Σπίτι / Είδη για παιδιά/ Ανθρώπινο μόριο DNA. Πώς λειτουργούν τα γονίδια, τι είναι το RNA, νουκλεοτίδια, πρωτεϊνική σύνθεση. Δομή DNA Δομή γονιδίου μορίου DNA

Ανθρώπινο μόριο DNA. Πώς λειτουργούν τα γονίδια, τι είναι το RNA, νουκλεοτίδια, πρωτεϊνική σύνθεση. Δομή DNA Δομή γονιδίου μορίου DNA

Τα νουκλεϊκά οξέα είναι υψηλού μοριακού χαρακτήρα ουσίες που αποτελούνται από μονονουκλεοτίδια, τα οποία συνδέονται μεταξύ τους σε μια πολυμερή αλυσίδα χρησιμοποιώντας φωσφοδιεστερικούς δεσμούς 3", 5" και συσκευάζονται σε κύτταρα με συγκεκριμένο τρόπο.

Τα νουκλεϊκά οξέα είναι βιοπολυμερή δύο τύπων: ριβονουκλεϊκό οξύ (RNA) και δεοξυριβονουκλεϊκό οξύ (DNA). Κάθε βιοπολυμερές αποτελείται από νουκλεοτίδια που διαφέρουν ως προς το υπόλειμμα υδατανθράκων (ριβόζη, δεοξυριβόζη) και μία από τις αζωτούχες βάσεις (ουρακίλη, θυμίνη). Σύμφωνα με αυτές τις διαφορές, τα νουκλεϊκά οξέα έλαβαν το όνομά τους.

Δομή του δεοξυριβονουκλεϊκού οξέος

Τα νουκλεϊκά οξέα έχουν πρωτοταγή, δευτεροταγή και τριτοταγή δομή.

Πρωτογενής δομή του DNA

Η πρωταρχική δομή του DNA είναι μια γραμμική πολυνουκλεοτιδική αλυσίδα στην οποία τα μονονουκλεοτίδια συνδέονται με φωσφοδιεστερικούς δεσμούς 3", 5". Η πρώτη ύλη για τη συναρμολόγηση μιας αλυσίδας νουκλεϊκού οξέος σε ένα κύτταρο είναι ο 5"-τριφωσφορικός νουκλεοζίτης, ο οποίος, ως αποτέλεσμα της απομάκρυνσης των υπολειμμάτων β και γ φωσφορικού οξέος, είναι ικανός να προσκολλήσει το άτομο άνθρακα 3" άλλου νουκλεοζίτη. . Έτσι, το άτομο άνθρακα 3" μιας δεοξυριβόζης συνδέεται ομοιοπολικά με το άτομο άνθρακα 5" μιας άλλης δεοξυριβόζης μέσω ενός μόνο υπολείμματος φωσφορικού οξέος και σχηματίζει μια γραμμική πολυνουκλεοτιδική αλυσίδα νουκλεϊκού οξέος. Εξ ου και το όνομα: 3", 5" φωσφοδιεστερικοί δεσμοί. Οι αζωτούχες βάσεις δεν συμμετέχουν στη σύνδεση νουκλεοτιδίων μιας αλυσίδας (Εικ. 1.).

Μια τέτοια σύνδεση, μεταξύ του υπολείμματος του μορίου φωσφορικού οξέος ενός νουκλεοτιδίου και του υδατάνθρακα ενός άλλου, οδηγεί στο σχηματισμό ενός σκελετού πεντόζης-φωσφορικού του μορίου πολυνουκλεοτιδίου, στον οποίο οι αζωτούχες βάσεις συνδέονται στο πλάι η μία μετά την άλλη. Η αλληλουχία διάταξής τους στις αλυσίδες των μορίων νουκλεϊκού οξέος είναι αυστηρά ειδική για τα κύτταρα διαφορετικών οργανισμών, δηλ. έχει συγκεκριμένο χαρακτήρα (κανόνας Chargaff).

Μια γραμμική αλυσίδα DNA, το μήκος της οποίας εξαρτάται από τον αριθμό των νουκλεοτιδίων που περιλαμβάνονται στην αλυσίδα, έχει δύο άκρα: το ένα ονομάζεται άκρο 3" και περιέχει ένα ελεύθερο υδροξύλιο και το άλλο ονομάζεται άκρο 5" και περιέχει ένα φωσφορικό υπόλειμμα οξέος. Το κύκλωμα είναι πολικό και μπορεί να έχει διεύθυνση 5"->3" και 3"->5". Η εξαίρεση είναι το κυκλικό DNA.

Το γενετικό «κείμενο» του DNA αποτελείται από κωδικές «λέξεις» - τρίδυμα νουκλεοτιδίων που ονομάζονται κωδικόνια. Τα τμήματα του DNA που περιέχουν πληροφορίες σχετικά με την πρωτογενή δομή όλων των τύπων RNA ονομάζονται δομικά γονίδια.

Οι πολυνουκλεοτιδικές αλυσίδες DNA φτάνουν σε γιγαντιαία μεγέθη, επομένως συσκευάζονται με συγκεκριμένο τρόπο στο κύτταρο.

Κατά τη μελέτη της σύνθεσης του DNA, ο Chargaff (1949) καθιέρωσε σημαντικά πρότυπα σχετικά με το περιεχόμενο των επιμέρους βάσεων DNA. Βοήθησαν να αποκαλυφθεί η δευτερογενής δομή του DNA. Αυτά τα μοτίβα ονομάζονται κανόνες του Chargaff.

Κανόνες Chargaff

το άθροισμα των νουκλεοτιδίων πουρίνης είναι ίσο με το άθροισμα των νουκλεοτιδίων της πυριμιδίνης, δηλαδή A+G / C+T = 1
η περιεκτικότητα σε αδενίνη είναι ίση με την περιεκτικότητα σε θυμίνη (Α = Τ ή Α/Τ = 1).
Η περιεκτικότητα σε γουανίνη είναι ίση με την περιεκτικότητα σε κυτοσίνη (G = C, ή G/C = 1).
Ο αριθμός των 6-αμινομάδων είναι ίσος με τον αριθμό των 6-κετο ομάδων βάσεων που περιέχονται στο DNA: G + T = A + C;
Μόνο το άθροισμα των A + T και G + C είναι μεταβλητό Αν A + T > G-C, τότε αυτός είναι ο τύπος AT του DNA. αν G+C > A+T, τότε αυτός είναι ο τύπος του DNA GC.

Αυτοί οι κανόνες υποδεικνύουν ότι κατά την κατασκευή του DNA, πρέπει να τηρείται μια αρκετά αυστηρή αντιστοιχία (ζευγάρωμα), όχι των βάσεων πουρίνης και πυριμιδίνης γενικά, αλλά ειδικότερα της θυμίνης με την αδενίνη και της κυτοσίνης με τη γουανίνη.

Με βάση αυτούς τους κανόνες, το 1953, οι Watson και Crick πρότειναν ένα μοντέλο της δευτερογενούς δομής του DNA, που ονομάζεται διπλή έλικα (Εικ.).

Δευτερογενής δομή του DNA

Η δευτερεύουσα δομή του DNA είναι μια διπλή έλικα, το μοντέλο της οποίας προτάθηκε από τους D. Watson και F. Crick το 1953.

Προϋποθέσεις για τη δημιουργία μοντέλου DNA

Ως αποτέλεσμα των αρχικών αναλύσεων, πιστεύεται ότι το DNA οποιασδήποτε προέλευσης περιέχει και τα τέσσερα νουκλεοτίδια σε ίσες μοριακές ποσότητες. Ωστόσο, στη δεκαετία του 1940, ο E. Chargaff και οι συνεργάτες του, ως αποτέλεσμα της ανάλυσης DNA που απομονώθηκε από διάφορους οργανισμούς, έδειξαν ξεκάθαρα ότι περιείχαν αζωτούχες βάσεις σε διαφορετικές ποσοτικές αναλογίες. Ο Chargaff διαπίστωσε ότι αν και αυτές οι αναλογίες είναι οι ίδιες για το DNA από όλα τα κύτταρα του ίδιου είδους οργανισμού, το DNA από διαφορετικά είδη μπορεί να διαφέρει σημαντικά ως προς το περιεχόμενο ορισμένων νουκλεοτιδίων. Αυτό υποδηλώνει ότι οι διαφορές στην αναλογία των αζωτούχων βάσεων μπορεί να συνδέονται με κάποιο είδος βιολογικού κώδικα. Αν και η αναλογία μεμονωμένων βάσεων πουρίνης και πυριμιδίνης σε διαφορετικά δείγματα DNA αποδείχθηκε διαφορετική, κατά τη σύγκριση των αποτελεσμάτων των δοκιμών, προέκυψε ένα συγκεκριμένο σχέδιο: σε όλα τα δείγματα, ο συνολικός αριθμός πουρινών ήταν ίσος με τον συνολικό αριθμό των πυριμιδινών (A + G = T + C), η ποσότητα της αδενίνης ήταν ίση με την ποσότητα της θυμίνης (Α = Τ), και η ποσότητα της γουανίνης είναι η ποσότητα της κυτοσίνης (G = C). Το DNA που απομονώθηκε από κύτταρα θηλαστικών ήταν γενικά πλουσιότερο σε αδενίνη και θυμίνη και σχετικά φτωχότερο σε γουανίνη και κυτοσίνη, ενώ το DNA από βακτήρια ήταν πλουσιότερο σε γουανίνη και κυτοσίνη και σχετικά φτωχότερο σε αδενίνη και θυμίνη. Αυτά τα δεδομένα αποτέλεσαν σημαντικό μέρος του πραγματικού υλικού βάσει του οποίου χτίστηκε αργότερα το μοντέλο της δομής του DNA Watson-Crick.

Μια άλλη σημαντική έμμεση ένδειξη της πιθανής δομής του DNA δόθηκε από τα δεδομένα του L. Pauling για τη δομή των μορίων πρωτεΐνης. Ο Pauling έδειξε ότι είναι δυνατές πολλές διαφορετικές σταθερές διαμορφώσεις της αλυσίδας αμινοξέων σε ένα μόριο πρωτεΐνης. Μια κοινή διάταξη πεπτιδικής αλυσίδας, η α-έλικα, είναι μια κανονική ελικοειδής δομή. Με αυτή τη δομή, είναι δυνατός ο σχηματισμός δεσμών υδρογόνου μεταξύ αμινοξέων που βρίσκονται σε γειτονικές στροφές της αλυσίδας. Ο Pauling περιέγραψε την α-ελικοειδές διαμόρφωση της πολυπεπτιδικής αλυσίδας το 1950 και πρότεινε ότι τα μόρια DNA έχουν πιθανώς μια ελικοειδή δομή που διατηρείται στη θέση τους από δεσμούς υδρογόνου.

Ωστόσο, οι πιο πολύτιμες πληροφορίες σχετικά με τη δομή του μορίου του DNA δόθηκαν από τα αποτελέσματα της ανάλυσης περίθλασης ακτίνων Χ. Οι ακτίνες Χ που διέρχονται από έναν κρύσταλλο DNA υφίστανται περίθλαση, δηλαδή εκτρέπονται προς ορισμένες κατευθύνσεις. Ο βαθμός και η φύση της εκτροπής των ακτίνων εξαρτώνται από τη δομή των ίδιων των μορίων. Ένα μοτίβο περίθλασης ακτίνων Χ (Εικ. 3) δίνει στο έμπειρο μάτι μια σειρά από έμμεσες ενδείξεις σχετικά με τη δομή των μορίων της υπό μελέτη ουσίας. Η ανάλυση των μοτίβων περίθλασης ακτίνων Χ του DNA οδήγησε στο συμπέρασμα ότι οι αζωτούχες βάσεις (που έχουν επίπεδο σχήμα) είναι διατεταγμένες σαν μια στοίβα πλακών. Τα μοτίβα περίθλασης ακτίνων Χ αποκάλυψαν τρεις κύριες περιόδους στη δομή του κρυσταλλικού DNA: 0,34, 2 και 3,4 nm.

Μοντέλο DNA Watson-Crick

Με βάση τα αναλυτικά δεδομένα του Chargaff, τα μοτίβα ακτίνων Χ του Wilkins και την έρευνα χημικών που παρείχαν πληροφορίες σχετικά με τις ακριβείς αποστάσεις μεταξύ των ατόμων σε ένα μόριο, τις γωνίες μεταξύ των δεσμών ενός δεδομένου ατόμου και το μέγεθος των ατόμων, οι Watson και Ο Κρικ άρχισε να κατασκευάζει φυσικά μοντέλα των επιμέρους συστατικών του μορίου DNA σε μια συγκεκριμένη κλίμακα και να τα «προσαρμόζει» μεταξύ τους με τέτοιο τρόπο ώστε το προκύπτον σύστημα να αντιστοιχεί σε διάφορα πειραματικά δεδομένα [προβολή] .

Ήταν γνωστό ακόμη νωρίτερα ότι γειτονικά νουκλεοτίδια σε μια αλυσίδα DNA συνδέονται με φωσφοδιεστερικές γέφυρες, συνδέοντας το άτομο δεοξυριβόζης άνθρακα 5" ενός νουκλεοτιδίου με το άτομο δεοξυριβόζης άνθρακα 3" του επόμενου νουκλεοτιδίου. Οι Watson και Crick δεν είχαν καμία αμφιβολία ότι η περίοδος των 0,34 nm αντιστοιχεί στην απόσταση μεταξύ διαδοχικών νουκλεοτιδίων στην αλυσίδα του DNA. Επιπλέον, θα μπορούσε να υποτεθεί ότι η περίοδος των 2 nm αντιστοιχεί στο πάχος της αλυσίδας. Και για να εξηγήσουν σε ποια πραγματική δομή αντιστοιχεί η περίοδος των 3,4 nm, οι Watson και Crick, καθώς και ο Pauling νωρίτερα, πρότειναν ότι η αλυσίδα είναι στριμμένη με τη μορφή σπείρας (ή, πιο συγκεκριμένα, σχηματίζει μια ελικοειδή γραμμή, αφού μια σπείρα με τη στενή έννοια αυτών των λέξεων επιτυγχάνεται όταν τα πηνία σχηματίζουν μια κωνική και όχι κυλινδρική επιφάνεια στο χώρο). Τότε μια περίοδος 3,4 nm θα αντιστοιχεί στην απόσταση μεταξύ διαδοχικών στροφών αυτής της έλικας. Μια τέτοια σπείρα μπορεί να είναι πολύ πυκνή ή κάπως τεντωμένη, δηλαδή, οι στροφές της να είναι επίπεδες ή απότομες. Δεδομένου ότι η περίοδος των 3,4 nm είναι ακριβώς 10 φορές η απόσταση μεταξύ διαδοχικών νουκλεοτιδίων (0,34 nm), είναι σαφές ότι κάθε πλήρης στροφή της έλικας περιέχει 10 νουκλεοτίδια. Από αυτά τα δεδομένα, οι Watson και Crick μπόρεσαν να υπολογίσουν την πυκνότητα μιας πολυνουκλεοτιδικής αλυσίδας στριμμένης σε μια έλικα με διάμετρο 2 nm, με απόσταση μεταξύ στροφών 3,4 nm. Αποδείχθηκε ότι μια τέτοια αλυσίδα θα είχε πυκνότητα που ήταν η μισή από την πραγματική πυκνότητα του DNA, η οποία ήταν ήδη γνωστή. Έπρεπε να υποθέσω ότι το μόριο του DNA αποτελείται από δύο αλυσίδες - ότι είναι μια διπλή έλικα νουκλεοτιδίων.

Το επόμενο καθήκον ήταν, φυσικά, να αποσαφηνιστούν οι χωρικές σχέσεις μεταξύ των δύο αλυσίδων που σχηματίζουν τη διπλή έλικα. Έχοντας δοκιμάσει διάφορες επιλογές για τη διάταξη των αλυσίδων στο φυσικό τους μοντέλο, οι Watson και Crick βρήκαν ότι όλα τα διαθέσιμα δεδομένα ταιριάζουν καλύτερα με την επιλογή στην οποία δύο πολυνουκλεοτιδικές έλικες πηγαίνουν σε αντίθετες κατευθύνσεις. Σε αυτή την περίπτωση, αλυσίδες που αποτελούνται από υπολείμματα σακχάρων και φωσφορικών σχηματίζουν την επιφάνεια της διπλής έλικας και οι πουρίνες και οι πυριμιδίνες βρίσκονται μέσα. Οι βάσεις που βρίσκονται η μία απέναντι από την άλλη, που ανήκουν σε δύο αλυσίδες, συνδέονται ανά ζεύγη με δεσμούς υδρογόνου. Αυτοί οι δεσμοί υδρογόνου είναι που συγκρατούν τις αλυσίδες μαζί, καθορίζοντας έτσι τη συνολική διαμόρφωση του μορίου.

Η διπλή έλικα του DNA μπορεί να φανταστεί ως μια σκάλα σχοινιού που είναι στριμμένη με ελικοειδές τρόπο, έτσι ώστε τα σκαλοπάτια της να παραμένουν οριζόντια. Τότε τα δύο διαμήκη σχοινιά θα αντιστοιχούν σε αλυσίδες υπολειμμάτων σακχάρων και φωσφορικών αλάτων και οι εγκάρσιες ράβδοι θα αντιστοιχούν σε ζεύγη αζωτούχων βάσεων που συνδέονται με δεσμούς υδρογόνου.

Ως αποτέλεσμα περαιτέρω μελέτης πιθανών μοντέλων, οι Watson και Crick κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι κάθε «διασταυρούμενη ράβδος» πρέπει να αποτελείται από μία πουρίνη και μία πυριμιδίνη. σε μια περίοδο 2 nm (που αντιστοιχεί στη διάμετρο της διπλής έλικας), δεν θα υπήρχε αρκετός χώρος για δύο πουρίνες και οι δύο πυριμιδίνες δεν θα μπορούσαν να είναι αρκετά κοντά η μία στην άλλη για να σχηματίσουν κατάλληλους δεσμούς υδρογόνου. Μια εις βάθος μελέτη του λεπτομερούς μοντέλου έδειξε ότι η αδενίνη και η κυτοσίνη, ενώ σχηματίζουν έναν συνδυασμό κατάλληλου μεγέθους, δεν μπορούσαν να τοποθετηθούν με τέτοιο τρόπο ώστε να σχηματίζονται δεσμοί υδρογόνου μεταξύ τους. Ανάλογες αναφορές επέβαλαν τον αποκλεισμό του συνδυασμού γουανίνης - θυμίνης, ενώ οι συνδυασμοί αδενίνης - θυμίνης και γουανίνης - κυτοσίνης αποδείχθηκαν αρκετά αποδεκτοί. Η φύση των δεσμών υδρογόνου είναι τέτοια που η αδενίνη σχηματίζει ένα ζεύγος με τη θυμίνη και η γουανίνη με την κυτοσίνη. Αυτή η ιδέα του συγκεκριμένου ζεύγους βάσεων κατέστησε δυνατή την εξήγηση του «κανόνα Chargaff», σύμφωνα με τον οποίο σε οποιοδήποτε μόριο DNA η ποσότητα της αδενίνης είναι πάντα ίση με την περιεκτικότητα σε θυμίνη και η ποσότητα της γουανίνης είναι πάντα ίση με την ποσότητα της κυτοσίνης. Δύο δεσμοί υδρογόνου σχηματίζονται μεταξύ αδενίνης και θυμίνης και τρεις μεταξύ γουανίνης και κυτοσίνης. Λόγω αυτής της ιδιαιτερότητας, ο σχηματισμός δεσμών υδρογόνου έναντι κάθε αδενίνης σε μια αλυσίδα προκαλεί σχηματισμό θυμίνης στην άλλη. με τον ίδιο τρόπο, μόνο η κυτοσίνη μπορεί να βρίσκεται απέναντι από κάθε γουανίνη. Έτσι, οι αλυσίδες είναι συμπληρωματικές μεταξύ τους, δηλαδή η αλληλουχία των νουκλεοτιδίων σε μια αλυσίδα καθορίζει μοναδικά την αλληλουχία τους στην άλλη. Οι δύο αλυσίδες κινούνται σε αντίθετες κατευθύνσεις και οι τερματικές τους φωσφορικές ομάδες βρίσκονται στα αντίθετα άκρα της διπλής έλικας.

Ως αποτέλεσμα της έρευνάς τους, το 1953 οι Watson και Crick πρότειναν ένα μοντέλο της δομής του μορίου DNA (Εικ. 3), το οποίο παραμένει σχετικό μέχρι σήμερα. Σύμφωνα με το μοντέλο, το μόριο DNA αποτελείται από δύο συμπληρωματικές πολυνουκλεοτιδικές αλυσίδες. Κάθε κλώνος DNA είναι ένα πολυνουκλεοτίδιο που αποτελείται από πολλές δεκάδες χιλιάδες νουκλεοτίδια. Σε αυτό, τα γειτονικά νουκλεοτίδια σχηματίζουν μια κανονική ραχοκοκαλιά πεντόζης-φωσφορικής λόγω της σύνδεσης ενός υπολείμματος φωσφορικού οξέος και της δεοξυριβόζης με έναν ισχυρό ομοιοπολικό δεσμό. Οι αζωτούχες βάσεις της μιας πολυνουκλεοτιδικής αλυσίδας είναι διατεταγμένες σε μια αυστηρά καθορισμένη σειρά απέναντι από τις αζωτούχες βάσεις της άλλης. Η εναλλαγή των αζωτούχων βάσεων σε μια πολυνουκλεοτιδική αλυσίδα είναι ακανόνιστη.

Η διάταξη των αζωτούχων βάσεων στην αλυσίδα του DNA είναι συμπληρωματική (από το ελληνικό «συμπλήρωμα» - προσθήκη), δηλ. Η θυμίνη (Τ) είναι πάντα κατά της αδενίνης (Α), και μόνο η κυτοσίνη (C) είναι κατά της γουανίνης (G). Αυτό εξηγείται από το γεγονός ότι το A και το T, καθώς και το G και το C, αντιστοιχούν αυστηρά μεταξύ τους, δηλ. αλληλοσυμπληρώνονται. Αυτή η αντιστοιχία καθορίζεται από τη χημική δομή των βάσεων, η οποία επιτρέπει το σχηματισμό δεσμών υδρογόνου στο ζεύγος πουρίνης και πυριμιδίνης. Υπάρχουν δύο συνδέσεις μεταξύ A και T και τρεις μεταξύ G και C. Αυτοί οι δεσμοί παρέχουν μερική σταθεροποίηση του μορίου DNA στο διάστημα. Η σταθερότητα της διπλής έλικας είναι ευθέως ανάλογη με τον αριθμό των δεσμών G≡C, οι οποίοι είναι πιο σταθεροί σε σύγκριση με τους δεσμούς A=T.

Η γνωστή αλληλουχία διάταξης των νουκλεοτιδίων σε μια αλυσίδα DNA καθιστά δυνατή, σύμφωνα με την αρχή της συμπληρωματικότητας, τον καθορισμό των νουκλεοτιδίων μιας άλλης αλυσίδας.

Επιπλέον, έχει διαπιστωθεί ότι οι αζωτούχες βάσεις που έχουν αρωματική δομή σε ένα υδατικό διάλυμα βρίσκονται η μία πάνω από την άλλη, σχηματίζοντας, σαν να λέγαμε, μια στοίβα νομισμάτων. Αυτή η διαδικασία σχηματισμού στοίβων οργανικών μορίων ονομάζεται στοίβαξη. Οι πολυνουκλεοτιδικές αλυσίδες του μορίου DNA του υπό εξέταση μοντέλου Watson-Crick έχουν παρόμοια φυσικοχημική κατάσταση, οι αζωτούχες βάσεις τους είναι διατεταγμένες με τη μορφή μιας στοίβας νομισμάτων, μεταξύ των επιπέδων της οποίας προκύπτουν αλληλεπιδράσεις van der Waals (αλληλεπιδράσεις στοίβαξης).

Οι δεσμοί υδρογόνου μεταξύ συμπληρωματικών βάσεων (οριζόντια) και οι αλληλεπιδράσεις στοίβαξης μεταξύ των επιπέδων βάσεων σε μια πολυνουκλεοτιδική αλυσίδα λόγω των δυνάμεων van der Waals (κάθετα) παρέχουν στο μόριο DNA πρόσθετη σταθεροποίηση στο χώρο.

Η ραχοκοκαλιά του φωσφορικού σακχάρου και των δύο αλυσίδων είναι στραμμένη προς τα έξω και οι βάσεις στρέφονται προς τα μέσα, η μία προς την άλλη. Η κατεύθυνση των αλυσίδων στο DNA είναι αντιπαράλληλη (η μία έχει διεύθυνση 5"->3", η άλλη - 3"->5", δηλαδή το άκρο 3" μιας αλυσίδας βρίσκεται απέναντι από το άκρο 5" το άλλο.). Οι αλυσίδες σχηματίζουν δεξιόστροφες σπείρες με κοινό άξονα. Μία στροφή της έλικας είναι 10 νουκλεοτίδια, το μέγεθος της στροφής είναι 3,4 nm, το ύψος κάθε νουκλεοτιδίου είναι 0,34 nm, η διάμετρος της έλικας είναι 2,0 nm. Ως αποτέλεσμα της περιστροφής ενός κλώνου γύρω από έναν άλλο, σχηματίζεται μια κύρια αύλακα (διάμετρος περίπου 20 Α) και μια μικρή αύλακα (διάμετρος περίπου 12 Α) της διπλής έλικας του DNA. Αυτή η μορφή της διπλής έλικας Watson-Crick αργότερα ονομάστηκε Β-μορφή. Στα κύτταρα, το DNA υπάρχει συνήθως στη μορφή Β, η οποία είναι η πιο σταθερή.

Λειτουργίες του DNA

Το προτεινόμενο μοντέλο εξήγησε πολλές βιολογικές ιδιότητες του δεοξυριβονουκλεϊκού οξέος, συμπεριλαμβανομένης της αποθήκευσης γενετικής πληροφορίας και της ποικιλίας των γονιδίων που παρέχονται από μια μεγάλη ποικιλία διαδοχικών συνδυασμών 4 νουκλεοτιδίων και το γεγονός της ύπαρξης ενός γενετικού κώδικα, της ικανότητας αυτοαναπαραγωγής και μεταδίδουν γενετικές πληροφορίες που παρέχονται από τη διαδικασία αντιγραφής και την εφαρμογή της γενετικής πληροφορίας με τη μορφή πρωτεϊνών, καθώς και οποιωνδήποτε άλλων ενώσεων που σχηματίζονται με τη βοήθεια ενζυμικών πρωτεϊνών.

Βασικές λειτουργίες του DNA.

Το DNA είναι ο φορέας της γενετικής πληροφορίας, η οποία διασφαλίζεται από το γεγονός της ύπαρξης γενετικού κώδικα.
Αναπαραγωγή και μετάδοση γενετικών πληροφοριών σε γενεές κυττάρων και οργανισμών. Αυτή η λειτουργία παρέχεται από τη διαδικασία αναπαραγωγής.
Υλοποίηση γενετικής πληροφορίας με τη μορφή πρωτεϊνών, καθώς και οποιωνδήποτε άλλων ενώσεων που σχηματίζονται με τη βοήθεια ενζυμικών πρωτεϊνών. Αυτή η λειτουργία παρέχεται από τις διαδικασίες μεταγραφής και μετάφρασης.

Μορφές οργάνωσης του δίκλωνου DNA

Το DNA μπορεί να σχηματίσει διάφορους τύπους διπλών ελίκων (Εικ. 4). Επί του παρόντος, έξι μορφές είναι ήδη γνωστές (από Α έως Ε και Ζ-μορφή).

Οι δομικές μορφές του DNA, όπως διαπίστωσε η Rosalind Franklin, εξαρτώνται από τον κορεσμό του μορίου νουκλεϊκού οξέος με νερό. Σε μελέτες ινών DNA με χρήση ανάλυσης περίθλασης ακτίνων Χ, αποδείχθηκε ότι το σχέδιο ακτίνων Χ εξαρτάται ριζικά από τη σχετική υγρασία σε ποιο βαθμό κορεσμού νερού αυτής της ίνας λαμβάνει χώρα το πείραμα. Εάν η ίνα ήταν επαρκώς κορεσμένη με νερό, τότε ελήφθη μία ακτινογραφία. Όταν στέγνωσε, εμφανίστηκε ένα εντελώς διαφορετικό σχέδιο ακτίνων Χ, πολύ διαφορετικό από το σχέδιο ακτίνων Χ των ινών υψηλής υγρασίας.

Το μόριο DNA υψηλής υγρασίας ονομάζεται Β-μορφή. Υπό φυσιολογικές συνθήκες (χαμηλή συγκέντρωση άλατος, υψηλός βαθμός ενυδάτωσης), ο κυρίαρχος δομικός τύπος DNA είναι η Β-μορφή (η κύρια μορφή του δίκλωνου DNA - το μοντέλο Watson-Crick). Το βήμα της έλικας ενός τέτοιου μορίου είναι 3,4 nm. Υπάρχουν 10 συμπληρωματικά ζεύγη ανά στροφή με τη μορφή στριφτών στοίβων «νομισμάτων» - αζωτούχων βάσεων. Οι στοίβες συγκρατούνται μεταξύ τους με δεσμούς υδρογόνου μεταξύ δύο αντιτιθέμενων «νομισμάτων» των στοίβων και «τυλίγονται» από δύο κορδέλες φωσφοδιεστερικής ραχοκοκαλιάς στριμμένες σε μια δεξιόστροφη έλικα. Τα επίπεδα των αζωτούχων βάσεων είναι κάθετα στον άξονα της έλικας. Τα παρακείμενα συμπληρωματικά ζεύγη περιστρέφονται μεταξύ τους κατά 36°. Η διάμετρος της έλικας είναι 20 Α, με το νουκλεοτίδιο πουρίνης να καταλαμβάνει 12 Α και το νουκλεοτίδιο πυριμιδίνης 8 Α.

Το μόριο DNA με χαμηλότερη υγρασία ονομάζεται Α-μορφή. Η μορφή Α σχηματίζεται υπό συνθήκες λιγότερο υψηλής ενυδάτωσης και σε υψηλότερη περιεκτικότητα σε ιόντα Na + ή K +. Αυτή η ευρύτερη δεξιόστροφη ελικοειδής διαμόρφωση έχει 11 ζεύγη βάσεων ανά στροφή. Τα επίπεδα των αζωτούχων βάσεων έχουν μεγαλύτερη κλίση προς τον άξονα της έλικας αποκλίνουν από την κανονική προς τον άξονα της έλικας κατά 20°. Αυτό συνεπάγεται την παρουσία ενός εσωτερικού κενού με διάμετρο 5Α. Η απόσταση μεταξύ των γειτονικών νουκλεοτιδίων είναι 0,23 nm, το μήκος της στροφής είναι 2,5 nm και η διάμετρος της έλικας είναι 2,3 nm.

Η μορφή Α του DNA αρχικά θεωρήθηκε λιγότερο σημαντική. Ωστόσο, αργότερα έγινε σαφές ότι η Α-μορφή του DNA, όπως και η Β-μορφή, έχει τεράστια βιολογική σημασία. Η έλικα RNA-DNA στο σύμπλεγμα εκμαγείου-εκκινητή έχει τη μορφή Α, καθώς και τις δομές έλικας RNA-RNA και φουρκέτας RNA (η ομάδα 2'-υδροξυλίου της ριβόζης εμποδίζει τα μόρια RNA να σχηματίσουν τη Β-μορφή). Το DNA της μορφής Α βρίσκεται στα σπόρια. Έχει διαπιστωθεί ότι η μορφή Α του DNA είναι 10 φορές πιο ανθεκτική στις ακτίνες UV από τη μορφή Β.

Η Α-μορφή και η Β-μορφή ονομάζονται κανονικές μορφές του DNA.

Έντυπα Γ-Εεπίσης δεξιόχειρες, ο σχηματισμός τους μπορεί να παρατηρηθεί μόνο σε ειδικά πειράματα και, προφανώς, δεν υπάρχουν in vivo. Η μορφή C του DNA έχει δομή παρόμοια με το Β DNA. Ο αριθμός των ζευγών βάσεων ανά στροφή είναι 9,33, το μήκος της έλικας είναι 3,1 nm. Τα ζεύγη βάσεων έχουν κλίση υπό γωνία 8 μοιρών σε σχέση με την κάθετη θέση στον άξονα. Τα αυλάκια είναι παρόμοια σε μέγεθος με τα αυλάκια του B-DNA. Σε αυτή την περίπτωση, η κύρια αυλάκωση είναι κάπως πιο ρηχή και η δευτερεύουσα αυλάκωση είναι πιο βαθιά. Τα φυσικά και συνθετικά πολυνουκλεοτίδια DNA μπορούν να μετατραπούν στη μορφή C.

Πίνακας 1. Χαρακτηριστικά ορισμένων τύπων δομών DNA
Τύπος σπιράλ	ΕΝΑ	σι	Ζ
Σπιράλ βήμα	0,32 nm	3,38 nm	4,46 nm
Σπειροειδής συστροφή	σωστά	σωστά	Αριστερά
Αριθμός ζευγών βάσεων ανά στροφή	11	10	12
Απόσταση μεταξύ των επιπέδων βάσης	0,256 nm	0,338 nm	0,371 nm
Διαμόρφωση γλυκοσιδικού δεσμού	αντι	αντι	αντι-Γ τραγουδώ
Διαμόρφωση του δακτυλίου φουρανόζης	Γ3"-ενδό	Γ2"-ενδό	C3"-endo-G C2"-endo-C
Πλάτος αυλάκωσης, μικρό/μεγάλο	1,11/0,22 nm	0,57/1,17 nm	0,2/0,88 nm
Βάθος αυλάκωσης, μικρό/μεγάλο	0,26/1,30 nm	0,82/0,85 nm	1,38/0,37 nm
Διάμετρος σπιράλ	2,3 nm	2,0 nm	1,8 nm

Δομικά στοιχεία του DNA
(μη κανονικές δομές DNA)

Τα δομικά στοιχεία του DNA περιλαμβάνουν ασυνήθιστες δομές που περιορίζονται από ορισμένες ειδικές αλληλουχίες:

Ζ-μορφή DNA - σχηματίζεται σε σημεία του Β-μορφής DNA, όπου οι πουρίνες εναλλάσσονται με πυριμιδίνες ή σε επαναλήψεις που περιέχουν μεθυλιωμένη κυτοσίνη.
Τα παλίνδρομα είναι ανεστραμμένες αλληλουχίες, ανεστραμμένες επαναλήψεις αλληλουχιών βάσεων που έχουν συμμετρία δεύτερης τάξης σε σχέση με δύο κλώνους DNA και σχηματίζουν «φουρκέτες» και «σταυρούς».
Η μορφή Η του DNA και οι τριπλές έλικες DNA σχηματίζονται όταν υπάρχει ένα τμήμα που περιέχει μόνο πουρίνες σε μια αλυσίδα ενός κανονικού διπλού Watson-Crick και στη δεύτερη αλυσίδα, αντίστοιχα, πυριμιδίνες συμπληρωματικές προς αυτές.
Το G-quadruplex (G-4) είναι μια τετράκλωνη έλικα DNA, όπου 4 βάσεις γουανίνης από διαφορετικές αλυσίδες σχηματίζουν G-τετράδες (G-tetrads), που συγκρατούνται μεταξύ τους με δεσμούς υδρογόνου για να σχηματίσουν G-τετράπλευρα.

DNA σχήματος Ζανακαλύφθηκε το 1979 κατά τη μελέτη του εξανουκλεοτιδίου d(CG)3 -. Ανακαλύφθηκε από τον καθηγητή του MIT Alexander Rich και τους συνεργάτες του. Η μορφή Ζ έχει γίνει ένα από τα πιο σημαντικά δομικά στοιχεία του DNA λόγω του γεγονότος ότι ο σχηματισμός του έχει παρατηρηθεί σε περιοχές DNA όπου οι πουρίνες εναλλάσσονται με πυριμιδίνες (για παράδειγμα, 5'-GCGCGC-3') ή σε επαναλήψεις 5 «-CGCGCG-3» που περιέχει μεθυλιωμένη κυτοσίνη. Απαραίτητη προϋπόθεση για το σχηματισμό και τη σταθεροποίηση του Z-DNA ήταν η παρουσία νουκλεοτιδίων πουρίνης σε αυτό στη διαμόρφωση syn, που εναλλάσσονται με βάσεις πυριμιδίνης στην αντι-διάταξη.

Τα φυσικά μόρια DNA υπάρχουν κυρίως στη δεξιά Β-μορφή εκτός και αν περιέχουν αλληλουχίες όπως η (CG)n. Ωστόσο, εάν τέτοιες αλληλουχίες αποτελούν μέρος του DNA, τότε αυτά τα τμήματα, όταν η ιοντική ισχύς του διαλύματος ή των κατιόντων που εξουδετερώνουν το αρνητικό φορτίο στο πλαίσιο του φωσφοδιεστέρα αλλάζει, αυτά τα τμήματα μπορούν να μετατραπούν στη μορφή Ζ, ενώ άλλα τμήματα DNA σε η αλυσίδα παραμένει στην κλασική Β-μορφή. Η πιθανότητα μιας τέτοιας μετάβασης δείχνει ότι οι δύο κλώνοι στη διπλή έλικα του DNA βρίσκονται σε δυναμική κατάσταση και μπορούν να ξετυλιχθούν μεταξύ τους, μετακινούμενοι από τη δεξιόστροφη μορφή στην αριστερόστροφη και αντίστροφα. Οι βιολογικές συνέπειες μιας τέτοιας αστάθειας, που επιτρέπει διαμορφωτικούς μετασχηματισμούς της δομής του DNA, δεν είναι ακόμη πλήρως κατανοητές. Πιστεύεται ότι τμήματα του Z-DNA παίζουν κάποιο ρόλο στη ρύθμιση της έκφρασης ορισμένων γονιδίων και συμμετέχουν στον γενετικό ανασυνδυασμό.

Η μορφή Ζ του DNA είναι μια αριστερόστροφη διπλή έλικα στην οποία η ραχοκοκαλιά του φωσφοδιεστέρα βρίσκεται σε τεθλασμένη μορφή κατά μήκος του άξονα του μορίου. Εξ ου και το όνομα του μορίου (ζιγκ-ζαγκ)-DNK. Το Z-DNA είναι το λιγότερο στριμμένο (12 ζεύγη βάσεων ανά στροφή) και το λεπτότερο DNA που είναι γνωστό στη φύση. Η απόσταση μεταξύ γειτονικών νουκλεοτιδίων είναι 0,38 nm, το μήκος της στροφής είναι 4,56 nm και η διάμετρος του Z-DNA είναι 1,8 nm. Επιπλέον, η εμφάνιση αυτού του μορίου DNA διακρίνεται από την παρουσία ενός μόνο αυλακιού.

Η μορφή Ζ του DNA έχει βρεθεί σε προκαρυωτικά και ευκαρυωτικά κύτταρα. Τώρα έχουν ληφθεί αντισώματα που μπορούν να διακρίνουν τη μορφή Ζ από τη μορφή Β του DNA. Αυτά τα αντισώματα συνδέονται με ορισμένες περιοχές των γιγαντιαίων χρωμοσωμάτων των κυττάρων των σιελογόνων αδένων της Drosophila (Dr. melanogaster). Η αντίδραση δέσμευσης είναι εύκολο να παρακολουθηθεί λόγω της ασυνήθιστης δομής αυτών των χρωμοσωμάτων, στα οποία οι πυκνότερες περιοχές (δίσκοι) έρχονται σε αντίθεση με τις λιγότερο πυκνές περιοχές (μεσοδίσκοι). Οι περιοχές Z-DNA βρίσκονται στους ενδιάμεσους δίσκους. Από αυτό προκύπτει ότι η μορφή Ζ υπάρχει στην πραγματικότητα σε φυσικές συνθήκες, αν και τα μεγέθη των επιμέρους τμημάτων της μορφής Ζ είναι ακόμα άγνωστα.

(inverters) είναι οι πιο διάσημες και συχνότερα εμφανιζόμενες αλληλουχίες βάσεων στο DNA. Ένα παλίνδρομο είναι μια λέξη ή φράση που διαβάζεται το ίδιο από αριστερά προς τα δεξιά και αντίστροφα. Παραδείγματα τέτοιων λέξεων ή φράσεων είναι: ΚΑΛΥΒΑ, ΚΟΖΑΚΟΣ, ΠΛΗΜΜΥΡΑ ΚΑΙ ΤΟ ΤΡΙΑΝΤΑΦΥΛΛΟ ΠΕΣ ΣΤΟ ΠΑΤΙ ΤΟΥ ΑΖΟΡ. Όταν εφαρμόζεται σε τμήματα DNA, αυτός ο όρος (παλίνδρομο) σημαίνει την ίδια εναλλαγή νουκλεοτιδίων κατά μήκος της αλυσίδας από δεξιά προς τα αριστερά και από αριστερά προς τα δεξιά (όπως τα γράμματα στη λέξη "καλύβα", κ.λπ.).

Ένα παλίνδρομο χαρακτηρίζεται από την παρουσία ανεστραμμένων επαναλήψεων αλληλουχιών βάσεων που έχουν συμμετρία δεύτερης τάξης σε σχέση με δύο κλώνους DNA. Τέτοιες αλληλουχίες, για προφανείς λόγους, είναι αυτοσυμπληρωματικές και τείνουν να σχηματίζουν φουρκέτες ή σταυροειδείς δομές (Εικ.). Οι φουρκέτες βοηθούν τις ρυθμιστικές πρωτεΐνες να αναγνωρίσουν πού αντιγράφεται το γενετικό κείμενο του DNA του χρωμοσώματος.

Όταν μια ανεστραμμένη επανάληψη υπάρχει στον ίδιο κλώνο DNA, η αλληλουχία ονομάζεται επανάληψη καθρέφτη. Οι επαναλήψεις καθρέφτη δεν έχουν ιδιότητες αυτοσυμπληρωματικότητας και, ως εκ τούτου, δεν είναι ικανές να σχηματίσουν φουρκέτες ή σταυροειδείς δομές. Αλληλουχίες αυτού του τύπου βρίσκονται σχεδόν σε όλα τα μεγάλα μόρια DNA και μπορεί να κυμαίνονται από λίγα μόνο ζεύγη βάσεων έως αρκετές χιλιάδες ζεύγη βάσεων.

Η παρουσία παλίνδρομων με τη μορφή σταυροειδών δομών σε ευκαρυωτικά κύτταρα δεν έχει αποδειχθεί, αν και ένας ορισμένος αριθμός σταυροειδών δομών έχει ανιχνευθεί in vivo σε κύτταρα E. coli. Η παρουσία αυτοσυμπληρωματικών αλληλουχιών σε RNA ή μονόκλωνο DNA είναι ο κύριος λόγος για την αναδίπλωση της αλυσίδας νουκλεϊκού οξέος σε διαλύματα σε μια συγκεκριμένη χωρική δομή, που χαρακτηρίζεται από το σχηματισμό πολλών «φουρκέτες».

DNA μορφής Ηείναι μια έλικα που σχηματίζεται από τρεις κλώνους DNA - μια τριπλή έλικα DNA. Είναι ένα σύμπλεγμα διπλής έλικας Watson-Crick με έναν τρίτο μονόκλωνο κλώνο DNA, ο οποίος ταιριάζει στο κύριο αυλάκι του, σχηματίζοντας το λεγόμενο ζεύγος Hoogsteen.

Ο σχηματισμός ενός τέτοιου τριπλού συμβαίνει ως αποτέλεσμα της αναδίπλωσης μιας διπλής έλικας DNA με τέτοιο τρόπο ώστε το μισό τμήμα του να παραμένει σε μορφή διπλής έλικας και το άλλο μισό να διαχωρίζεται. Σε αυτή την περίπτωση, μία από τις αποσυνδεδεμένες έλικες σχηματίζει μια νέα δομή με το πρώτο μισό της διπλής έλικας - μια τριπλή έλικα, και η δεύτερη αποδεικνύεται ότι δεν είναι δομημένη, με τη μορφή μονόκλωνου τμήματος. Ένα χαρακτηριστικό αυτής της δομικής μετάβασης είναι η έντονη εξάρτησή της από το pH του μέσου, τα πρωτόνια του οποίου σταθεροποιούν τη νέα δομή. Λόγω αυτού του χαρακτηριστικού, η νέα δομή ονομάστηκε H-μορφή του DNA, ο σχηματισμός του οποίου ανακαλύφθηκε σε υπερτυλιγμένα πλασμίδια που περιέχουν περιοχές ομοπουρίνης-ομοπυριμιδίνης, οι οποίες είναι μια επανάληψη καθρέφτη.

Σε περαιτέρω μελέτες, διαπιστώθηκε ότι είναι δυνατό να πραγματοποιηθεί μια δομική μετάβαση ορισμένων δίκλωνων πολυνουκλεοτιδίων ομοπουρίνης-ομοπυριμιδίνης με το σχηματισμό μιας τρίκλωνης δομής που περιέχει:

ένας κλώνος ομοπουρίνης και δύο ομοπυριμιδίνης ( Τρίπλεξ Py-Pu-Py) [Αλληλεπίδραση Hoogsteen].
Τα συστατικά μπλοκ του τριπλού Py-Pu-Py είναι κανονικές ισόμορφες τριάδες CGC+ και TAT. Η σταθεροποίηση του τριπλού απαιτεί πρωτονίωση της τριάδας CGC+, επομένως αυτά τα τριπλέγματα εξαρτώνται από το pH του διαλύματος.
ένα σκέλος ομοπυριμιδίνης και δύο κλώνων ομοπουρίνης ( Τρίπλεξ Py-Pu-Pu) [αντίστροφη αλληλεπίδραση Hoogsteen].
Τα συστατικά τμήματα του τριπλού Py-Pu-Pu είναι κανονικές ισόμορφες τριάδες CGG και ΤΑΑ. Μια βασική ιδιότητα των τριπλών Py-Pu-Pu είναι η εξάρτηση της σταθερότητάς τους από την παρουσία διπλά φορτισμένων ιόντων και απαιτούνται διαφορετικά ιόντα για τη σταθεροποίηση τριπλών διαφορετικών αλληλουχιών. Δεδομένου ότι ο σχηματισμός των τριπλών Py-Pu-Pu δεν απαιτεί πρωτονίωση των νουκλεοτιδίων τους, τέτοια τριπλέγματα μπορεί να υπάρχουν σε ουδέτερο pH.
Σημείωση: οι άμεσες και αντίστροφες αλληλεπιδράσεις Hoogsteen εξηγούνται από τη συμμετρία της 1-μεθυλθυμίνης: μια περιστροφή 180° έχει ως αποτέλεσμα το άτομο O2 να πάρει τη θέση του ατόμου O4, ενώ το σύστημα δεσμών υδρογόνου διατηρείται.

Δύο τύποι τριπλών ελίκων είναι γνωστοί:

παράλληλες τριπλές έλικες στις οποίες η πολικότητα του τρίτου κλώνου συμπίπτει με την πολικότητα της αλυσίδας ομοπουρίνης του διπλού Watson-Crick
αντιπαράλληλες τριπλές έλικες, στις οποίες η πολικότητα της τρίτης αλυσίδας και της ομοπουρίνης είναι αντίθετες.

Χημικά ομόλογες αλυσίδες και στα δύο τριπλέγματα Py-Pu-Pu και Py-Pu-Py είναι σε αντιπαράλληλο προσανατολισμό. Αυτό επιβεβαιώθηκε περαιτέρω από δεδομένα φασματοσκοπίας NMR.

G-quadruplex- 4κλωνο DNA. Αυτή η δομή σχηματίζεται εάν υπάρχουν τέσσερις γουανίνες, οι οποίες σχηματίζουν το λεγόμενο G-quadruplex - έναν στρογγυλό χορό τεσσάρων γουανινών.

Οι πρώτες υποδείξεις για τη δυνατότητα σχηματισμού τέτοιων δομών ελήφθησαν πολύ πριν από την πρωτοποριακή εργασία των Watson και Crick - το 1910. Τότε ο Γερμανός χημικός Ivar Bang ανακάλυψε ότι ένα από τα συστατικά του DNA - το γουανοσινικό οξύ - σχηματίζει πηκτές σε υψηλές συγκεντρώσεις, ενώ άλλα συστατικά του DNA δεν έχουν αυτή την ιδιότητα.

Το 1962, χρησιμοποιώντας τη μέθοδο περίθλασης ακτίνων Χ, κατέστη δυνατό να καθοριστεί η κυτταρική δομή αυτού του πηκτώματος. Αποδείχθηκε ότι αποτελείται από τέσσερα υπολείμματα γουανίνης, που συνδέουν το ένα το άλλο σε κύκλο και σχηματίζουν ένα χαρακτηριστικό τετράγωνο. Στο κέντρο, ο δεσμός υποστηρίζεται από ένα μεταλλικό ιόν (Na, K, Mg). Οι ίδιες δομές μπορούν να σχηματιστούν στο DNA εάν περιέχει πολλή γουανίνη. Αυτά τα επίπεδα τετράγωνα (G-Quartets) στοιβάζονται για να σχηματίσουν αρκετά σταθερές, πυκνές δομές (G-τετράπλευρα).

Τέσσερις ξεχωριστοί κλώνοι DNA μπορούν να υφανθούν σε τετράκλωνα σύμπλοκα, αλλά αυτό είναι μάλλον μια εξαίρεση. Πιο συχνά, ένας μόνο κλώνος νουκλεϊκού οξέος απλώς δένεται σε έναν κόμπο, σχηματίζοντας χαρακτηριστικές παχύνσεις (για παράδειγμα, στα άκρα των χρωμοσωμάτων) ή δίκλωνο DNA σε κάποια πλούσια σε γουανίνη περιοχή σχηματίζει ένα τοπικό τετραπλό.

Η ύπαρξη τετραπλών στα άκρα των χρωμοσωμάτων - στα τελομερή και στους προαγωγείς όγκων - έχει μελετηθεί περισσότερο. Ωστόσο, μια πλήρης εικόνα του εντοπισμού αυτού του DNA στα ανθρώπινα χρωμοσώματα δεν είναι ακόμα γνωστή.

Όλες αυτές οι ασυνήθιστες δομές DNA σε γραμμική μορφή είναι ασταθείς σε σύγκριση με το DNA Β-μορφής. Ωστόσο, το DNA υπάρχει συχνά σε μια κυκλική μορφή τοπολογικής τάσης όταν έχει αυτό που ονομάζεται υπερέλιξη. Κάτω από αυτές τις συνθήκες, οι μη κανονικές δομές του DNA σχηματίζονται εύκολα: Ζ-μορφές, «σταυροί» και «φουρκέτες», μορφές Η, τετράπτυχα γουανίνης και i-motif.

Υπερτυλιγμένη μορφή - σημειώνεται όταν απελευθερώνεται από τον πυρήνα του κυττάρου χωρίς να καταστρέφεται η ραχοκοκαλιά της φωσφορικής πεντόζης. Έχει το σχήμα σούπερ στριμμένων κλειστών δακτυλίων. Σε υπερτυλιγμένη κατάσταση, η διπλή έλικα του DNA "στριμώχνεται" τουλάχιστον μία φορά, δηλαδή περιέχει τουλάχιστον μία υπερστροφή (έχει σχήμα οκτώ).
Χαλαρή κατάσταση του DNA - παρατηρείται με ένα μόνο σπάσιμο (σπάσιμο ενός κλώνου). Σε αυτή την περίπτωση, τα υπερπηνία εξαφανίζονται και το DNA παίρνει τη μορφή κλειστού δακτυλίου.
Η γραμμική μορφή του DNA παρατηρείται όταν σπάσουν δύο κλώνοι διπλής έλικας.

Και οι τρεις αυτές μορφές DNA διαχωρίζονται εύκολα με ηλεκτροφόρηση γέλης.

Τριτογενής δομή του DNA

Τριτογενής δομή του DNAσχηματίζεται ως αποτέλεσμα πρόσθετης συστροφής στο χώρο ενός μορίου διπλής έλικας - η υπερέλιξη του. Η υπερέλιξη του μορίου του DNA στα ευκαρυωτικά κύτταρα, σε αντίθεση με τα προκαρυωτικά, εμφανίζεται με τη μορφή συμπλεγμάτων με πρωτεΐνες.

Σχεδόν όλο το DNA των ευκαρυωτών βρίσκεται στα χρωμοσώματα των πυρήνων μόνο μια μικρή ποσότητα περιέχεται στα μιτοχόνδρια και στα φυτά στα πλαστίδια. Η κύρια ουσία των χρωμοσωμάτων των ευκαρυωτικών κυττάρων (συμπεριλαμβανομένων των ανθρώπινων χρωμοσωμάτων) είναι η χρωματίνη, που αποτελείται από δίκλωνο DNA, πρωτεΐνες ιστόνης και μη ιστονικές πρωτεΐνες.

Πρωτεΐνες χρωματίνης ιστόνης

Οι ιστόνες είναι απλές πρωτεΐνες που αποτελούν έως και το 50% της χρωματίνης. Σε όλα τα ζωικά και φυτικά κύτταρα που μελετήθηκαν, βρέθηκαν πέντε κύριες κατηγορίες ιστονών: H1, H2A, H2B, H3, H4, που διαφέρουν σε μέγεθος, σύσταση αμινοξέων και φορτίο (πάντα θετικό).

Η ιστόνη Η1 των θηλαστικών αποτελείται από μια μοναδική πολυπεπτιδική αλυσίδα που περιέχει περίπου 215 αμινοξέα. τα μεγέθη άλλων ιστονών ποικίλλουν από 100 έως 135 αμινοξέα. Όλα αυτά είναι σπειροειδή και στριμμένα σε ένα σφαιρίδιο με διάμετρο περίπου 2,5 nm και περιέχουν μια ασυνήθιστα μεγάλη ποσότητα θετικά φορτισμένων αμινοξέων λυσίνη και αργινίνη. Οι ιστόνες μπορούν να είναι ακετυλιωμένες, μεθυλιωμένες, φωσφορυλιωμένες, πολυ(ADP)-ριβοσυλιωμένες και οι ιστόνες H2A και H2B συνδέονται ομοιοπολικά με την ουβικιτίνη. Ο ρόλος τέτοιων τροποποιήσεων στο σχηματισμό της δομής και της απόδοσης των λειτουργιών από τις ιστόνες δεν έχει ακόμη αποσαφηνιστεί πλήρως. Υποτίθεται ότι αυτή είναι η ικανότητά τους να αλληλεπιδρούν με το DNA και να παρέχουν έναν από τους μηχανισμούς για τη ρύθμιση της δράσης των γονιδίων.

Οι ιστόνες αλληλεπιδρούν με το DNA κυρίως μέσω ιοντικών δεσμών (γέφυρες άλατος) που σχηματίζονται μεταξύ των αρνητικά φορτισμένων φωσφορικών ομάδων του DNA και των θετικά φορτισμένων υπολειμμάτων λυσίνης και αργινίνης των ιστονών.

Πρωτεΐνες μη ιστόνης χρωματίνης

Οι μη ιστονικές πρωτεΐνες, σε αντίθεση με τις ιστόνες, είναι πολύ διαφορετικές. Έχουν απομονωθεί έως και 590 διαφορετικά κλάσματα μη ιστονικών πρωτεϊνών που δεσμεύουν το DNA. Ονομάζονται και όξινες πρωτεΐνες, αφού στη δομή τους κυριαρχούν τα όξινα αμινοξέα (είναι πολυανιόντα). Η ποικιλία των μη ιστονικών πρωτεϊνών σχετίζεται με ειδική ρύθμιση της δραστηριότητας της χρωματίνης. Για παράδειγμα, τα ένζυμα που απαιτούνται για την αντιγραφή και την έκφραση του DNA μπορεί να συνδεθούν παροδικά στη χρωματίνη. Άλλες πρωτεΐνες, ας πούμε εκείνες που εμπλέκονται σε διάφορες ρυθμιστικές διαδικασίες, συνδέονται με το DNA μόνο σε συγκεκριμένους ιστούς ή σε ορισμένα στάδια διαφοροποίησης. Κάθε πρωτεΐνη είναι συμπληρωματική σε μια συγκεκριμένη αλληλουχία νουκλεοτιδίων DNA (θέση DNA). Αυτή η ομάδα περιλαμβάνει:

οικογένεια τοπικών πρωτεϊνών δακτύλου ψευδαργύρου. Κάθε «δάχτυλο ψευδάργυρου» αναγνωρίζει μια συγκεκριμένη θέση που αποτελείται από 5 ζεύγη νουκλεοτιδίων.
οικογένεια τοποειδικών πρωτεϊνών - ομοδιμερών. Το θραύσμα μιας τέτοιας πρωτεΐνης σε επαφή με το DNA έχει δομή έλικας-στροφής-έλικας.
Οι πρωτεΐνες γέλης υψηλής κινητικότητας (πρωτεΐνες HMG) είναι μια ομάδα δομικών και ρυθμιστικών πρωτεϊνών που συνδέονται συνεχώς με τη χρωματίνη. Έχουν μοριακό βάρος μικρότερο από 30 kDa και χαρακτηρίζονται από υψηλή περιεκτικότητα σε φορτισμένα αμινοξέα. Λόγω του χαμηλού μοριακού τους βάρους, οι πρωτεΐνες HMG έχουν υψηλή κινητικότητα κατά την ηλεκτροφόρηση γέλης πολυακρυλαμιδίου.
ένζυμα αντιγραφής, μεταγραφής και επιδιόρθωσης.

Με τη συμμετοχή δομικών, ρυθμιστικών πρωτεϊνών και ενζύμων που εμπλέκονται στη σύνθεση του DNA και του RNA, το νήμα νουκλεοσώματος μετατρέπεται σε ένα εξαιρετικά συμπυκνωμένο σύμπλεγμα πρωτεϊνών και DNA. Η δομή που προκύπτει είναι 10.000 φορές μικρότερη από το αρχικό μόριο DNA.

Χρωματίνη

Η χρωματίνη είναι ένα σύμπλεγμα πρωτεϊνών με πυρηνικό DNA και ανόργανες ουσίες. Το μεγαλύτερο μέρος της χρωματίνης είναι ανενεργό. Περιέχει σφιχτά συσκευασμένο, συμπυκνωμένο DNA. Αυτή είναι η ετεροχρωματίνη. Υπάρχουν συστατική, γενετικά ανενεργή χρωματίνη (δορυφορικό DNA) που αποτελείται από μη εκφρασμένες περιοχές, και προαιρετική - ανενεργή σε πολλές γενιές, αλλά υπό ορισμένες συνθήκες ικανή να εκφραστεί.

Η ενεργή χρωματίνη (ευχρωματίνη) είναι μη συμπυκνωμένη, δηλ. συσκευάζονται λιγότερο σφιχτά. Σε διαφορετικά κελιά η περιεκτικότητά του κυμαίνεται από 2 έως 11%. Στα εγκεφαλικά κύτταρα είναι πιο άφθονο - 10-11%, στα ηπατικά κύτταρα - 3-4 και στα νεφρικά κύτταρα - 2-3%. Σημειώνεται ενεργή μεταγραφή της ευχρωματίνης. Επιπλέον, η δομική του οργάνωση επιτρέπει στις ίδιες γενετικές πληροφορίες DNA που είναι εγγενείς σε έναν δεδομένο τύπο οργανισμού να χρησιμοποιούνται διαφορετικά σε εξειδικευμένα κύτταρα.

Σε ένα ηλεκτρονικό μικροσκόπιο, η εικόνα της χρωματίνης μοιάζει με σφαιρίδια: σφαιρικά πάχυνση μεγέθους περίπου 10 nm, που χωρίζονται από γέφυρες που μοιάζουν με νήματα. Αυτές οι σφαιρικές παχύνσεις ονομάζονται νουκλεοσώματα. Το νουκλεόσωμα είναι μια δομική μονάδα της χρωματίνης. Κάθε νουκλεόσωμα περιέχει ένα υπερτυλιγμένο τμήμα DNA 146 bp για να σχηματίσει 1,75 αριστερές στροφές ανά νουκλεοσωμικό πυρήνα. Ο πυρηνικός πυρήνας είναι ένα οκταμερές ιστόνης που αποτελείται από ιστόνες H2A, H2B, H3 και H4, δύο μόρια κάθε τύπου (Εικ. 9), που μοιάζει με δίσκο με διάμετρο 11 nm και πάχος 5,7 nm. Η πέμπτη ιστόνη, Η1, δεν αποτελεί μέρος του νουκλεοσωμικού πυρήνα και δεν εμπλέκεται στη διαδικασία περιέλιξης του DNA στο οκταμερές ιστόνης. Έρχεται σε επαφή με το DNA στα σημεία όπου η διπλή έλικα εισέρχεται και εξέρχεται από τον πυρηνικό πυρήνα. Πρόκειται για ενδοπυρηνικά (συνδετικά) τμήματα DNA, το μήκος των οποίων ποικίλλει ανάλογα με τον τύπο του κυττάρου από 40 έως 50 ζεύγη νουκλεοτιδίων. Ως αποτέλεσμα, το μήκος του θραύσματος DNA που περιλαμβάνεται στα νουκλεοσώματα ποικίλλει επίσης (από 186 έως 196 ζεύγη νουκλεοτιδίων).

Τα νουκλεοσώματα περιέχουν περίπου 90% DNA, ενώ τα υπόλοιπα είναι συνδέτες. Πιστεύεται ότι τα νουκλεοσώματα είναι θραύσματα «σιωπηλής» χρωματίνης και ο συνδέτης είναι ενεργός. Ωστόσο, τα νουκλεοσώματα μπορούν να ξεδιπλωθούν και να γίνουν γραμμικά. Τα ξεδιπλωμένα νουκλεοσώματα είναι ήδη ενεργή χρωματίνη. Αυτό δείχνει ξεκάθαρα την εξάρτηση της λειτουργίας από τη δομή. Μπορούμε να υποθέσουμε ότι όσο περισσότερη χρωματίνη περιέχεται στα σφαιρικά νουκλεοσώματα, τόσο λιγότερο ενεργή είναι. Προφανώς, σε διαφορετικά κύτταρα η άνιση αναλογία ηρεμίας χρωματίνης σχετίζεται με τον αριθμό τέτοιων νουκλεοσωμάτων.

Σε ηλεκτρονικές μικροσκοπικές φωτογραφίες, ανάλογα με τις συνθήκες απομόνωσης και τον βαθμό τάνυσης, η χρωματίνη μπορεί να φαίνεται όχι μόνο ως ένα μακρύ νήμα με πάχυνση - «σφαιρίδια» νουκλεοσωμάτων, αλλά και ως ένα πιο κοντό και πυκνό ινίδιο (ίνα) με διάμετρο 30 nm, ο σχηματισμός του οποίου παρατηρείται κατά την αλληλεπίδραση ιστόνη Η1 δεσμευμένη στην περιοχή συνδέτη του DNA και ιστόνης Η3, η οποία οδηγεί σε επιπλέον συστροφή της έλικας έξι νουκλεοσωμάτων ανά στροφή για να σχηματιστεί ένα σωληνοειδές με διάμετρο 30 nm. Σε αυτή την περίπτωση, η πρωτεΐνη ιστόνης μπορεί να επηρεάσει τη μεταγραφή ενός αριθμού γονιδίων και έτσι να ρυθμίσει τη δραστηριότητά τους.

Ως αποτέλεσμα των αλληλεπιδράσεων του DNA με τις ιστόνες που περιγράφονται παραπάνω, ένα τμήμα διπλής έλικας DNA 186 ζευγών βάσεων με μέση διάμετρο 2 nm και μήκος 57 nm μετατρέπεται σε έλικα με διάμετρο 10 nm και μήκος 5 nm. Όταν αυτή η έλικα στη συνέχεια συμπιέζεται σε μια ίνα με διάμετρο 30 nm, ο βαθμός συμπύκνωσης εξαπλασιάζεται ακόμη.

Τελικά, η συσκευασία ενός διπλού DNA με πέντε ιστόνες έχει ως αποτέλεσμα 50πλάσια συμπύκνωση του DNA. Ωστόσο, ακόμη και ένας τόσο υψηλός βαθμός συμπύκνωσης δεν μπορεί να εξηγήσει τη σχεδόν 50.000 - 100.000 φορές συμπίεση του DNA στο χρωμόσωμα της μεταφάσης. Δυστυχώς, οι λεπτομέρειες της περαιτέρω συσκευασίας χρωματίνης μέχρι το χρωμόσωμα της μεταφάσης δεν είναι ακόμη γνωστές, επομένως μπορούμε μόνο να εξετάσουμε τα γενικά χαρακτηριστικά αυτής της διαδικασίας.

Επίπεδα συμπίεσης DNA στα χρωμοσώματα

Κάθε μόριο DNA συσκευάζεται σε ξεχωριστό χρωμόσωμα. Τα ανθρώπινα διπλοειδή κύτταρα περιέχουν 46 χρωμοσώματα, τα οποία βρίσκονται στον πυρήνα του κυττάρου. Το συνολικό μήκος του DNA όλων των χρωμοσωμάτων σε ένα κύτταρο είναι 1,74 m, αλλά η διάμετρος του πυρήνα στον οποίο είναι συσκευασμένα τα χρωμοσώματα είναι εκατομμύρια φορές μικρότερη. Μια τέτοια συμπαγής συσκευασία DNA σε χρωμοσώματα και χρωμοσώματα στον πυρήνα του κυττάρου εξασφαλίζεται από μια ποικιλία πρωτεϊνών ιστόνης και μη ιστόνης που αλληλεπιδρούν σε μια ορισμένη αλληλουχία με το DNA (βλ. παραπάνω). Η συμπίεση του DNA στα χρωμοσώματα καθιστά δυνατή τη μείωση των γραμμικών του διαστάσεων κατά περίπου 10.000 φορές - περίπου από 5 cm σε 5 μικρά. Υπάρχουν πολλά επίπεδα συμπύκνωσης (Εικ. 10).

Η διπλή έλικα του DNA είναι ένα αρνητικά φορτισμένο μόριο με διάμετρο 2 nm και μήκος αρκετά cm.
επίπεδο νουκλεοσώματος- η χρωματίνη φαίνεται σε ένα ηλεκτρονικό μικροσκόπιο ως μια αλυσίδα από "σφαιρίδια" - νουκλεοσώματα - "σε μια κλωστή". Το νουκλεόσωμα είναι μια καθολική δομική μονάδα που βρίσκεται τόσο στην ευχρωματίνη όσο και στην ετεροχρωματίνη, στον πυρήνα της ενδιάμεσης φάσης και στα χρωμοσώματα μεταφάσης.
Το νουκλεοσωμικό επίπεδο συμπίεσης εξασφαλίζεται από ειδικές πρωτεΐνες - ιστόνες. Οκτώ θετικά φορτισμένες περιοχές ιστόνης σχηματίζουν τον πυρήνα του νουκλεοσώματος γύρω από το οποίο τυλίγεται ένα αρνητικά φορτισμένο μόριο DNA. Αυτό δίνει μια βράχυνση 7 φορές, ενώ η διάμετρος αυξάνεται από 2 σε 11 nm.
επίπεδο ηλεκτρομαγνητικής βαλβίδας
Το επίπεδο σωληνοειδούς οργάνωσης των χρωμοσωμάτων χαρακτηρίζεται από συστροφή του νήματος νουκλεοσώματος και σχηματισμό παχύτερων ινιδίων διαμέτρου 20-35 nm - σωληνοειδών ή υπερθεμάτων. Το βήμα του σωληνοειδούς είναι 11 nm, υπάρχουν περίπου 6-10 νουκλεοσώματα ανά στροφή. Το σωληνοειδές packing θεωρείται πιο πιθανό από το superbid packing, σύμφωνα με το οποίο ένα ινίδιο χρωματίνης με διάμετρο 20-35 nm είναι μια αλυσίδα κόκκων, ή superbids, καθένα από τα οποία αποτελείται από οκτώ νουκλεοσώματα. Σε επίπεδο ηλεκτρομαγνητικής βαλβίδας, το γραμμικό μέγεθος του DNA μειώνεται κατά 6-10 φορές, η διάμετρος αυξάνεται στα 30 nm.
επίπεδο βρόχου
Το επίπεδο βρόχου παρέχεται από πρωτεΐνες δέσμευσης DNA που δεν είναι ειδικές για τη θέση ιστόνης που αναγνωρίζουν και δεσμεύονται σε συγκεκριμένες αλληλουχίες DNA, σχηματίζοντας βρόχους περίπου 30-300 kb. Ο βρόχος εξασφαλίζει γονιδιακή έκφραση, δηλ. ο βρόχος δεν είναι μόνο ένας δομικός, αλλά και ένας λειτουργικός σχηματισμός. Η βράχυνση σε αυτό το επίπεδο συμβαίνει 20-30 φορές. Η διάμετρος αυξάνεται στα 300 nm. Δομές σε σχήμα βρόχου όπως «βούρτσες λαμπτήρων» σε ωάρια αμφιβίων μπορούν να παρατηρηθούν σε κυτταρολογικά παρασκευάσματα. Αυτοί οι βρόχοι φαίνεται να είναι υπερτυλιγμένοι και αντιπροσωπεύουν τομείς DNA, που πιθανώς αντιστοιχούν σε μονάδες μεταγραφής και αντιγραφής χρωματίνης. Συγκεκριμένες πρωτεΐνες στερεώνουν τις βάσεις των βρόχων και, πιθανώς, μερικά από τα εσωτερικά τους τμήματα. Η οργάνωση τομέα που μοιάζει με βρόχο προωθεί την αναδίπλωση της χρωματίνης στα χρωμοσώματα μεταφάσης σε ελικοειδείς δομές υψηλότερης τάξης.
επίπεδο τομέα
Το επίπεδο του τομέα της οργάνωσης των χρωμοσωμάτων δεν έχει μελετηθεί αρκετά. Σε αυτό το επίπεδο, σημειώνεται ο σχηματισμός περιοχών βρόχου - δομές νημάτων (ινιδίων) πάχους 25-30 nm, που περιέχουν 60% πρωτεΐνη, 35% DNA και 5% RNA, είναι πρακτικά αόρατες σε όλες τις φάσεις του κυτταρικού κύκλου με εξαίρεση της μίτωσης και κατανέμονται κάπως τυχαία στον πυρήνα του κυττάρου. Δομές σε σχήμα βρόχου όπως «βούρτσες λαμπτήρων» σε ωάρια αμφιβίων μπορούν να παρατηρηθούν σε κυτταρολογικά παρασκευάσματα.
Οι περιοχές βρόχου συνδέονται στη βάση τους στην ενδοπυρηνική πρωτεϊνική μήτρα στις λεγόμενες ενσωματωμένες θέσεις προσκόλλησης, που συχνά αναφέρονται ως αλληλουχίες MAR/SAR (MAR, από την αγγλική περιοχή που σχετίζεται με τη μήτρα, SAR, από τις περιοχές προσάρτησης αγγλικού ικριώματος) - Θραύσματα DNA αρκετών εκατοντάδων σε μήκος ζεύγη βάσεων που χαρακτηρίζονται από υψηλή περιεκτικότητα (>65%) σε ζεύγη νουκλεοτιδίων Α/Τ. Κάθε τομέας φαίνεται να έχει μια ενιαία αρχή αντιγραφής και λειτουργεί ως αυτόνομη υπερέλικτη μονάδα. Οποιοσδήποτε τομέας βρόχου περιέχει πολλές μονάδες μεταγραφής, η λειτουργία των οποίων είναι πιθανώς συντονισμένη - ολόκληρος ο τομέας βρίσκεται είτε σε ενεργή είτε σε ανενεργή κατάσταση.
Σε επίπεδο περιοχής, ως αποτέλεσμα της διαδοχικής συσκευασίας χρωματίνης, εμφανίζεται μείωση στις γραμμικές διαστάσεις του DNA κατά περίπου 200 φορές (700 nm).
χρωμοσωμικό επίπεδο
Σε χρωμοσωμικό επίπεδο, η συμπύκνωση του χρωμοσώματος προφάσης σε ένα χρωμόσωμα μεταφάσης λαμβάνει χώρα με συμπίεση περιοχών βρόχου γύρω από το αξονικό πλαίσιο πρωτεϊνών μη ιστόνης. Αυτή η υπερέλιξη συνοδεύεται από φωσφορυλίωση όλων των μορίων Η1 στο κύτταρο. Ως αποτέλεσμα, το χρωμόσωμα μετάφασης μπορεί να απεικονιστεί ως πυκνά συσσωρευμένοι σωληνοειδείς βρόχοι, κουλουριασμένοι σε μια σφιχτή σπείρα. Ένα τυπικό ανθρώπινο χρωμόσωμα μπορεί να περιέχει έως και 2.600 βρόχους. Το πάχος μιας τέτοιας δομής φτάνει τα 1400 nm (δύο χρωματίδες) και το μόριο DNA μειώνεται κατά 104 φορές, δηλ. από 5 cm τεντωμένο DNA έως 5 μm.

Λειτουργίες χρωμοσωμάτων

Σε αλληλεπίδραση με εξωχρωμοσωμικούς μηχανισμούς, τα χρωμοσώματα παρέχουν

αποθήκευση κληρονομικών πληροφοριών
χρησιμοποιώντας αυτές τις πληροφορίες για τη δημιουργία και τη διατήρηση της κυτταρικής οργάνωσης
ρύθμιση της ανάγνωσης κληρονομικών πληροφοριών
αυτοδιπλασιασμός του γενετικού υλικού
μεταφορά γενετικού υλικού από το μητρικό κύτταρο στα θυγατρικά κύτταρα.

Υπάρχουν ενδείξεις ότι όταν ενεργοποιείται μια περιοχή χρωματίνης, π.χ. κατά τη μεταγραφή, πρώτα η ιστόνη Η1 και στη συνέχεια η οκτάδα ιστόνης αφαιρούνται αναστρέψιμα από αυτήν. Αυτό προκαλεί την αποσυμπύκνωση της χρωματίνης, τη διαδοχική μετάβαση ενός ινιδίου χρωματίνης 30 nm σε ένα ινίδιο 10 nm και την περαιτέρω ξεδίπλωσή του σε τμήματα ελεύθερου DNA, δηλ. απώλεια της δομής του νουκλεοσώματος.

Δεοξυριβονουκλεϊκό οξύ (DNA) - ένα μακρομόριο (ένα από τα τρία κύρια, τα άλλα δύο είναι RNA και πρωτεΐνες), που παρέχει αποθήκευση, μετάδοση από γενιά σε γενιά και εφαρμογή του γενετικού προγράμματος για την ανάπτυξη και τη λειτουργία των ζωντανών οργανισμών. Το DNA περιέχει πληροφορίες για τη δομή διαφόρων τύπων RNA και πρωτεϊνών.

Στα ευκαρυωτικά κύτταρα (ζώα, φυτά και μύκητες), το DNA βρίσκεται στον πυρήνα του κυττάρου ως μέρος των χρωμοσωμάτων, καθώς και σε ορισμένα κυτταρικά οργανίδια (μιτοχόνδρια και πλαστίδια). Στα κύτταρα των προκαρυωτικών οργανισμών (βακτήρια και αρχαία), ένα κυκλικό ή γραμμικό μόριο DNA, το λεγόμενο νουκλεοειδές, συνδέεται από το εσωτερικό στην κυτταρική μεμβράνη. Σε αυτά και σε κατώτερους ευκαρυώτες (για παράδειγμα, ζυμομύκητες), βρίσκονται επίσης μικρά αυτόνομα, κυρίως κυκλικά μόρια DNA που ονομάζονται πλασμίδια. Επιπλέον, μονόκλωνα ή δίκλωνα μόρια DNA μπορούν να σχηματίσουν το γονιδίωμα των ιών DNA.

Από χημική άποψη, το DNA είναι ένα μακρύ πολυμερές μόριο που αποτελείται από επαναλαμβανόμενα μπλοκ - νουκλεοτίδια. Κάθε νουκλεοτίδιο αποτελείται από μια αζωτούχα βάση, ένα σάκχαρο (δεοξυριβόζη) και μια φωσφορική ομάδα. Οι δεσμοί μεταξύ νουκλεοτιδίων στην αλυσίδα σχηματίζονται από δεοξυριβόζη και μια φωσφορική ομάδα (φωσφοδιεστερικοί δεσμοί). Στη συντριπτική πλειονότητα των περιπτώσεων (εκτός από ορισμένους ιούς που περιέχουν μονόκλωνο DNA), το μακρομόριο DNA αποτελείται από δύο αλυσίδες προσανατολισμένες με αζωτούχες βάσεις η μία προς την άλλη. Αυτό το δίκλωνο μόριο είναι ελικοειδές. Η συνολική δομή του μορίου του DNA ονομάζεται «διπλή έλικα».

Η αποκωδικοποίηση της δομής του DNA (1953) ήταν ένα από τα σημεία καμπής στην ιστορία της βιολογίας. Για την εξαιρετική συνεισφορά τους σε αυτή την ανακάλυψη, ο Φράνσις Κρικ, ο Τζέιμς Γουότσον και ο Μορίς Γουίλκινς τιμήθηκαν με το Νόμπελ Φυσιολογίας ή Ιατρικής το 1962, ο οποίος έλαβε τις εικόνες ακτίνων Χ χωρίς τις οποίες ο Γουότσον και ο Κρικ δεν θα μπορούσαν να βγάλουν συμπεράσματα. σχετικά με τη δομή του DNA, πέθανε το 1958 από καρκίνο, και το βραβείο Νόμπελ, δυστυχώς, δεν δίνεται μετά θάνατον.

Ιστορικό της μελέτης

Μοριακή δομή

Νουκλεοτίδια

Διπλή έλικα

Σχηματισμός δεσμών μεταξύ ελίκων

Χημικές τροποποιήσεις βάσεων

Βλάβη στο DNA

Σούπερ στριμμένο

Δομές στα άκρα των χρωμοσωμάτων

Βιολογικές λειτουργίες

Δομή γονιδιώματος

Αλληλουχίες γονιδιώματος που δεν κωδικοποιούν πρωτεΐνες

Μεταγραφή και μετάδοση

Αντιγραφή

Αλληλεπίδραση με πρωτεΐνες

Δομικές και ρυθμιστικές πρωτεΐνες

Ένζυμα τροποποίησης DNA

Τοποϊσομεράσες και ελικάσες

Νουκλεάσες και λιγάσες

Πολυμεράσες

Γενετικός ανασυνδυασμός

Εξέλιξη του μεταβολισμού με βάση το DNA

Βιβλιογραφία

Ιστορικό της μελέτης

Το DNA ως χημική ουσία απομονώθηκε από τον Johann Friedrich Miescher το 1868 από υπολείμματα κυττάρων που περιέχονται σε πύον. Απομόνωσε μια ουσία που περιέχει άζωτο και φώσφορο. Στην αρχή η νέα ουσία ονομάστηκε νουκλεΐνη, και αργότερα, όταν ο Miescher διαπίστωσε ότι αυτή η ουσία είχε όξινες ιδιότητες, η ουσία ονομάστηκε νουκλεϊκό οξύ. Η βιολογική λειτουργία της ουσίας που ανακαλύφθηκε πρόσφατα ήταν ασαφής και για μεγάλο χρονικό διάστημα το DNA θεωρούνταν αποθήκη φωσφόρου στο σώμα. Επιπλέον, ακόμη και στις αρχές του 20ου αιώνα, πολλοί βιολόγοι πίστευαν ότι το DNA δεν είχε καμία σχέση με τη μεταφορά πληροφοριών, καθώς η δομή του μορίου, κατά τη γνώμη τους, ήταν πολύ ομοιόμορφη και δεν μπορούσε να περιέχει κωδικοποιημένες πληροφορίες.

Σταδιακά αποδείχθηκε ότι ο φορέας της γενετικής πληροφορίας είναι το DNA και όχι οι πρωτεΐνες, όπως πιστεύαμε παλαιότερα. Ένα από τα πρώτα αποφασιστικά στοιχεία προήλθε από τα πειράματα των O. Avery, Colin McLeod και McLean McCarthy (1944) σχετικά με τον μετασχηματισμό των βακτηρίων. Κατάφεραν να δείξουν ότι ο λεγόμενος μετασχηματισμός (η απόκτηση παθογόνων ιδιοτήτων από μια αβλαβή καλλιέργεια ως αποτέλεσμα της προσθήκης νεκρών παθογόνων βακτηρίων σε αυτήν) είναι υπεύθυνη για την DNA. Ένα πείραμα των Αμερικανών επιστημόνων Alfred Hershey και Martha Chase (πείραμα Hershey Chase 1952) με πρωτεΐνες και DNA βακτηριοφάγων σημασμένων με ραδιενεργά ισότοπα έδειξε ότι μόνο το νουκλεϊκό οξύ του φάγου μεταφέρεται στο μολυσμένο κύτταρο και η νέα γενιά φάγων περιέχει τις ίδιες πρωτεΐνες και νουκλεϊκό οξύ ως αρχικός φάγος

Μέχρι τη δεκαετία του 50 του 20ου αιώνα, η ακριβής δομή του DNA, καθώς και η μέθοδος μετάδοσης κληρονομικών πληροφοριών, παρέμεναν άγνωστα. Αν και ήταν γνωστό με βεβαιότητα ότι το DNA αποτελείται από πολλές αλυσίδες νουκλεοτιδίων, κανείς δεν γνώριζε ακριβώς πόσες από αυτές τις αλυσίδες ήταν και πώς συνδέθηκαν.

Η δομή της διπλής έλικας του DNA προτάθηκε από τους Francis Crick και James Watson το 1953 με βάση τα δεδομένα περίθλασης ακτίνων Χ που ελήφθησαν από τους Maurice Wilkins και Rosalind Franklin και τους «κανόνες Chargaff», σύμφωνα με τους οποίους παρατηρούνται αυστηρές σχέσεις σε κάθε μόριο DNA. , συνδέοντας τον αριθμό των αζωτούχων βάσεων διαφορετικών τύπων . Αργότερα, το μοντέλο της δομής του DNA που πρότειναν οι Watson και Crick αποδείχθηκε και το έργο τους τιμήθηκε με το Νόμπελ Φυσιολογίας ή Ιατρικής το 1962. Η Rosalind Franklin, η οποία είχε πεθάνει από καρκίνο εκείνη την εποχή, δεν ήταν μεταξύ των βραβευθέντων, καθώς το βραβείο δεν απονέμεται μετά θάνατον.

Είναι ενδιαφέρον ότι το 1957, οι Αμερικανοί Alexander Rich, Gary Felsenfeld και David Davis περιέγραψαν ένα νουκλεϊκό οξύ που αποτελείται από τρεις έλικες. Και το 1985-1986, ο Maxim Davidovich Frank-Kamenetsky στη Μόσχα έδειξε πώς το δίκλωνο DNA διπλώνεται στη λεγόμενη μορφή Η, που αποτελείται όχι από δύο, αλλά από τρεις κλώνους DNA.

Μοριακή δομή.

Το δεοξυριβονουκλεϊκό οξύ (DNA) είναι ένα βιοπολυμερές (πολυανιόν) του οποίου το μονομερές είναι ένα νουκλεοτίδιο.

Κάθε νουκλεοτίδιο αποτελείται από ένα υπόλειμμα φωσφορικού οξέος συνδεδεμένο στη θέση 5" στη δεοξυριβόζη του σακχάρου, στην οποία μία από τις τέσσερις αζωτούχες βάσεις είναι επίσης συνδεδεμένη μέσω ενός γλυκοσιδικού δεσμού (C-N) στη θέση 1". Είναι η παρουσία ενός χαρακτηριστικού σακχάρου που αποτελεί μια από τις κύριες διαφορές μεταξύ DNA και RNA, που καταγράφεται στα ονόματα αυτών των νουκλεϊκών οξέων (το RNA περιέχει το σάκχαρο ριβόζη). Ένα παράδειγμα νουκλεοτιδίου είναι η μονοφωσφορική αδενοσίνη, στην οποία η βάση που συνδέεται με το φωσφορικό άλας και τη ριβόζη είναι αδενίνη (που φαίνεται στο σχήμα).

Με βάση τη δομή των μορίων, οι βάσεις που αποτελούν τα νουκλεοτίδια χωρίζονται σε δύο ομάδες: οι πουρίνες (αδενίνη [A] και γουανίνη [G]) σχηματίζονται από συνδεδεμένους πενταμελείς και εξαμελείς ετερόκυκλους. πυριμιδίνες (κυτοσίνη [C] και θυμίνη [Τ]) - ένας εξαμελής ετερόκυκλος.

Κατ' εξαίρεση, για παράδειγμα, στον βακτηριοφάγο PBS1, ένας πέμπτος τύπος βάσης βρίσκεται στο DNA - ουρακίλη ([U]), μια βάση πυριμιδίνης που διαφέρει από τη θυμίνη απουσία μεθυλικής ομάδας στον δακτύλιο, που συνήθως αντικαθιστά τη θυμίνη στο RNA.

Θα πρέπει να σημειωθεί ότι η θυμίνη και η ουρακίλη δεν περιορίζονται τόσο αυστηρά στο DNA και το RNA, αντίστοιχα, όσο πιστευόταν προηγουμένως. Έτσι, μετά τη σύνθεση κάποιων μορίων RNA, σημαντικός αριθμός ουρακιλών σε αυτά τα μόρια μεθυλιώνεται με τη βοήθεια ειδικών ενζύμων, μετατρέποντας σε θυμίνη. Αυτό συμβαίνει στη μεταφορά και στα ριβοσωμικά RNA.

Διπλή έλικα.

Το πολυμερές DNA έχει μια μάλλον πολύπλοκη δομή. Τα νουκλεοτίδια συνδέονται μεταξύ τους ομοιοπολικά σε μακριές πολυνουκλεοτιδικές αλυσίδες. Στη συντριπτική πλειονότητα των περιπτώσεων, αυτές οι αλυσίδες (εκτός από ορισμένους ιούς με μονόκλωνα γονιδιώματα DNA) συνδυάζονται σε ζεύγη χρησιμοποιώντας δεσμούς υδρογόνου σε μια δευτερεύουσα δομή που ονομάζεται διπλή έλικα. Η ραχοκοκαλιά κάθε αλυσίδας αποτελείται από εναλλασσόμενα φωσφορικά σάκχαρα. Μέσα σε μία αλυσίδα DNA, τα γειτονικά νουκλεοτίδια συνδέονται με φωσφοδιεστερικούς δεσμούς, οι οποίοι σχηματίζονται ως αποτέλεσμα της αλληλεπίδρασης μεταξύ της ομάδας 3"-υδροξυλίου (3"-ΟΗ) του μορίου δεοξυριβόζης ενός νουκλεοτιδίου και της 5"-φωσφορικής ομάδας ( 5"-ΠΟ 3) του άλλου. Τα ασύμμετρα άκρα του κλώνου του DNA ονομάζονται 3" (τρία prims) και 5" (πέντε prims). Η πολικότητα της αλυσίδας παίζει σημαντικό ρόλο στη σύνθεση του DNA (η επέκταση της αλυσίδας είναι δυνατή μόνο με την προσθήκη νέων νουκλεοτιδίων στο ελεύθερο άκρο 3").

Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, στη συντριπτική πλειονότητα των ζωντανών οργανισμών, το DNA αποτελείται όχι από μία, αλλά από δύο πολυνουκλεοτιδικές αλυσίδες. Αυτές οι δύο μακριές αλυσίδες είναι στριμμένες η μία γύρω από την άλλη με τη μορφή διπλής έλικας, η οποία σταθεροποιείται από δεσμούς υδρογόνου που σχηματίζονται μεταξύ των αζωτούχων βάσεων των αλυσίδων που αντικρίζουν η μία την άλλη. Στη φύση, αυτή η σπείρα είναι πιο συχνά δεξιόχειρας. Οι κατευθύνσεις από το άκρο 3" έως το άκρο 5" στις δύο αλυσίδες που αποτελούν το μόριο DNA είναι αντίθετες (οι αλυσίδες είναι "αντιπαράλληλες" μεταξύ τους).

Το πλάτος της διπλής έλικας είναι από 22 έως 24 A, ή 2,2 - 2,4 nm, το μήκος κάθε νουκλεοτιδίου είναι 3,3 Å (0,33 nm). Όπως μπορείτε να δείτε βήματα σε μια σπειροειδή σκάλα από το πλάι, σε μια διπλή έλικα DNA, στα κενά μεταξύ της φωσφορικής ραχοκοκαλιάς του μορίου, μπορείτε να δείτε τις άκρες των βάσεων, οι δακτύλιοι των οποίων βρίσκονται σε επίπεδο κάθετο προς τον διαμήκη άξονα του μακρομορίου.

Σε μια διπλή έλικα, υπάρχουν μικρές (12 Α) και μεγάλες (22 Α) αυλακώσεις. Οι πρωτεΐνες, όπως οι παράγοντες μεταγραφής, που συνδέονται με συγκεκριμένες αλληλουχίες στο δίκλωνο DNA τυπικά αλληλεπιδρούν με τις άκρες των βάσεων στην κύρια αύλακα, όπου είναι πιο προσβάσιμες.

Κάθε βάση σε έναν από τους κλώνους συνδέεται με μια συγκεκριμένη βάση στο δεύτερο σκέλος. Αυτή η ειδική δέσμευση ονομάζεται συμπληρωματική. Οι πουρίνες είναι συμπληρωματικές προς τις πυριμιδίνες (δηλαδή, ικανές να σχηματίζουν δεσμούς υδρογόνου μαζί τους): η αδενίνη σχηματίζει δεσμούς μόνο με τη θυμίνη και η κυτοσίνη με τη γουανίνη. Σε μια διπλή έλικα, οι κλώνοι συνδέονται επίσης μέσω υδρόφοβων αλληλεπιδράσεων και στοίβαξης, οι οποίες είναι ανεξάρτητες από την αλληλουχία των βάσεων του DNA.

Η συμπληρωματικότητα διπλής έλικας σημαίνει ότι οι πληροφορίες που περιέχονται σε έναν κλώνο περιέχονται και στον άλλο κλώνο. Η αναστρεψιμότητα και η ειδικότητα των αλληλεπιδράσεων μεταξύ συμπληρωματικών ζευγών βάσεων είναι σημαντική για την αντιγραφή του DNA και όλες τις άλλες λειτουργίες του DNA σε ζωντανούς οργανισμούς.

Δεδομένου ότι οι δεσμοί υδρογόνου είναι μη ομοιοπολικοί, σπάνε εύκολα και αναμορφώνονται. Οι αλυσίδες διπλής έλικας μπορούν να απομακρυνθούν σαν φερμουάρ υπό τη δράση ενζύμων (ελικάσες) ή σε υψηλές θερμοκρασίες. Διαφορετικά ζεύγη βάσεων σχηματίζουν διαφορετικούς αριθμούς δεσμών υδρογόνου. Τα AT συνδέονται με δύο, τα GC με τρεις δεσμούς υδρογόνου, επομένως η διάσπαση των GC απαιτεί περισσότερη ενέργεια. Το ποσοστό των ζευγών GC και το μήκος του μορίου DNA καθορίζουν την ποσότητα ενέργειας που απαιτείται για τη διάσταση των αλυσίδων: τα μακρά μόρια DNA με υψηλότερη περιεκτικότητα σε GC είναι πιο ανθεκτικά.

Μέρη των μορίων DNA που, λόγω των λειτουργιών τους, θα πρέπει να διαχωρίζονται εύκολα, όπως η αλληλουχία TATA σε βακτηριακούς προαγωγείς, συνήθως περιέχουν μεγάλες ποσότητες Α και Τ.

Οι βάσεις αζώτου στο DNA μπορούν να τροποποιηθούν ομοιοπολικά, κάτι που χρησιμοποιείται στη ρύθμιση της γονιδιακής έκφρασης. Για παράδειγμα, σε κύτταρα σπονδυλωτών, η μεθυλίωση της κυτοσίνης για την παραγωγή 5-μεθυλκυτοσίνης χρησιμοποιείται από τα σωματικά κύτταρα για τη μετάδοση του προφίλ έκφρασης γονιδίου στα θυγατρικά κύτταρα. Η μεθυλίωση της κυτοσίνης δεν επηρεάζει το ζεύγος βάσεων στη διπλή έλικα του DNA. Στα σπονδυλωτά, η μεθυλίωση του DNA στα σωματικά κύτταρα περιορίζεται στη μεθυλίωση της κυτοσίνης στην αλληλουχία CG. Το μέσο επίπεδο μεθυλίωσης διαφέρει σε διαφορετικούς οργανισμούς, για παράδειγμα, στο νηματώδη Caenorhabditis elegansΔεν παρατηρείται μεθυλίωση κυτοσίνης και στα σπονδυλωτά βρίσκεται υψηλό επίπεδο μεθυλίωσης - έως και 1%. Άλλες τροποποιήσεις βάσης περιλαμβάνουν τη μεθυλίωση της αδενίνης στα βακτήρια και τη γλυκοζυλίωση της ουρακίλης για να σχηματιστεί μια «βάση J» σε κινετοπλάστες.

Η μεθυλίωση της κυτοσίνης για τον σχηματισμό της 5-μεθυλκυτοσίνης στο τμήμα προαγωγέα του γονιδίου συσχετίζεται με την ανενεργή κατάστασή του. Η μεθυλίωση της κυτοσίνης είναι επίσης σημαντική για την αδρανοποίηση στα θηλαστικά. Η μεθυλίωση του DNA χρησιμοποιείται στη γονιδιωματική αποτύπωση. Σημαντικές αλλαγές στο προφίλ μεθυλίωσης του DNA συμβαίνουν κατά τη διάρκεια της καρκινογένεσης.

Παρά τον βιολογικό της ρόλο, η 5-μεθυλοκυτοσίνη μπορεί να χάσει αυθόρμητα την αμινομάδα της (αποαμινικό) για να γίνει θυμίνη, έτσι οι μεθυλιωμένες κυτοσίνες είναι η πηγή ενός αυξημένου αριθμού μεταλλάξεων.

Το NK μπορεί να καταστραφεί από μια ποικιλία μεταλλαξιγόνων, τα οποία περιλαμβάνουν οξειδωτικές και αλκυλιωτικές ουσίες, καθώς και ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία υψηλής ενέργειας - υπεριώδεις και ακτίνες Χ. Ο τύπος της βλάβης του DNA εξαρτάται από τον τύπο του μεταλλαξιογόνου. Για παράδειγμα, η υπεριώδης ακτινοβολία καταστρέφει το DNA σχηματίζοντας διμερή θυμίνης σε αυτό, τα οποία προκύπτουν όταν σχηματίζονται ομοιοπολικοί δεσμοί μεταξύ γειτονικών βάσεων.

Οξειδωτικά όπως οι ελεύθερες ρίζες ή το υπεροξείδιο του υδρογόνου προκαλούν αρκετούς τύπους βλάβης στο DNA, συμπεριλαμβανομένων των τροποποιήσεων της βάσης, ιδιαίτερα της γουανοσίνης, καθώς και των θραυσμάτων διπλής αλυσίδας στο DNA. Σύμφωνα με ορισμένες εκτιμήσεις, περίπου 500 βάσεις καταστρέφονται καθημερινά από οξειδωτικές ενώσεις σε κάθε ανθρώπινο κύτταρο. Μεταξύ των διαφορετικών τύπων ζημιών, οι πιο επικίνδυνες είναι οι ρωγμές διπλού κλώνου, επειδή είναι δύσκολο να επιδιορθωθούν και μπορούν να οδηγήσουν σε απώλειες τμημάτων χρωμοσωμάτων (διαγραφές) και μετατοπίσεις.

Πολλά μόρια μεταλλαξιογόνου παρεμβάλλονται (εναλλάσσονται) μεταξύ δύο γειτονικών ζευγών βάσεων. Οι περισσότερες από αυτές τις ενώσεις, όπως το αιθίδιο, η δαουνορουβικίνη, η δοξορουβικίνη και η θαλιδομίδη, έχουν αρωματική δομή. Για να χωρέσει η ένωση παρεμβολής μεταξύ των βάσεων, αυτές πρέπει να απομακρυνθούν, ξετυλίγοντας και σπάζοντας τη δομή της διπλής έλικας. Αυτές οι αλλαγές στη δομή του DNA παρεμβαίνουν στη μεταγραφή και την αντιγραφή, προκαλώντας μεταλλάξεις. Επομένως, οι παρεμβαλλόμενες ενώσεις είναι συχνά καρκινογόνες, οι πιο γνωστές από τις οποίες είναι το βενζοπυρένιο, οι ακριδίνες και η αφλατοξίνη. Παρά αυτές τις αρνητικές ιδιότητες, λόγω της ικανότητάς τους να αναστέλλουν τη μεταγραφή και την αντιγραφή του DNA, οι παρεμβαλλόμενες ενώσεις χρησιμοποιούνται στη χημειοθεραπεία για την καταστολή των ταχέως αναπτυσσόμενων καρκινικών κυττάρων.

Αν πάρετε τα άκρα του σχοινιού και αρχίσετε να τα στρίβετε σε διαφορετικές κατευθύνσεις, γίνεται πιο κοντό και σχηματίζονται «σούπερ στροφές» στο σχοινί. Το DNA μπορεί επίσης να είναι υπερτυλιγμένο. Στην κανονική του κατάσταση, ο κλώνος DNA κάνει μία στροφή για κάθε 10,4 βάσεις, αλλά σε μια υπερτυλιγμένη κατάσταση, η έλικα μπορεί να τυλιχθεί πιο σφιχτά ή να ξετυλιχτεί. Υπάρχουν δύο τύποι supertwisting: θετική - προς την κατεύθυνση των κανονικών στροφών, στις οποίες οι βάσεις βρίσκονται πιο κοντά η μία στην άλλη. και αρνητικό - προς την αντίθετη κατεύθυνση. Στη φύση, τα μόρια του DNA βρίσκονται συνήθως σε αρνητική υπερέλιξη, η οποία εισάγεται από ένζυμα - τοποϊσομεράσες. Αυτά τα ένζυμα αφαιρούν την επιπλέον συστροφή που συμβαίνει στο DNA ως αποτέλεσμα της μεταγραφής και της αντιγραφής.

Στα άκρα των γραμμικών χρωμοσωμάτων υπάρχουν εξειδικευμένες δομές DNA που ονομάζονται τελομερή. Η κύρια λειτουργία αυτών των περιοχών είναι η διατήρηση της ακεραιότητας των άκρων των χρωμοσωμάτων. Τα τελομερή προστατεύουν επίσης τα άκρα του DNA από την αποικοδόμηση από τις εξωνουκλεάσες και εμποδίζουν την ενεργοποίηση του συστήματος επισκευής. Δεδομένου ότι οι συμβατικές πολυμεράσες DNA δεν μπορούν να αντιγράψουν τα 3" άκρα των χρωμοσωμάτων, ένα ειδικό ένζυμο, η τελομεράση, το κάνει αυτό.

Στα ανθρώπινα κύτταρα, τα τελομερή είναι συχνά μονόκλωνο DNA και αποτελούνται από αρκετές χιλιάδες επαναλαμβανόμενες μονάδες της αλληλουχίας TTAGGY. Αυτές οι πλούσιες σε γουανίνη αλληλουχίες σταθεροποιούν τα άκρα των χρωμοσωμάτων, σχηματίζοντας πολύ ασυνήθιστες δομές που ονομάζονται G-quadplexes, που αποτελούνται από τέσσερις και όχι από δύο αλληλεπιδρώντες βάσεις. Τέσσερις βάσεις γουανίνης, όλα τα άτομα των οποίων βρίσκονται στο ίδιο επίπεδο, σχηματίζουν μια πλάκα σταθεροποιημένη από δεσμούς υδρογόνου μεταξύ των βάσεων και χηλοποίηση ενός μεταλλικού ιόντος (συνήθως καλίου) στο κέντρο. Αυτές οι πλάκες στοιβάζονται το ένα πάνω από το άλλο.

Άλλες δομές μπορούν επίσης να σχηματιστούν στα άκρα των χρωμοσωμάτων: οι βάσεις μπορούν να βρίσκονται στην ίδια αλυσίδα ή σε διαφορετικές παράλληλες αλυσίδες. Εκτός από αυτές τις στοιβαγμένες δομές, τα τελομερή σχηματίζουν μεγάλες δομές που μοιάζουν με βρόχους που ονομάζονται βρόχοι Τ ή τελομερικοί βρόχοι. Σε αυτά, το μονόκλωνο DNA είναι διατεταγμένο με τη μορφή ενός πλατιού δακτυλίου που σταθεροποιείται από τελομερικές πρωτεΐνες. Στο τέλος του βρόχου Τ, το μονόκλωνο τελομερές DNA ενώνει το δίκλωνο DNA, διαταράσσοντας το ζευγάρωμα των κλώνων σε αυτό το μόριο και σχηματίζοντας δεσμούς με έναν από τους κλώνους. Αυτός ο σχηματισμός τριών κλώνων ονομάζεται D-loop.

Το DNA είναι ο φορέας γενετικής πληροφορίας, που καταγράφεται ως αλληλουχία νουκλεοτιδίων χρησιμοποιώντας τον γενετικό κώδικα. Δύο θεμελιώδεις ιδιότητες των ζωντανών οργανισμών συνδέονται με τα μόρια του DNA - η κληρονομικότητα και η μεταβλητότητα. Κατά τη διάρκεια μιας διαδικασίας που ονομάζεται αντιγραφή DNA, σχηματίζονται δύο αντίγραφα του αρχικού κλώνου, τα οποία κληρονομούνται από τα θυγατρικά κύτταρα όταν διαιρούνται, έτσι ώστε τα κύτταρα που προκύπτουν να είναι γενετικά πανομοιότυπα με τα πρωτότυπα.

Η γενετική πληροφορία πραγματοποιείται κατά την έκφραση του γονιδιώματος στις διαδικασίες μεταγραφής (σύνθεση μορίων RNA σε εκμαγείο DNA) και μετάφρασης (σύνθεση πρωτεϊνών σε εκμαγείο RNA).

Η αλληλουχία των νουκλεοτιδίων «κωδικοποιεί» πληροφορίες σχετικά με διαφορετικούς τύπους RNA: αγγελιοφόρος ή πρότυπο (mRNA), ριβοσωμικό (rRNA) και μεταφορά (tRNA). Όλοι αυτοί οι τύποι RNA συντίθενται από το DNA κατά τη διαδικασία της μεταγραφής. Ο ρόλος τους στη βιοσύνθεση πρωτεϊνών (διαδικασία μετάφρασης) είναι διαφορετικός. Το αγγελιοφόρο RNA περιέχει πληροφορίες σχετικά με την αλληλουχία αμινοξέων σε μια πρωτεΐνη, το ριβοσωμικό RNA χρησιμεύει ως βάση για τα ριβοσώματα (σύνθετα σύμπλοκα νουκλεοπρωτεϊνών, η κύρια λειτουργία των οποίων είναι η συγκέντρωση πρωτεϊνών από μεμονωμένα αμινοξέα με βάση το mRNA), τα RNA μεταφοράς παρέχουν αμινοξέα οξέα στη θέση συναρμολόγησης πρωτεΐνης - στο ενεργό κέντρο του ριβοσώματος, "σέρνοντας" στο mRNA.

Το μεγαλύτερο μέρος του φυσικού DNA έχει δίκλωνη δομή, γραμμική (ευκαρυώτες, ορισμένοι ιοί και ορισμένα γένη βακτηρίων) ή κυκλική (προκαρυώτες, χλωροπλάστες και μιτοχόνδρια). Ορισμένοι ιοί και βακτηριοφάγοι περιέχουν γραμμικό μονόκλωνο DNA. Τα μόρια του DNA βρίσκονται σε μια σφιχτά συσκευασμένη, συμπυκνωμένη κατάσταση Στα ευκαρυωτικά κύτταρα, το DNA βρίσκεται κυρίως στον πυρήνα με τη μορφή ενός συνόλου χρωμοσωμάτων. Το βακτηριακό (προκαρυωτικό) DNA αντιπροσωπεύεται συνήθως από ένα μόνο κυκλικό μόριο DNA που βρίσκεται σε μια δομή ακανόνιστου σχήματος στο κυτταρόπλασμα που ονομάζεται νουκλεοειδές. Η γενετική πληροφορία του γονιδιώματος αποτελείται από γονίδια. Ένα γονίδιο είναι μια μονάδα μετάδοσης κληρονομικών πληροφοριών και ένα τμήμα DNA που επηρεάζει ένα συγκεκριμένο χαρακτηριστικό ενός οργανισμού. Ένα γονίδιο περιέχει ένα ανοιχτό πλαίσιο ανάγνωσης που μεταγράφεται, καθώς και ρυθμιστικά στοιχεία, όπως ένας προαγωγέας και ενισχυτής, που ελέγχουν την έκφραση των ανοιχτών πλαισίων ανάγνωσης.

Σε πολλά είδη, μόνο ένα μικρό μέρος της συνολικής αλληλουχίας γονιδιώματος κωδικοποιεί πρωτεΐνες. Έτσι, μόνο το 1,5% περίπου του ανθρώπινου γονιδιώματος αποτελείται από εξόνια που κωδικοποιούν πρωτεΐνες και περισσότερο από το 50% του ανθρώπινου DNA αποτελείται από μη κωδικοποιητικές επαναλαμβανόμενες αλληλουχίες DNA. Οι λόγοι για την παρουσία τόσο μεγάλης ποσότητας μη κωδικοποιητικού DNA σε ευκαρυωτικά γονιδιώματα και η τεράστια διαφορά στα μεγέθη του γονιδιώματος (τιμή C) είναι ένα από τα άλυτα επιστημονικά μυστήρια. Η έρευνα σε αυτόν τον τομέα δείχνει επίσης μεγάλο αριθμό θραυσμάτων ιού λειψάνων σε αυτό το τμήμα του DNA.

Επί του παρόντος, συσσωρεύονται ολοένα και περισσότερα στοιχεία που έρχονται σε αντίθεση με την ιδέα των μη κωδικοποιητικών αλληλουχιών ως «junk DNA». παλιό DNA). Τα τελομερή και τα κεντρομερή περιέχουν μικρό αριθμό γονιδίων, αλλά είναι σημαντικά για τη λειτουργία και τη σταθερότητα των χρωμοσωμάτων. Μια κοινή μορφή ανθρώπινων μη κωδικοποιητικών αλληλουχιών είναι τα ψευδογονίδια, αντίγραφα γονιδίων που απενεργοποιούνται ως αποτέλεσμα μεταλλάξεων. Αυτές οι αλληλουχίες είναι κάτι σαν μοριακά απολιθώματα, αν και μερικές φορές μπορούν να χρησιμεύσουν ως πρώτη ύλη για τον διπλασιασμό των γονιδίων και την επακόλουθη απόκλιση. Μια άλλη πηγή πρωτεϊνικής ποικιλομορφίας στο σώμα είναι η χρήση ιντρονίων ως "γραμμές κοπής και κόλλας" σε εναλλακτικό μάτισμα. Τέλος, οι αλληλουχίες που δεν κωδικοποιούν πρωτεΐνες μπορούν να κωδικοποιήσουν κυτταρικά βοηθητικά RNA, όπως τα snRNA. Μια πρόσφατη μελέτη της μεταγραφής του ανθρώπινου γονιδιώματος έδειξε ότι το 10% του γονιδιώματος δημιουργεί πολυαδενυλιωμένο RNA και μια μελέτη του γονιδιώματος του ποντικού έδειξε ότι το 62% του μεταγράφεται.

Οι γενετικές πληροφορίες που κωδικοποιούνται στο DNA πρέπει να διαβαστούν και τελικά να εκφραστούν στη σύνθεση των διαφόρων βιοπολυμερών που αποτελούν τα κύτταρα. Η αλληλουχία των βάσεων σε έναν κλώνο DNA καθορίζει άμεσα την αλληλουχία των βάσεων στο RNA στο οποίο «ξαναγράφεται» σε μια διαδικασία που ονομάζεται μεταγραφή. Στην περίπτωση του mRNA, αυτή η αλληλουχία καθορίζει τα αμινοξέα της πρωτεΐνης. Η σχέση μεταξύ της νουκλεοτιδικής αλληλουχίας του mRNA και της αλληλουχίας αμινοξέων καθορίζεται από τους κανόνες μετάφρασης, οι οποίοι ονομάζονται γενετικός κώδικας. Ο γενετικός κώδικας αποτελείται από «λέξεις» τριών γραμμάτων που ονομάζονται κωδικόνια, που αποτελούνται από τρία νουκλεοτίδια (δηλαδή ACT CAG TTT, κ.λπ.). Κατά τη μεταγραφή, τα νουκλεοτίδια ενός γονιδίου αντιγράφονται στο RNA που συντίθεται από την RNA πολυμεράση. Στην περίπτωση του mRNA, αυτό το αντίγραφο αποκωδικοποιείται από ένα ριβόσωμα, το οποίο «διαβάζει» την αλληλουχία του mRNA ζευγαρώνοντας το αγγελιαφόρο RNA με RNA μεταφοράς, τα οποία είναι συνδεδεμένα με αμινοξέα. Εφόσον οι συνδυασμοί τριών γραμμάτων χρησιμοποιούν 4 βάσεις, υπάρχουν συνολικά 64 πιθανά κωδικόνια (4³ συνδυασμοί). Τα κωδικόνια κωδικοποιούν 20 τυπικά αμινοξέα, καθένα από τα οποία αντιστοιχεί στις περισσότερες περιπτώσεις σε περισσότερα από ένα κωδικόνια. Ένα από τα τρία κωδικόνια που βρίσκονται στο τέλος του mRNA δεν σημαίνει αμινοξύ και καθορίζει το τέλος της πρωτεΐνης, αυτά είναι κωδικόνια "stop" ή "ανόητα" - TAA, TGA, TAG.

Η κυτταρική διαίρεση είναι απαραίτητη για την μονοκύτταρα αναπαραγωγή και την πολυκύτταρη ανάπτυξη, αλλά πριν από τη διαίρεση, ένα κύτταρο πρέπει να αντιγράψει το γονιδίωμά του έτσι ώστε τα θυγατρικά κύτταρα να περιέχουν τις ίδιες γενετικές πληροφορίες με το αρχικό κύτταρο. Από πολλούς θεωρητικά πιθανούς μηχανισμούς διπλασιασμού του DNA (αντιγραφή), εφαρμόζεται ο ημι-συντηρητικός. Οι δύο κλώνοι διαχωρίζονται, και στη συνέχεια κάθε αλληλουχία συμπληρωματικού DNA που λείπει αναπαράγεται από το ένζυμο πολυμεράση DNA. Αυτό το ένζυμο δημιουργεί μια πολυνουκλεοτιδική αλυσίδα βρίσκοντας τη σωστή βάση μέσω συμπληρωματικού ζευγαρώματος βάσεων και προσαρτώντας την στην αναπτυσσόμενη αλυσίδα. Η DNA πολυμεράση δεν μπορεί να ξεκινήσει μια νέα αλυσίδα, αλλά μόνο επεκτείνει μια υπάρχουσα, επομένως χρειάζεται μια μικρή αλυσίδα νουκλεοτιδίων (εκκινητήρας) που συντίθεται από την πριμάση. Δεδομένου ότι οι πολυμεράσες DNA μπορούν να δημιουργήσουν μια αλυσίδα μόνο στην κατεύθυνση 5" --> 3", χρησιμοποιούνται διαφορετικοί μηχανισμοί για την αντιγραφή αντιπαράλληλων κλώνων.

Όλες οι λειτουργίες του DNA εξαρτώνται από την αλληλεπίδρασή του με τις πρωτεΐνες. Οι αλληλεπιδράσεις μπορεί να είναι μη ειδικές, με την πρωτεΐνη να συνδέεται με οποιοδήποτε μόριο DNA ή να εξαρτώνται από την παρουσία μιας συγκεκριμένης αλληλουχίας. Τα ένζυμα μπορούν επίσης να αλληλεπιδράσουν με το DNA, τα πιο σημαντικά από τα οποία είναι οι RNA πολυμεράσες, οι οποίες αντιγράφουν την αλληλουχία των βάσεων DNA στο RNA στη μεταγραφή ή στη σύνθεση ενός νέου κλώνου DNA - αντιγραφής.

Καλά μελετημένα παραδείγματα αλληλεπιδράσεων μεταξύ πρωτεϊνών και DNA που είναι ανεξάρτητα από την αλληλουχία νουκλεοτιδίων DNA είναι αλληλεπιδράσεις με δομικές πρωτεΐνες. Στο κύτταρο, το DNA συνδέεται με αυτές τις πρωτεΐνες για να σχηματίσει μια συμπαγή δομή που ονομάζεται χρωματίνη. Στα προκαρυωτικά, η χρωματίνη σχηματίζεται από την προσκόλληση μικρών αλκαλικών πρωτεϊνών - ιστονών - στο DNA, η λιγότερο διατεταγμένη χρωματίνη των προκαρυωτικών περιέχει πρωτεΐνες που μοιάζουν με ιστόνες. Οι ιστόνες σχηματίζουν μια δομή πρωτεΐνης σε σχήμα δίσκου - ένα νουκλεόσωμα, γύρω από το καθένα από τα οποία ταιριάζουν δύο στροφές της έλικας του DNA. Μη ειδικοί δεσμοί μεταξύ ιστονών και DNA σχηματίζονται λόγω των ιοντικών δεσμών μεταξύ των αλκαλικών αμινοξέων των ιστονών και των όξινων υπολειμμάτων του σακχαροφωσφορικού σκελετού του DNA. Οι χημικές τροποποιήσεις αυτών των αμινοξέων περιλαμβάνουν μεθυλίωση, φωσφορυλίωση και ακετυλίωση. Αυτές οι χημικές τροποποιήσεις μεταβάλλουν την ισχύ των αλληλεπιδράσεων μεταξύ του DNA και των ιστονών, επηρεάζοντας την προσβασιμότητα συγκεκριμένων αλληλουχιών σε παράγοντες μεταγραφής και μεταβάλλοντας τον ρυθμό μεταγραφής. Άλλες πρωτεΐνες στη χρωματίνη που συνδέονται με μη ειδικές αλληλουχίες είναι πρωτεΐνες με υψηλή κινητικότητα σε γέλες που συνδέονται κυρίως με διπλωμένο DNA. Αυτές οι πρωτεΐνες είναι σημαντικές για το σχηματισμό δομών υψηλότερης τάξης στη χρωματίνη. Μια ειδική ομάδα πρωτεϊνών που δεσμεύουν το DNA είναι πρωτεΐνες που συνδέονται με μονόκλωνο DNA. Η πιο καλά χαρακτηρισμένη πρωτεΐνη αυτής της ομάδας στον άνθρωπο είναι η πρωτεΐνη αναδιπλασιασμού Α, χωρίς την οποία δεν μπορούν να συμβούν οι περισσότερες διεργασίες όπου ξετυλίγεται η διπλή έλικα, συμπεριλαμβανομένης της αντιγραφής, του ανασυνδυασμού και της επιδιόρθωσης. Οι πρωτεΐνες αυτής της ομάδας σταθεροποιούν το μονόκλωνο DNA και αποτρέπουν το σχηματισμό βρόχων στελέχους ή την αποικοδόμηση από τις νουκλεάσες.

Ταυτόχρονα, άλλες πρωτεΐνες αναγνωρίζουν και προσκολλώνται σε συγκεκριμένες αλληλουχίες. Η πιο μελετημένη ομάδα τέτοιων πρωτεϊνών είναι οι διάφορες κατηγορίες μεταγραφικών παραγόντων, δηλαδή οι πρωτεΐνες που ρυθμίζουν τη μεταγραφή. Κάθε μία από αυτές τις πρωτεΐνες αναγνωρίζει μια διαφορετική αλληλουχία, συχνά σε έναν προαγωγέα, και ενεργοποιεί ή καταστέλλει τη γονιδιακή μεταγραφή. Αυτό συμβαίνει όταν οι μεταγραφικοί παράγοντες συνδέονται με την RNA πολυμεράση, είτε άμεσα είτε μέσω ενδιάμεσων πρωτεϊνών. Η πολυμεράση πρώτα συνδέεται με πρωτεΐνες και στη συνέχεια αρχίζει τη μεταγραφή. Σε άλλες περιπτώσεις, οι μεταγραφικοί παράγοντες μπορούν να προσκολληθούν σε ένζυμα που τροποποιούν τις ιστόνες που βρίσκονται στους προαγωγείς, γεγονός που αλλάζει την προσβασιμότητα του DNA στις πολυμεράσες.

Επειδή συγκεκριμένες αλληλουχίες εμφανίζονται σε πολλές τοποθεσίες στο γονιδίωμα, οι αλλαγές στη δραστηριότητα ενός τύπου μεταγραφικού παράγοντα μπορούν να αλλάξουν τη δραστηριότητα χιλιάδων γονιδίων. Κατά συνέπεια, αυτές οι πρωτεΐνες συχνά ρυθμίζονται ως απόκριση στις περιβαλλοντικές αλλαγές, την ανάπτυξη του οργανισμού και τη διαφοροποίηση των κυττάρων. Η ειδικότητα της αλληλεπίδρασης των παραγόντων μεταγραφής με το DNA διασφαλίζεται από πολυάριθμες επαφές μεταξύ αμινοξέων και βάσεων DNA, που τους επιτρέπει να «διαβάζουν» την αλληλουχία DNA. Οι περισσότερες επαφές βάσης εμφανίζονται στο μεγάλο αυλάκι, όπου οι βάσεις είναι πιο προσιτές.

Καλά μελετημένα παραδείγματα αλληλεπιδράσεων μεταξύ πρωτεϊνών και DNA που είναι ανεξάρτητα από την αλληλουχία νουκλεοτιδίων DNA είναι αλληλεπιδράσεις με δομικές πρωτεΐνες. Στο κύτταρο, το DNA συνδέεται με αυτές τις πρωτεΐνες για να σχηματίσει μια συμπαγή δομή που ονομάζεται χρωματίνη. Στα προκαρυωτικά, η χρωματίνη σχηματίζεται από την προσκόλληση μικρών αλκαλικών πρωτεϊνών - ιστονών - στο DNA, η λιγότερο διατεταγμένη χρωματίνη των προκαρυωτικών περιέχει πρωτεΐνες που μοιάζουν με ιστόνες. Οι ιστόνες σχηματίζουν μια δομή πρωτεΐνης σε σχήμα δίσκου - ένα νουκλεόσωμα, γύρω από το καθένα από τα οποία ταιριάζουν δύο στροφές της έλικας του DNA. Μη ειδικοί δεσμοί μεταξύ ιστονών και DNA σχηματίζονται λόγω των ιοντικών δεσμών μεταξύ των αλκαλικών αμινοξέων των ιστονών και των όξινων υπολειμμάτων του σακχαροφωσφορικού σκελετού του DNA. Οι χημικές τροποποιήσεις αυτών των αμινοξέων περιλαμβάνουν μεθυλίωση, φωσφορυλίωση και ακετυλίωση. Αυτές οι χημικές τροποποιήσεις μεταβάλλουν την ισχύ των αλληλεπιδράσεων μεταξύ του DNA και των ιστονών, επηρεάζοντας την προσβασιμότητα συγκεκριμένων αλληλουχιών σε παράγοντες μεταγραφής και μεταβάλλοντας τον ρυθμό μεταγραφής. Άλλες πρωτεΐνες στη χρωματίνη που συνδέονται με μη ειδικές αλληλουχίες είναι πρωτεΐνες με υψηλή κινητικότητα σε πηκτώματα που συνδέονται κυρίως με διπλωμένο DNA. Αυτές οι πρωτεΐνες είναι σημαντικές για το σχηματισμό δομών υψηλότερης τάξης στη χρωματίνη. Μια ειδική ομάδα πρωτεϊνών που δεσμεύουν το DNA είναι πρωτεΐνες που συνδέονται με μονόκλωνο DNA. Η πιο καλά χαρακτηρισμένη πρωτεΐνη αυτής της ομάδας στους ανθρώπους είναι η πρωτεΐνη αναδιπλασιασμού Α, χωρίς την οποία δεν μπορούν να συμβούν οι περισσότερες διεργασίες όπου ξετυλίγεται η διπλή έλικα, συμπεριλαμβανομένης της αντιγραφής, του ανασυνδυασμού και της επιδιόρθωσης. Οι πρωτεΐνες αυτής της ομάδας σταθεροποιούν το μονόκλωνο DNA και αποτρέπουν το σχηματισμό βρόχων στελέχους ή την αποικοδόμηση από τις νουκλεάσες.

Πολλοί συγγραφείς συγκρίνουν πόλεις με ζωντανούς οργανισμούς, ή ακόμα και ανθρώπους γενικότερα, δίνοντάς τους τη μεταφυσική ικανότητα να έχουν συναισθήματα, όργανα, ακόμη και σκέψεις. Κινέζος καλλιτέχνης Λου ΣιντζιάνΚι εγώ ζωγράφισα Δομή του DNA, και διαφορετικά για διαφορετικά μεγαλουπόλεις του κόσμου.

Ο ιστότοπος Culturology.RF μας δίδαξε ότι ένας γεωγραφικός χάρτης μπορεί να κατασκευαστεί κυριολεκτικά από οτιδήποτε. Για παράδειγμα, ή.

Ο Κινέζος καλλιτέχνης Liu Xinjiang δημιούργησε επίσης πολύ ασυνήθιστους χάρτες των μεγαλύτερων πόλεων του κόσμου. Ωστόσο, ο ίδιος λέει ότι σχεδίασε το DNA αυτών των πόλεων.
Αυτό το ασυνήθιστο έργο του Liu Xinjiang ξεκίνησε με το γεγονός ότι εξέτασε δορυφορικές εικόνες από διάφορες πόλεις σε όλο τον κόσμο μέσω του προγράμματος Google Eatrh. Ακόμη και τότε, άρχισε να κάνει σκίτσα, προσπαθώντας να αναπαραστήσει χάρτες μεγαλουπόλεων με τη μορφή συμβατικών γραμμών και εικονιδίων.

Με την πάροδο του χρόνου, αυτά τα σκίτσα μεταφέρθηκαν σε ψηφιακή μορφή και υποβλήθηκαν σε επεξεργασία χρησιμοποιώντας το Adobe Illustrator. Κάπως έτσι εμφανίστηκαν οι πίνακες από τη σειρά «City DNA».

Μόνο με την πρώτη ματιά στα έργα του Liu Xinjiang φαίνεται ότι μόνο χαοτικά τοποθετημένες γραμμές και άλλα γεωμετρικά στοιχεία σχεδιάζονται εκεί. Στην πραγματικότητα, όλες αυτές οι εικόνες έχουν σαφή τοπογραφική δομή, με βάση την τοπογραφία πόλεων όπως η Μόσχα, το Λος Άντζελες, το Τόκιο, η Σαγκάη, η Στοκχόλμη κ.λπ.

Έτσι, όποιος είναι εξοικειωμένος με τους χάρτες αυτών των μεγαλουπόλεων μπορεί εύκολα να αναγνωρίσει τη μία ή την άλλη πόλη στα έργα του Liu Xinjiang. Και αυτό παρά το γεγονός ότι κάποιοι από τους πίνακες είναι στυλιζαρισμένοι ως κάτι αναγνωρίσιμο από εντελώς διαφορετικές πηγές. Όπως, για παράδειγμα, ο χάρτης DNA της Νέας Υόρκης, που αποκαλύπτει το πεδίο παιχνιδιού Pac-Man.