 1966;
- James Watson. Molecular biology ng gene, trans. mula sa English, M., 1967;
- Davidson J., Biochemistry ng Nucleic Acids, trans. mula sa Ingles, inedit ni Andrei Nikolaevich Belozersky, M., 1968. I. B. Zbarsky;
- Alberts B., Bray D., Lewis J. et al. Molecular biology ng mga cell sa 3 volume. - M.: Mir, 1994. - 1558 p. - ISBN 5-03-001986-3;
- Dawkins R. Ang makasariling gene. - M.: Mir, 1993. - 318 p. - ISBN 5-03-002531-6;
- Kasaysayan ng biology mula sa simula ng ika-20 siglo hanggang sa kasalukuyan. - M.: Nauka, 1975. - 660 p.;
- Lewin B. Genes. - M.: Mir, 1987. - 544 p.;
- Ptashne M. Gene switching. Regulasyon ng aktibidad ng gene at phage lambda. - M.: Mir, 1989. - 160 p.;
- Watson J.D. Ang double helix: mga alaala ng pagtuklas ng istruktura ng DNA. - M.: Mir, 1969. - 152 p.
Sa paksa ng artikulo:
Maghanap ng ibang bagay na kawili-wili:
Upang gawing mas malinaw ang karagdagang salaysay para sa mambabasa, tingnan muna natin nang mabuti kung paano gumagana ang kakaiba at mahiwagang molekula ng DNA na ito.
Kaya, ang DNA ay binubuo ng 4 na nitrogenous base, pati na rin ang asukal (deoxyribose) at phosphoric acid. Dalawang nitrogenous base (dinaglat bilang C at T) ay nabibilang sa klase ng tinatawag na pyrimidine base, at ang dalawa pa (A at D) ay purine base. Ang dibisyon na ito ay dahil sa mga tampok ng kanilang mga istraktura, na ipinapakita sa Fig. 1.
kanin. 1. Ang istraktura ng mga nitrogenous base (elementarya na "mga titik") kung saan binuo ang molekula ng DNA
Ang mga indibidwal na base ay naka-link sa DNA chain sa pamamagitan ng sugar-phosphate bonds. Ang mga koneksyon na ito ay inilalarawan sa sumusunod na figure (Larawan 2).
kanin. 2. Kemikal na istraktura ng isang DNA chain
Ang lahat ng ito ay kilala sa mahabang panahon. Ngunit ang detalyadong istraktura ng molekula ng DNA ay naging malinaw lamang halos 90 taon pagkatapos ng sikat na mga gawa ni Mendel at ang pagtuklas kay Miescher. Abril 25, 1953 sa English magazine "Kalikasan" Isang maikling liham mula sa mga bata at noon ay hindi kilalang mga siyentipiko na sina James Watson at Francis Crick sa editor ng journal ay nai-publish. Nagsimula ito sa mga salitang: “Nais naming ialay ang aming mga saloobin sa istruktura ng asin sa DNA. Ang istrukturang ito ay may mga bagong katangian na may malaking biological na interes." Ang artikulo ay naglalaman lamang ng mga 900 salita, ngunit - at ito ay hindi isang pagmamalabis - bawat isa sa kanila ay naging katumbas ng timbang nito sa ginto.
At nagsimula ang lahat ng ganito. Noong 1951, sa isang symposium sa Naples, nakipagpulong ang Amerikanong si James Watson sa Englishman na si Maurice Wilkins. Siyempre, hindi nila maisip noon na bilang resulta ng pagpupulong na ito ay magiging mga Nobel laureate sila. Sa oras na iyon, si Wilkins at ang kanyang kasamahan na si Rosalind Franklin ay nagsagawa ng X-ray diffraction analysis ng DNA sa University of Cambridge at natukoy na ang molekula ng DNA ay malamang na isang helix. Pagkatapos ng isang pag-uusap kay Wilkins, si Watson ay "nagputok" at nagpasya na pag-aralan ang istraktura ng mga nucleic acid. Lumipat siya sa Cambridge, kung saan nakilala niya si Francis Crick. Nagpasya ang mga siyentipiko na magtulungan upang subukang maunawaan kung paano gumagana ang DNA. Ang trabaho ay hindi nagsimula sa simula. Alam na ng mga mananaliksik ang tungkol sa pagkakaroon ng dalawang uri ng nucleic acid (DNA at RNA), at alam din nila kung ano ang binubuo ng mga ito. Mayroon silang mga larawan sa pagtatapon ng X-ray diffraction analysis na nakuha ni R. Franklin. Bilang karagdagan, si Erwin Chargaff ay nagbalangkas sa oras na iyon ng isang napakahalagang panuntunan, ayon sa kung saan sa DNA ang numero A ay palaging katumbas ng numero T, at ang numero G ay katumbas ng numero C. At pagkatapos ay gumana ang "laro ng isip" . Ang resulta ng "laro" na ito ay isang artikulo sa journal Nature, kung saan inilarawan nina J. Watson at F. Crick ang teoretikal na modelo na kanilang nilikha para sa istraktura ng molekula ng DNA. (Si Watson ay hindi pa 25 taong gulang sa oras na ito, at si Crick ay 37). Ayon sa kanilang "pang-agham na pantasya," na gayunpaman ay batay sa ilang matatag na itinatag na mga katotohanan, ang molekula ng DNA ay dapat na binubuo ng dalawang higanteng polymer chain. Ang mga yunit ng bawat polimer ay binubuo ng nucleotides: carbohydrate deoxyribose, isang phosphoric acid residue at isa sa 4 nitrogenous bases (A, G, T o C). Ang pagkakasunud-sunod ng mga link sa chain ay maaaring anuman, ngunit ang pagkakasunud-sunod na ito ay mahigpit na nauugnay sa pagkakasunud-sunod ng mga link sa isa pang (ipinares) na polymer chain: sa tapat ng A ay dapat mayroong T, sa tapat ng T ay dapat mayroong A, sa tapat ng C ay dapat mayroong G , at sa tapat ng G dapat mayroong C ( tuntunin ng komplementaridad) (Larawan 3).
kanin. 3. Scheme ng pakikipag-ugnayan ng dalawang pantulong na kadena sa isang molekula ng DNA
Ang dalawang polymer chain ay pinaikot sa isang regular na double helix. Pinagsasama ang mga ito ng hydrogen bond sa pagitan ng mga pares ng base (A-T at G-C) tulad ng mga baitang ng isang hagdan. Para sa kadahilanang ito, ang dalawang hibla ng DNA ay sinasabing komplementaryo. Ito ay hindi nakakagulat para sa kalikasan. Maraming mga halimbawa ng complementarity. Halimbawa, ang mga sinaunang simbolo ng Tsino na "yin" at "yang", mga socket at plug pin ay pantulong.
Ang DNA double helix ay ipinapakita sa eskematiko sa Fig. 4. Sa panlabas, ito ay kahawig ng isang hagdan ng lubid, na nakabaluktot sa isang kanang spiral. Ang mga hakbang sa hagdan na ito ay mga pares ng nucleotides, at ang "sidewalls" na nag-uugnay sa kanila ay binubuo ng isang sugar-phosphate backbone.
kanin. 4. Ang sikat na DNA double helix a - X-ray diffraction pattern ng DNA na nakuha ni R. Franklin, na tumulong kina Watson at Crick na mahanap ang susi sa double-helix na istraktura ng DNA; b - Schematic na representasyon ng isang double-stranded na molekula ng DNA
Ito ay kung paano natuklasan ang sikat na "double helix". Kung ang pagkakasunud-sunod ng mga link (nucleotides) sa DNA ay itinuturing na pangunahing istraktura nito, kung gayon ang double helix ay ang pangalawang istraktura ng DNA. Ang modelong "double helix" na iminungkahi nina Watson at Crick ay eleganteng nalutas hindi lamang ang problema ng pag-coding ng impormasyon, kundi pati na rin ang pagdodoble ng gene (pagtitiklop).
Noong 1962, natanggap nina J. Watson, F. Crick at Maurice Wilkins ang Nobel Prize para sa tagumpay na ito. At ang DNA ay tinawag na pinakamahalagang molekula ng buhay na kalikasan. Sa lahat ng ito, siyempre, ang tumpak na impormasyon tungkol sa istraktura ng DNA ay gumaganap ng isang papel, ngunit hindi gaanong ganoon din ang "visionary" na mga konstruksyon ng isang kumplikadong spatial na istraktura, na kinakailangan mula sa mga mananaliksik hindi lamang lohika, kundi pati na rin ang malikhaing imahinasyon - isang likas na kalidad. sa mga artista, manunulat at makata. "Dito sa Cambridge, marahil ang pinakatanyag na kaganapan sa biology mula nang maganap ang aklat ni Darwin - natuklasan nina Watson at Crick ang istraktura ng gene!" - ang kanyang dating mag-aaral na si M. Delbrück ay sumulat kay Niels Bohr sa Copenhagen noong panahong iyon. Ang sikat na artistang Espanyol na si Salvador Dali, pagkatapos ng pagtuklas ng double helix, ay nagsabi na para sa kanya ito ay patunay ng pagkakaroon ng Diyos, at inilalarawan ang DNA sa isa sa kanyang mga kuwadro na gawa.
Kaya, ang masinsinang brainstorming na isinagawa ng mga siyentipiko ay natapos sa kumpletong tagumpay! Sa isang makasaysayang sukat, ang pagtuklas ng istruktura ng DNA ay maihahambing sa pagtuklas ng istraktura ng atom. Kung ang pagpapaliwanag ng istraktura ng atom ay humantong sa paglitaw ng quantum physics, kung gayon ang pagtuklas ng istruktura ng DNA ay nagbunga ng molecular biology.
Ano ang mga pangunahing pisikal na parameter ng DNA ng tao - ang pangunahing molekula na ito? Ang diameter ng double helix ay 2 nanometer (1 nm = 10-9 m); ang distansya sa pagitan ng mga katabing base pairs ("hakbang") ay 0.34 nm; ang isang pagliko ng helix ay binubuo ng 10 base pairs. Ang pagkakasunud-sunod ng mga pares ng nucleotide sa DNA ay hindi regular, ngunit ang mga pares mismo ay nakaayos sa molekula tulad ng sa isang kristal. Nagbigay ito ng mga batayan upang makilala ang molekula ng DNA bilang isang linear na aperiodic na kristal. Ang bilang ng mga indibidwal na molekula ng DNA sa isang cell ay katumbas ng bilang ng mga chromosome. Ang haba ng naturang molekula sa pinakamalaking human chromosome 1 ay humigit-kumulang 8 cm. Ang mga higanteng polymer ay hindi pa nakikilala sa kalikasan o sa mga artipisyal na synthesized na kemikal na compound. Sa mga tao, ang haba ng lahat ng molekula ng DNA na nasa lahat ng chromosome sa isang cell ay humigit-kumulang 2 metro. Dahil dito, ang haba ng mga molekula ng DNA ay isang bilyong beses na mas malaki kaysa sa kanilang kapal. Dahil ang pang-adultong katawan ng tao ay binubuo ng humigit-kumulang 5x1013 - 1014 na mga cell, ang kabuuang haba ng lahat ng mga molekula ng DNA sa katawan ay 1011 km (ito ay halos isang libong beses ang distansya mula sa Earth hanggang sa Araw). Ito ay kung ano ito, ang kabuuang DNA ng isang tao lamang!
Kapag pinag-uusapan natin ang laki ng genome, ibig sabihin ang kabuuang nilalaman ng DNA sa isang set ng nuclear chromosome. Ang hanay ng mga chromosome na ito ay tinatawag na haploid. Ang katotohanan ay ang karamihan sa mga selula sa ating katawan ay naglalaman ng isang dobleng (diploid) na hanay ng ganap na magkaparehong mga kromosom (sa mga lalaki lamang 2 mga kromosom sa sex ang naiiba). Ang mga sukat ng genome ay ibinibigay sa mga dalton, mga pares ng nucleotide (bp), o picograms (pg). Ang ugnayan sa pagitan ng mga yunit na ito ng pagsukat ay ang mga sumusunod: 1 pg = 10-9 mg = 0.6x1012 dalton = 0.9x109 bp. (mula ngayon ay higit na gagamitin natin ang p.n.). Ang haploid human genome ay naglalaman ng humigit-kumulang 3.2 bilyong bp, na katumbas ng 3.5 pg ng DNA. Kaya, ang nucleus ng isang selula ng tao ay naglalaman ng humigit-kumulang 7 pg ng DNA. Kung isasaalang-alang natin na ang average na bigat ng isang cell ng tao ay humigit-kumulang 1000 pg, kung gayon madaling kalkulahin na ang DNA ay bumubuo ng mas mababa sa 1% ng timbang ng cell. Gayunpaman, upang kopyahin sa pinakamaliit na font (tulad ng sa mga direktoryo ng telepono) ang napakalaking impormasyon na nilalaman ng mga molekula ng DNA ng isa sa ating mga selula, isang libong aklat na may 1000 pahina bawat isa ay kakailanganin! Ito ang buong sukat ng genome ng tao - isang Encyclopedia na nakasulat sa apat na letra.
Ngunit hindi dapat isipin ng isang tao na ang genome ng tao ang pinakamalaki sa lahat ng umiiral sa kalikasan. Halimbawa, sa mga salamander at liryo, ang haba ng mga molekula ng DNA na nasa isang cell ay tatlumpung beses na mas malaki kaysa sa mga tao.
Dahil ang mga molekula ng DNA ay napakalaki sa laki, maaari silang ihiwalay at makita kahit sa bahay. Ito ay kung paano inilarawan ang simpleng pamamaraan na ito sa rekomendasyon para sa bilog na "Young Geneticist". Una, kailangan mong kumuha ng anumang tissue mula sa mga hayop o halaman (halimbawa, isang mansanas o isang piraso ng manok). Pagkatapos ay kailangan mong i-cut ang tela sa mga piraso at ilagay ang 100 g sa isang regular na panghalo. Pagkatapos magdagdag ng 1/8 kutsarita ng asin at 200 ML ng malamig na tubig, talunin ang buong timpla sa isang panghalo sa loob ng 15 segundo. Susunod, ang whipped mixture ay sinala sa pamamagitan ng isang strainer. Sa nagresultang pulp kailangan mong magdagdag ng 1/6 ng halaga nito (ito ay magiging mga 2 tablespoons) ng detergent (para sa mga pinggan, halimbawa) at haluing mabuti. Pagkatapos ng 5-10 minuto, ang likido ay ibinubuhos sa mga test tube o anumang iba pang lalagyan ng salamin upang hindi hihigit sa isang katlo ng dami ang mapuno sa bawat isa sa kanila. Pagkatapos ay idinagdag dito ang kaunting juice na piniga mula sa pinya o isang solusyon na ginagamit sa pag-imbak ng mga contact lens. Ang lahat ng nilalaman ay inalog. Ito ay dapat gawin nang maingat, dahil kung ikaw ay nanginginig nang napakalakas, ang mga higanteng molekula ng DNA ay masisira at pagkatapos nito ay hindi ka na makakakita ng anuman sa iyong mga mata. Susunod, ang isang pantay na dami ng ethyl alcohol ay dahan-dahang ibinubuhos sa test tube upang ito ay bumuo ng isang layer sa ibabaw ng pinaghalong. Kung paikutin mo ang isang glass rod sa isang test tube, isang malapot at halos walang kulay na masa ang "masugatan" sa paligid nito, na siyang paghahanda ng DNA.
| |
Ang DNA ay ang molekular na batayan ng genomeGenetic na gramatika
Ang DNA ay isang unibersal na mapagkukunan at tagapag-ingat ng namamana na impormasyon, na naitala gamit ang isang espesyal na pagkakasunud-sunod ng mga nucleotides; tinutukoy nito ang mga katangian ng lahat ng nabubuhay na organismo.
Ang average na molekular na timbang ng isang nucleotide ay ipinapalagay na 345, at ang bilang ng mga nalalabi sa nucleotide ay maaaring umabot ng ilang daan, libo, at kahit milyon-milyon. Ang DNA ay kadalasang matatagpuan sa nuclei ng mga selula. Bahagyang matatagpuan sa mga chloroplast at mitochondria. Gayunpaman, ang DNA ng cell nucleus ay hindi isang molekula. Binubuo ito ng maraming mga molekula na ipinamamahagi sa iba't ibang mga kromosom, ang kanilang bilang ay nag-iiba depende sa organismo. Ito ang mga tampok na istruktura ng DNA.
Kasaysayan ng pagtuklas ng DNA
Ang istraktura at mga pag-andar ng DNA ay natuklasan nina James Watson at Francis Crick, at ginawaran pa sila ng Nobel Prize noong 1962.
Ngunit ang Swiss scientist na si Friedrich Johann Miescher, na nagtrabaho sa Germany, ang unang nakatuklas ng mga nucleic acid. Noong 1869, pinag-aralan niya ang mga selula ng hayop - mga leukocytes. Upang makuha ang mga ito, gumamit siya ng mga bendahe na may nana, na nakuha niya mula sa mga ospital. Nilinis ni Mischer ang mga leukocyte mula sa nana at nakahiwalay na protina mula sa kanila. Sa panahon ng mga pag-aaral na ito, naitatag ng siyentipiko na sa mga leukocytes, bilang karagdagan sa mga protina, mayroong iba pa, ang ilang sangkap na hindi alam sa oras na iyon. Isa itong mala-thread o flocculent na sediment na inilabas kung may nabuong acidic na kapaligiran. Agad na natunaw ang precipitate kapag idinagdag ang alkali.
Gamit ang isang mikroskopyo, natuklasan ng siyentipiko na kapag ang mga leukocyte ay hinugasan ng hydrochloric acid, ang mga nuclei ay nananatili mula sa mga selula. Pagkatapos ay napagpasyahan niya na mayroong isang hindi kilalang sangkap sa nucleus, na tinawag niyang nuclein (ang salitang nucleus sa pagsasalin ay nangangahulugang nucleus).
Matapos magsagawa ng chemical analysis, nalaman ni Miescher na ang bagong substance ay naglalaman ng carbon, hydrogen, oxygen at phosphorus. Noong panahong iyon, kakaunti ang nalalaman tungkol sa mga organophosphorus compound, kaya naniniwala si Friedrich na natuklasan niya ang isang bagong klase ng mga compound na matatagpuan sa cell nucleus.
Kaya, noong ika-19 na siglo ang pagkakaroon ng mga nucleic acid ay natuklasan. Gayunpaman, sa oras na iyon ay walang sinuman ang makapag-isip tungkol sa mahalagang papel na ginampanan nila.
Sangkap ng pagmamana
Ang istraktura ng DNA ay patuloy na pinag-aralan, at noong 1944 isang grupo ng mga bacteriologist na pinamumunuan ni Oswald Avery ang nakatanggap ng katibayan na ang molekula na ito ay nararapat na seryosong pansin. Ang siyentipiko ay gumugol ng maraming taon sa pag-aaral ng pneumococci, mga organismo na nagdulot ng pulmonya, o sakit sa baga. Nagsagawa ng mga eksperimento si Avery sa pamamagitan ng paghahalo ng pneumococci na nagdudulot ng sakit sa mga ligtas para sa mga buhay na organismo. Una, pinatay ang mga cell na nagdudulot ng sakit, at pagkatapos ay idinagdag sa kanila ang mga hindi nagdulot ng sakit.
Ang mga resulta ng pananaliksik ay namangha sa lahat. May mga buhay na selula na, pagkatapos makipag-ugnayan sa mga patay, natutong magdulot ng sakit. Nalaman ng siyentipiko ang likas na katangian ng sangkap na kasangkot sa proseso ng pagpapadala ng impormasyon sa mga buhay na selula mula sa mga patay. Ang molekula ng DNA ay naging sangkap na ito.
Istruktura
Kaya, kinakailangang maunawaan kung anong istraktura ang mayroon ang molekula ng DNA. Ang pagtuklas ng istraktura nito ay isang makabuluhang kaganapan; ito ay humantong sa pagbuo ng molecular biology - isang bagong sangay ng biochemistry. Ang DNA ay matatagpuan sa malalaking dami sa nuclei ng mga selula, ngunit ang laki at bilang ng mga molekula ay nakasalalay sa uri ng organismo. Ito ay itinatag na ang nuclei ng mga selula ng mammalian ay naglalaman ng marami sa mga selulang ito, sila ay ipinamamahagi kasama ang mga chromosome, mayroong 46 sa kanila.
Habang pinag-aaralan ang istruktura ng DNA, noong 1924 unang itinatag ni Feulgen ang lokalisasyon nito. Ang ebidensya na nakuha mula sa mga eksperimento ay nagpakita na ang DNA ay matatagpuan sa mitochondria (1-2%). Sa ibang lugar, ang mga molekulang ito ay matatagpuan sa panahon ng impeksyon sa viral, sa mga basal na katawan, at gayundin sa mga itlog ng ilang hayop. Ito ay kilala na ang mas kumplikadong organismo, mas malaki ang masa ng DNA. Ang bilang ng mga molecule na naroroon sa isang cell ay depende sa function at kadalasan ay 1-10%. Ang pinakamaliit sa mga ito ay matatagpuan sa myocytes (0.2%), ang karamihan sa mga cell ng mikrobyo (60%).
Ang istraktura ng DNA ay nagpakita na sa mga chromosome ng mas mataas na mga organismo sila ay nauugnay sa mga simpleng protina - albumin, histones at iba pa, na magkakasamang bumubuo ng DNP (deoxyribonucleoprotein). Karaniwan, ang isang malaking molekula ay hindi matatag, at upang ito ay manatiling buo at hindi nagbabago sa panahon ng ebolusyon, ang isang tinatawag na sistema ng pag-aayos ay nilikha, na binubuo ng mga enzyme - ligases at nucleases, na responsable para sa "pag-aayos" ng molekula.
Kemikal na istraktura ng DNA
Ang DNA ay isang polimer, isang polynucleotide, na binubuo ng isang malaking bilang (hanggang sampu-sampung libong milyon) ng mga mononucleotide. Ang istraktura ng DNA ay ang mga sumusunod: ang mononucleotides ay naglalaman ng mga nitrogenous base - cytosine (C) at thymine (T) - mula sa pyrimidine derivatives, adenine (A) at guanine (G) - mula sa purine derivatives. Bilang karagdagan sa mga nitrogenous base, ang molekula ng tao at hayop ay naglalaman ng 5-methylcytosine, isang menor de edad na base ng pyrimidine. Ang mga nitrogenous base ay nagbubuklod sa phosphoric acid at deoxyribose. Ang istraktura ng DNA ay ipinapakita sa ibaba.
Mga panuntunan ng Chargaff
Ang istruktura at biyolohikal na papel ng DNA ay pinag-aralan ni E. Chargaff noong 1949. Sa kanyang pananaliksik, natukoy niya ang mga pattern na naobserbahan sa dami ng pamamahagi ng mga nitrogenous base:
- ∑T + C = ∑A + G (iyon ay, ang bilang ng mga base ng pyrimidine ay katumbas ng bilang ng mga base ng purine).
- Ang bilang ng mga nalalabi ng adenine ay palaging katumbas ng bilang ng mga nalalabi sa thymine, at ang bilang ng mga guanine ay katumbas ng cytosine.
- Ang specificity coefficient ay may formula: G+C/A+T. Halimbawa, para sa isang tao ito ay 1.5, para sa isang toro ay 1.3.
- Ang kabuuan ng "A + C" ay katumbas ng kabuuan ng "G + T", iyon ay, mayroong kasing dami ng adenine at cytosine bilang guanine at thymine.
Modelo ng istruktura ng DNA
Ito ay nilikha nina Watson at Crick. Ang mga residue ng phosphate at deoxyribose ay matatagpuan sa kahabaan ng gulugod ng dalawang polynucleotide chain na pinaikot sa isang spiral na paraan. Natukoy na ang mga planar na istruktura ng mga base ng pyrimidine at purine ay matatagpuan patayo sa axis ng chain at anyo, tulad ng mga hakbang ng isang hagdan sa anyo ng isang spiral. Napagtibay din na ang A ay palaging konektado sa T gamit ang dalawang hydrogen bond, at ang G ay nakakabit sa C ng tatlo sa parehong mga bono. Ang hindi pangkaraniwang bagay na ito ay binigyan ng pangalang "prinsipyo ng pagpili at pagkakatugma."
Mga antas ng istrukturang organisasyon
Ang polynucleotide chain na nakabaluktot na parang spiral ay isang pangunahing istraktura na may tiyak na qualitative at quantitative na hanay ng mga mononucleotides na naka-link ng isang 3',5'-phosphodiester bond. Kaya, ang bawat isa sa mga kadena ay may 3' dulo (deoxyribose) at isang 5' dulo (phosphate). Ang mga lugar na naglalaman ng genetic information ay tinatawag na structural genes.
Ang double helix molecule ay ang pangalawang istraktura. Bukod dito, ang mga polynucleotide chain nito ay antiparallel at iniuugnay ng hydrogen bonds sa pagitan ng mga pantulong na base ng mga chain. Ito ay itinatag na ang bawat pagliko ng helix na ito ay naglalaman ng 10 nucleotide residues, ang haba nito ay 3.4 nm. Ang istrakturang ito ay sinusuportahan din ng mga puwersa ng interaksyon ng van der Waals, na sinusunod sa pagitan ng mga base ng parehong kadena, kabilang ang mga nakakasuklam at kaakit-akit na mga bahagi. Ang mga puwersang ito ay ipinaliwanag sa pamamagitan ng pakikipag-ugnayan ng mga electron sa mga kalapit na atomo. Ang pakikipag-ugnayan ng electrostatic ay nagpapatatag din sa pangalawang istraktura. Nangyayari ito sa pagitan ng mga molekula ng histone na may positibong charge at isang strand ng DNA na may negatibong charge.
Ang tertiary na istraktura ay ang paikot-ikot ng mga hibla ng DNA sa paligid ng mga histone, o supercoiling. Limang uri ng mga histone ang inilarawan: H1, H2A, H2B, H3, H4.
Ang pagtitiklop ng mga nucleosome sa chromatin ay isang quaternary na istraktura, kaya ang isang molekula ng DNA na ilang sentimetro ang haba ay maaaring matiklop hanggang sa 5 nm.
Mga Pag-andar ng DNA
Ang pangunahing pag-andar ng DNA ay:
- Imbakan ng namamana na impormasyon. Ang pagkakasunud-sunod ng mga amino acid na matatagpuan sa isang molekula ng protina ay tinutukoy ng pagkakasunud-sunod kung saan ang mga nalalabi ng nucleotide ay matatagpuan sa molekula ng DNA. Ini-encrypt din nito ang lahat ng impormasyon tungkol sa mga katangian at katangian ng organismo.
- Ang DNA ay may kakayahang magpadala ng namamana na impormasyon sa susunod na henerasyon. Ito ay posible dahil sa kakayahan ng pagtitiklop - self-duplication. Ang DNA ay may kakayahang maghiwa-hiwalay sa dalawang komplementaryong kadena, at sa bawat isa sa kanila (alinsunod sa prinsipyo ng complementarity) ang orihinal na pagkakasunud-sunod ng nucleotide ay naibalik.
- Sa tulong ng DNA, nangyayari ang biosynthesis ng mga protina, enzymes at hormones.
Konklusyon
Ang istraktura ng DNA ay nagpapahintulot na ito ay maging tagapag-ingat ng genetic na impormasyon at ipasa din ito sa mga susunod na henerasyon. Anong mga katangian mayroon ang molekula na ito?
- Katatagan. Posible ito dahil sa mga bono ng glycosidic, hydrogen at phosphodiester, pati na rin ang mekanismo ng pagkumpuni ng sapilitan at kusang pinsala.
- Posibilidad ng pagtitiklop. Ang mekanismong ito ay nagpapahintulot sa diploid na bilang ng mga chromosome na mapanatili sa mga somatic cells.
- Ang pagkakaroon ng isang genetic code. Sa pamamagitan ng mga proseso ng pagsasalin at transkripsyon, ang pagkakasunud-sunod ng mga base na matatagpuan sa DNA ay na-convert sa isang sequence ng mga amino acid na matatagpuan sa polypeptide chain.
- Kapasidad para sa genetic recombination. Sa kasong ito, nabuo ang mga bagong kumbinasyon ng mga gene na naka-link sa isa't isa.
Kaya, ang istraktura at mga pag-andar ng DNA ay nagbibigay-daan dito upang maglaro ng isang napakahalagang papel sa mga nabubuhay na nilalang. Ito ay kilala na ang haba ng 46 na molekula ng DNA na matatagpuan sa bawat selula ng tao ay halos 2 m, at ang bilang ng mga pares ng nucleotide ay 3.2 bilyon.
Ang nucleus ay naglalaman ng karamihan sa DNA ng cell at nagsasagawa ng isang kumplikadong mekanismo para sa pag-regulate ng expression ng gene
Ang nuclear envelope ay isang double membrane na nakapalibot sa nucleus
Ang nucleus ay naglalaman ng mga subcompartment na hindi napapalibutan ng isang lamad
Ang nuclear envelope ay naglalaman ng mga pores na idinisenyo para sa pagpasok ng mga protina sa nucleus at para sa paglabas ng RNA at mga protina mula dito.
Kapag nagsasaliksik eukaryotic cell sa isang light microscope, ang pinakamalaking nakikitang compartment ay ang nucleus. Ang terminong "eukaryotic" ay nangangahulugang "pagkakaroon ng tunay na nucleus", at ang pagkakaroon ng huli ay isang katangiang katangian ng lahat ng eukaryotic cells. Ang nucleus ay naglalaman ng halos lahat ng genetic na materyal ng isang eukaryotic cell at nagsisilbing sentro na kumokontrol sa mga biological na aktibidad nito. (Ang maliit na halaga ng DNA ay matatagpuan sa mitochondria at chloroplast ng mga selula ng halaman.)
Marahil ang unang taong nakakita ng cell nucleus ay Anthony van Leeuwenhoek(1632-1723). Habang nag-aaral ng mga selula ng dugo mula sa mga amphibian at ibon, natuklasan niya ang isang "natatanging lugar" sa gitna. Gayunpaman, ang karangalan ng pagtuklas ng nucleus ay pag-aari ni Abbé Felix Fontana (1730-1803), na, sa kanyang mga sketch ng mga epidermal cell ng balat ng eel, na ginawa noong 1781, ay naglalarawan ng nucleus bilang isang ovoid na istraktura.
Scottish botanist Robert Brown(1773-1838) ay nagsabi na ang lahat ng mga selula ng halaman na kanyang pinag-aralan ay naglalaman ng "isang bilog na rehiyon, kadalasan ay medyo mas malinaw kaysa sa dingding ng selula." Siya ang unang tumawag sa mga istrukturang ito na nuclei, isang terminong nagmula sa salitang Latin na nucleus, ibig sabihin ay nucleus.
Gaya ng nakikita sa microphotographs nakuha gamit ang isang electron microscope, ang nucleus ay napapalibutan ng double membrane na tinatawag na nuclear envelope. Ang dalawang lamad ay pinaghihiwalay ng isang puwang na nakikipag-ugnayan sa endoplasmic reticulum (ER). Ang nuclear pore complex (NPC), na tumagos sa nuclear envelope, ay isang channel kung saan dumadaan ang mga macromolecule sa pagitan ng nucleus at ng cytoplasm. Hindi tulad ng mga protina na dinadala sa pamamagitan ng ER o mitochondrial membranes, ang mga protina na dumadaan sa NPC ay nasa coiled state.
HeLa cell, na isang cervical carcinoma cell,ay may nucleus na malinaw na nakikita sa isang light microscope.
Ang nucleus ay naglalaman ng mga subcompartment na hindi napapalibutan mga lamad. Ang mga subcompartment na ito ay may mga espesyal na function. Ang tanging nuclear subcompartment na malinaw na nakikita sa ilalim ng isang light microscope ay ang nucleolus, kung saan ang ribosomal RNA (rRNA) ay synthesize at ribosomal subunits ay binuo. Ang natitirang mga subcompartment ay makikita ng immunofluorescence microscopy. Kabilang dito ang mga katawan na naglalaman ng RNA splicing factor at DNA replication regions. Ang bahagi ng nucleus na matatagpuan sa labas ng nucleoli ay tinatawag na nucleoplasm.
SA DNA nucleus ay nasa iba't ibang configuration. Sa mga electron micrograph, ang ilang mga rehiyon ng DNA ay lumilitaw na mas madilim dahil sila ay mas mahigpit na baluktot (tingnan ang Larawan 5.2). Ang nasabing DNA ay kabilang sa heterochromatin at hindi kasangkot sa aktibong transkripsyon. Karamihan sa heterochromatin ay katabi ng nuclear envelope. Ang natitirang bahagi ng DNA ay hindi gaanong siksik at nabibilang sa euchromatin. Ang mga aktibong ipinahayag na gene ay naroroon sa bahaging ito ng chromatin. Sa karamihan ng mga cell, ang isang mas malaking proporsyon ng DNA ay matatagpuan sa euchromatin kaysa sa heterochromatin.
Anong mga benepisyo ang ibinibigay nito? core eukaryotic cell? Ang nucleus ay nagpoprotekta at nakikilahok sa kumplikadong proseso ng pag-regulate ng aktibidad ng gene. Ang isang eukaryotic cell ay naglalaman ng mas maraming DNA kaysa sa isang prokaryotic cell (sa ilang mga kaso, 10,000 beses na higit pa). Ang DNA na ito ay nakabalot sa mga chromosome, bawat isa ay naglalaman ng isang molekula ng DNA. Ang isang double-strand break sa DNA ng isang chromosome ay maaaring maging isang nakamamatay na kaganapan para sa isang cell.
Sa interphase DNA nakabalot nang medyo maluwag upang ang mga enzyme na responsable para sa pagtitiklop at synthesis ng RNA ay may access dito. Kapag ang DNA ay maluwag na nakabalot, ito ay mas madaling masira. Ang mobile na istraktura ng cytoskeleton ay bumubuo ng mga puwersa ng paggugupit na maaaring makagambala sa integridad ng DNA sa mga lugar na iyon ng interphase nucleus kung saan ito ay hindi pinoprotektahan. Sa kaibahan, sa mitosis, ang mga chromosome ay nagiging compact habang ang DNA ay pumulupot sa isang masikip na istraktura. Bagaman sa panahon ng mitosis ang nuclear membrane ay nawawala at ang DNA ay napapalibutan ng cytoplasm, ang mga condensed chromosome ay mas lumalaban sa pinsalang dulot ng shear forces sa panahon ng cytoskeletal movement.
Availability mga butil nagbibigay-daan sa mga eukaryotic cell na magkaroon ng mas kumplikadong sistema para sa pag-regulate ng expression ng gene kaysa sa mga prokaryotic cells. Sa mga selula ng mga prokaryotic na organismo, ang pagsasalin at transkripsyon ay pinagsamang mga proseso: ang pagsasalin ng mRNA ay nagsisimula bago ang pagkumpleto ng kanilang synthesis. Dahil sa paghahati ng eukaryotic cell sa mga cytoplasmic at nuclear compartment, maraming macromolecules ang dapat dalhin sa pagitan ng nucleus at cytoplasm.
Halimbawa, transkripsyon at pagproseso ng mRNA nangyayari sa nucleus, at pagkatapos ay pumapasok ang mga molekulang ito sa cytoplasm, kung saan nangyayari ang synthesis ng protina. Ang mga tampok ng mga proseso ng transkripsyon at pagsasalin sa mga pro- at eukaryotic na mga cell ay ipinakita sa figure sa ibaba. Para maganap ang pagtitiklop, transkripsyon at iba pang mga prosesong nuklear, maraming protina ang kailangan, na dapat magmula sa cytoplasm. Sa nucleus, ang mga ribosomal subunit ay binuo mula sa maraming mga molekula ng RNA na nabuo doon, habang higit sa isang daang kinakailangang mga protina ang na-import mula sa cytoplasm. Ang mga nagresultang subunit ay pumapasok sa cytoplasm.
Pumasok ang lahat ng macromolecules core at lumabas dito sa pamamagitan ng NPC. Mahalagang tandaan na ang two-way nuclear transport ng mga molecule ay isang regulated na proseso.
Maraming mga detalye ng istraktura ng lymphocyte nucleus ang malinaw na nakikita sa isang electron microscope.
Sa mga prokaryotic na selula, ang transkripsyon at pagsasalin ay pinagsamang proseso (kaliwa). Sa mga eukaryote, ang parehong mga prosesong ito ay nangyayari sa magkahiwalay na mga compartment (kanan).