Определение ДНК
Дезоксирибонуклеиновая кислота, или ДНК, является биологическим макромолекула это несет наследственную информацию во многих организмах. ДНК необходима для производства белков, регуляции, обмена веществ и размножения клетка, Большие сжатые молекулы ДНК со связанными белками, называемыми хроматином, в основном присутствуют внутри ядра. Некоторые цитоплазматические органеллы, такие как митохондрии также содержат молекулы ДНК.
ДНК обычно представляет собой двухцепочечный полимер нуклеотидов, хотя одноцепочечная ДНК также известна. Нуклеотиды в ДНК – это молекулы, состоящие из дезоксирибоза сахар, фосфат и азотистая основа, Азотистые основания в ДНК бывают четырех типов – аденин, гуанин, тимин и цитозин. Фосфатные и дезоксирибозные сахара образуют структуру, напоминающую остов, с азотистыми основаниями, вытянутыми как ступеньки лестницы. Каждый сахар молекула через его третий и пятый атомы углерода связаны с одной молекулой фосфата каждая.
Функции ДНК
ДНК была выделена и обнаружена химически, прежде чем ее функции стали ясны. ДНК и связанная с ней молекула, рибонуклеиновая кислота (РНК), были первоначально идентифицированы просто как кислые молекулы, которые присутствовали в ядре. Когда эксперименты Менделя на генетика были заново открыты, стало ясно, что наследственность был, вероятно, передан через дискретные частицы, и что имелась биохимическая основа для наследования. Серия экспериментов продемонстрировала, что среди четырех типов макромолекул внутри клетки (углеводы, липиды, белки и нуклеиновые кислоты ), единственными химическими веществами, которые последовательно передавались из поколения в поколение, были нуклеиновые кислоты.
Когда стало ясно, что ДНК – это материал, который передавался из поколения в поколение, его функции начали изучаться.
Репликация и наследственность
Каждая молекула ДНК отличается своей последовательностью нуклеотидов. То есть порядок, в котором азотистые основания появляются в макромолекуле, идентифицирует молекулу ДНК. Например, когда человеческий геном был секвенирован, нуклеотиды, составляющие каждую из 23 пар хромосом, были размещены, как цепочка слов на странице. Есть индивидуальные различия в этих нуклеотид последовательности, но в целом, для каждого организм, большие участки сохраняются. Сахарофосфатный остов, с другой стороны, является общим для всех молекул ДНК, по всей вид будь то в бактерии растения, беспозвоночные или люди.
Когда необходимо реплицировать двухцепочечную молекулу ДНК, первое, что происходит, это то, что две нити разделяются вдоль короткого отрезка, создавая пузырчатую структуру. В этой переходной одноцепочечной области ряд ферментов и других белков, включая ДНК-полимеразу, работают над созданием комплементарной цепи, причем правильный нуклеотид выбирается посредством образования водородной связи. Эти ферменты продолжают вдоль каждой цепи, создавая новую полинуклеотидную молекулу, пока вся ДНК не будет реплицирована.
Жизнь начинается с одной клетки. Для людей это зигота образованный оплодотворение яйцеклетки спермой. После этого весь ослепительный набор клеток и ткань типы производятся деление клеток, Даже поддержание нормальных функций у взрослого человека требует постоянного митоз, Каждый раз, когда клетка делится, ядерный генетический материал дублируется. Это означает, что почти 3 миллиарда нуклеотидов точно прочитаны и скопированы. Высокоточные ДНК-полимеразы и множество механизмов исправления ошибок гарантируют, что для каждых 10 миллиардов пар оснований существует только один неправильно включенный нуклеотид.
транскрипция
Вторая важная функция генетического материала – направлять физиологическую активность клетки. Большинство каталитических и функциональных ролей в организме выполняют пептиды, белки и РНК. Структура и функция этих молекул определяется нуклеотидными последовательностями в ДНК.
Когда необходимо получить молекулу белка или РНК, первым шагом является транскрипция, Как и репликация ДНК, это начинается с временного образования одноцепочечной области. Затем одноцепочечная область действует как матрица для полимеризации комплементарной молекулы полинуклеотидной РНК. Только одна из двух цепей ДНК участвует в транскрипции. Это называется цепочка шаблонов, а другая цепочка называется кодирующей цепью. Поскольку транскрипция также зависит от комплементарного спаривания оснований, последовательность РНК почти такая же, как у кодирующей цепи.
Мутация и эволюция
Одна из основных функций любого наследственного материала – копирование и наследование. Для создания нового поколения генетическая информация должна быть точно продублирована и затем передана. Структура ДНК гарантирует, что информация, закодированная в каждой цепи полинуклеотида, реплицируется с удивительной точностью.
Даже при том, что важно, чтобы ДНК была продублирована с очень высокой степенью точности, общий процесс эволюции требует наличия генетической изменчивости у каждого вида. Один из способов, которым это происходит, – мутации в молекулах ДНК.
Изменения нуклеотидной последовательности в генетическом материале позволяют формировать новые аллель, Аллели разные, в основном функциональные, сорта каждого ген, Например, люди, которые имеют B кровь группа имеет определенный ген, приводящий к определенному поверхностному белку на эритроцитах. Этот белок отличается от поверхностных антигенов у тех, у кого есть группа крови А. Аналогично, у людей с серповидно-клеточной анемией аллель гемоглобина различен по сравнению с теми, кто не страдает от болезни.
Наличие этой изменчивости позволяет выживать, по крайней мере, некоторым группам населения, когда происходит внезапное и резкое изменение окружающей среды. Например, люди, несущие мутантный аллель гемоглобина, подвержены риску серповидно-клеточной анемии. Тем не менее, они также имеют более высокий шанс на выживание в регионах, где малярия является эндемической.
Эти мутации и наличие изменчивости позволяют популяциям развиваться и адаптироваться к изменяющимся обстоятельствам.
Генная инженерия
На другом уровне роль ДНК как генетического материала и понимание его химического состава позволяет нам манипулировать им и использовать его для повышения качества жизни. Например, генетически модифицированные культуры, которые являются устойчивыми к вредителям или засухе, были получены из диких сортов с помощью генной инженерии. Много молекулярной биологии зависит от изоляции и манипулирования ДНК, для изучения живых процессов.
Структура ДНК
Когда его окончательная роль в наследственности была установлена, понимание структуры ДНК стало важным. Предыдущая работа над кристаллами белка направляла интерпретацию кристаллизация и рентгеновская дифракция ДНК. Правильная интерпретация дифракционных данных открыла новую эру в понимании и манипулировании генетическим материалом. Хотя первоначально такие ученые, как Линус Полинг, предположили, что ДНК, возможно, состоит из трех нитей, данные Розалинды Франклин подтверждают наличие двойная спираль.
Структура ДНК, следовательно, была выяснена поэтапно с помощью серии экспериментов, начиная от химического выделения дезоксирибонуклеиновой кислоты Фредерихом Мишером и заканчивая рентгеновской кристаллографией этой макромолекулы Розалинд Франклин.
Двойная спираль и антипараллельные нити
Структура сахарофосфатного остова в молекуле ДНК приводит к химической полярности. Каждый дезоксирибозный сахар имеет пять атомов углерода. Из них третий и пятый атомы углерода могут образовывать ковалентные связи с фосфатными остатками через фосфодиэфирные связи. Фосфодиэфирная связь, по существу, имеет молекулу фосфата, образующую две ковалентные связи, и серия этих связей создает два шипа молекулы двухцепочечной ДНК.
Чередование остатков сахара и фосфата приводит к тому, что один конец каждой цепи ДНК имеет свободный фосфатная группа присоединен к пятому углероду дезоксирибозного сахара. Это называется 5 ‘конец. Другой конец имеет реактивный гидроксильная группа присоединен к третьему атому углерода молекулы сахара и образует 3′-конец.
Две цепи каждой молекулы ДНК имеют противоположные химические полярности. То есть в конце каждой двухцепочечной молекулы ДНК одна нить будет иметь реакционноспособную 3′-гидроксильную группу, а другая нить будет иметь реакционноспособную фосфатную группу, присоединенную к пятому углероду дезоксирибозы. Вот почему молекула ДНК, как говорят, состоит из антипараллельных нитей.
Молекула ДНК может выглядеть как лестница с сахарофосфатным остовом и нуклеотидными звеньями. Тем не менее, молекула ДНК образует трехмерную спиральную структуру, основания которой находятся внутри двойная спираль, Водородная связь между нуклеотидами позволяет межмолекулярному расстоянию между двумя цепями оставаться довольно постоянным с десятью парами оснований на каждом витке двойной спирали.
Комплементарность и репликация
Нуклеотидные основания на одной цепи взаимодействуют с основаниями на другой цепи посредством двух или трех водородных связей. Эта закономерность предсказуема (хотя существуют исключения): каждая пара тиминового основания соединяется с адениновым основанием, а нуклеотиды гуанина и цитозина образуют водородные связи друг с другом. Благодаря этому, когда последовательность одной цепи известна, нуклеотиды, присутствующие в комплементарной цепи ДНК, автоматически обнаруживаются. Например, если одна нить молекулы ДНК имеет последовательность 5 ’CAGCAGCAG 3’, основания для другой антипараллельной нити, соединяющейся с этим отрезком, будут 5 ’CTGCTGCTG 3’. Это свойство двойных цепей ДНК называется комплементарностью.
Первоначально велись споры о том, каким образом молекулы ДНК дублируются. Было три основных гипотезы о механизме репликации ДНК. Две комплементарные нити ДНК могут разматываться на короткие отрезки и обеспечивать матрицу для образования новой молекулы ДНК, полностью образованной из свободных нуклеотидов. Этот метод получил название консервативной гипотезы.
Альтернативно, каждая матричная цепь может катализировать образование своей комплементарной цепи посредством полимеризации нуклеотидов. В этом полуконсервативном способе репликации все дублированные молекулы ДНК будут нести одну цепь из родительской и одну вновь синтезированную цепь. По сути, все дублированные молекулы ДНК будут гибридами. Третья гипотеза гласит, что каждая большая молекула ДНК, вероятно, была разбита на маленькие сегменты, прежде чем она была реплицирована. Это было названо дисперсионной гипотезой и привело бы к образованию мозаичных молекул.
Серия элегантных экспериментов Мэтью Мезельсона и Франклина Штала с помощью Мейсона Макдональда и Амандипа Семби подтвердила идею о том, что репликация ДНК на самом деле была полуконсервативной. В конце каждого события дублирования все молекулы ДНК несут одну родительскую цепь и одну цепь, вновь созданную в результате полимеризации нуклеотидов.
Открытие ДНК
Когда микроскопы стали более изощренными и обеспечивают большее увеличение, роль ядра в делении клеток стала довольно ясной. С другой стороны, было общее понимание наследственности как «смешения» материнских и отцовских характеристик, поскольку наблюдалось слияние двух ядер во время оплодотворения.
Однако открытие ДНК как генетического материала, вероятно, началось с работы Грегора Менделя. Когда его эксперименты были заново открыты, выяснилось важное значение. Его результаты могут быть объяснены только через наследование дискретных частиц, а не через диффузное смешение признаков. В то время как Мендель назвал их факторами, с появлением химии в биологических науках началась охота за молекулярной основой наследственности.
Химическая изоляция ДНК
Впервые ДНК была химически выделена и очищена Иоганном Фридрихом Мишером, который изучал иммунологию. В частности, он пытался понять биохимия белых кровяных клеток. После выделения ядер из цитоплазма он обнаружил, что, когда к этим экстрактам добавлялась кислота, из них выделялись вязкие белые комки, похожие на пучки шерсти. решение, В отличие от белков эти осадки возвращались в раствор при добавлении щелочи. Это привело Мишера к выводу, что макромолекула была кислой по природе. Когда дальнейшие эксперименты показали, что молекула не была ни липидом, ни белком, он понял, что он выделил новый класс молекул. Так как это было получено из ядра, он назвал это вещество нуклеином.
Работа Альбрехта Косселя пролила больше света на химическую природу этого вещества, когда он показал, что нуклеин (или нуклеиновая кислота как это начинало называться) было сделано из углеводов, фосфатов и азотистых оснований. Коссель также сделал важное открытие, связывающее биохимическое исследование нуклеиновых кислот с микроскопическим анализом делящихся клеток. Он связал это кислое вещество с хромосомами, которые можно было наблюдать визуально, и подтвердил, что этот класс молекул почти полностью присутствует только в ядре. Другое важное открытие Косселя состояло в том, чтобы связать нуклеиновые кислоты с увеличением протоплазма и деление клеток, тем самым усиливая его связь с наследственностью и размножением.
Гены и ДНК
К началу двадцатого века молекулярная биология испытала ряд оригинальных открытий, которые привели к углубленному пониманию химических основ жизни и деления клеток. В 1944 году эксперименты трех ученых (Эйвери, Маккарти и Маклеода) предоставили убедительные доказательства того, что нуклеиновые кислоты, в частности ДНК, вероятно, являются генетическим материалом. Несколько лет спустя эксперименты Чаргаффа показали, что число пуриновых оснований в каждой молекуле ДНК равняется числу пиримидин основы. В 1952 году элегантный эксперимент Альфреда Херши и Марты Чейз подтвердил, что ДНК является генетическим материалом.
К этому времени достижения в рентгеновской кристаллографии позволили кристаллизовать ДНК и изучить ее дифракционные картины. Наконец, эти молекулы могут быть визуализированы с большей детализацией. Данные, полученные Розалинд Франклин, позволили Джеймсу Уотсону и Фрэнсису Крику затем предложить двухцепочечную спиральную модель для ДНК с сахарофосфатной основой. Они включили правила Чаргаффа в отношении количества пурина и пиримидина, показав, что каждое пуриновое основание образует специфические водородные связи с другим пиримидиновым основанием. Они поняли, даже когда они предложили эту структуру, что они предоставили механизм для дублирования ДНК.
викторина
1. Какое из этих утверждений о ДНК НЕ верно?A. У эукариот ДНК присутствует исключительно в ядреB. ДНК является генетическим материалом для некоторых вирусовC. Репликация ДНК является полуконсервативнойD. Ни один из вышеперечисленных
Ответ на вопрос № 1
верно. Даже у эукариот ДНК существует вне ядра. Органеллы, такие как митохондрии и хлоропласты, несут некоторые молекулы ДНК.
2. Кто из этих ученых разработал эксперимент, чтобы показать, что репликация ДНК была полуконсервативной?A. МезельсонB. Джеймс УотсонC. Линус ПолингD. Все вышеперечисленное
Ответ на вопрос № 2
верно. Среди этих трех ученых только Мезельсон участвовал в разработке эксперимента, который показал, как реплицируется ДНК. Линус Полинг принимал участие в разработке рентгеновской кристаллографии как метода понимания структуры биологических макромолекул. Джеймс Уотсон использовал данные дифракции рентгеновских лучей, полученные Розалинд Франклин, чтобы предложить модель двойной спирали для трехмерной структуры ДНК.
3. Почему повторное открытие экспериментов Менделя было важно для развития молекулярной биологии?A. Эксперименты Менделя предположили, что ДНК была наследственным материаломB. Законы Менделя о наследовании предполагают, что в наследственность вовлечены дискретные биохимические частицыC. Эксперименты Менделя с растениями гороха дали молекулярным биологам полезную модель организмаD. Все вышеперечисленное
Ответ на вопрос № 3
В верно. Пока Мендель не экспериментировал с растениями гороха, никогда не было ясно, как была достигнута наследственность. Хотя грубые механизмы всегда были известны, детали никогда не были ясны. Казалось, что общеизвестные данные свидетельствуют о том, что черты характера достигли «среднего» уровня между родителями Например, у одного высокого родителя и короткого родителя потомство обычно было среднего роста. Аналогично для кожа окраска и тд. Однако, как только Мендель провел свои эксперименты, используя настоящее разведение Образцы, было довольно ясно, что отдельные частицы были унаследованы. Это, наряду с достижениями в области химии, позволило развить молекулярную биологию и биохимию как области исследований. В экспериментах Менделя не было ничего, чтобы предположить, что ДНК является генетическим материалом. Кроме того, растения гороха Менделя на самом деле не являются предпочтительными модельными организмами из-за огромных площадей, необходимых для выращивания образцов, и их продолжительного времени генерации.
Ссылки
- Alberts, Bruce, et al. (2002). Молекулярная биология клетки, 4-й. редактор Глава 4. Гирлянда Наука: Нью-Йорк. ISBN: 978-0815316206.
- Lodish H, et al., (2000) Molecular Cell Biology. 4-е изд. У. Х. Фриман: Нью-Йорк. ISBN-10: 0-7167-3136-3.
- Nobel Media AB (2014) «Нобелевская премия в физиология или медицина 1910 года »Nobelprize.org. Получено 10 мая 2017 г. с сайта http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/1910/.