ДНК-анатомія та фізіологія
ДНК і РНК - це дві нуклеїнові кислоти, які відіграють фундаментальну роль у спадковості людини, будучи носіями генетичної інформації. Перш ніж вдаватися до деталей про структуру та функції кожного з них, нам слід ознайомитися з основами, які допоможуть нам зрозуміти складність механізмів спадковості.
Хімічна структура
Різниця між ДНК і РНК визначається типом пентозного цукру, який містять їх нуклеотиди: дезоксирибоза-D для ДНК і рибоза- R для РНК. ДНК (дезоксирибонуклеїнова кислота) складається з двох полінуклеотидних ланцюгів (ланцюгів) і РНК (рибонуклеїнова кислота) він має лише один полінуклеотидний ланцюг. Пентози та фосфорний радикал є загальними для всіх макромолекул ДНК у живому світі, азотисті основи будучи тими, хто радиться специфічність в межах спадкового явища. Фосфатний радикал надає кислотний характер і негативні заряди молекулам ДНК і РНК.
Кожна нуклеїнова кислота містить 4 типи нуклеотидів, різницею між ними є азотисті основи, що входять в їх структуру: аденін (A), гуанін (G), цитозин (C) і тимін (Т) для ДНК і аденін, гуанін, цитозин і урацил (U) для РНК. Основи азоту також бувають 2 типів:
- Пурини: аденін (A) та гуанін (G)
- Піримідини: цитозин (C), тимін (T) і урацил (U)
Для ДНК: P- D- A P- D- G P- D- C P- D- T
Для РНК: P- R- A P- R- G P- R- C P- R- U
Існує лише 4 типи нуклеотидів для кожної нуклеїнової кислоти, але можливості рекомбінації, біохімічного кодування та неявного отримання різних наборів спадкової інформації теоретично нескінченні. Зазвичай активна нуклеотидна послідовність макромолекул нуклеїнових кислот містить щонайменше 3000 нуклеотидів, що досягає верхніх меж у сотні тисяч мільйонів нуклеотидів. Крім того, одиниці A-T і C-G можуть чергуватися і повторюватися 2,3 рази. Отже, нуклеїнові кислоти мають величезний кодуючий потенціал, забезпечуючи передачу генетичної інформації від одного покоління до іншого під час процесу поділу клітин.
ДНК
це є матеріальна підтримка спадковості та мінливості, на цей рахунок є численні експериментальні докази:
- ДНК має структуру, специфічну для кожного виду, специфічність завдяки апериодичному впорядкуванню азотистих основ в структурі молекули
- Він має здатність до реплікації, тому передає генетичну інформацію від одного покоління до іншого
- В ядрі диплоїдних соматичних клітин (містять пари гомологічних хромосом), незалежно від тканини, вміст ДНК приблизно рівний
- У ядрі клітин гаплоїдних гамет (з непарними хромосомами) кількість ДНК зменшується наполовину.
- Кількість ДНК прямо пропорційна кількості хромосом: диплоїдних або гаплоїдних і залежить від фаз клітинного циклу
Первинна і вторинна структура
Принцип взаємодоповнюваності
У випадку вторинної структури послідовність основ в ланцюзі визначає послідовність основ у протилежному ланцюгу через те, що вони мають додаткові послідовності, аденін є додатковим до тиміну, а гуанін - до цитозину. Існує два мости водню між аденіном і тиміном і три між гуаніном і цитозином, містки, які розчиняються в теплі і ведуть до відокремлення одноланцюгових ланцюгів від ДНК. Спотворення ДНК. Зв'язки G-C, що містять 3 H-зв'язки, важче розірвати, ніж A-T-зв'язки, що містять 2 зв'язки. Повільно охолоджуючи суміш денатурованих одинарних ланцюгів, вони поєднуються на основі комплементарності та відновлюють початкову структуру. (Відпал). Це пояснює, як відбувається реплікація ДНК, відновлення ДНК або транскрипція інформації.
Здатність самооцінювання ДНК дається взаємодоповнення і антипаралельність сополімерних основ, таким чином інформація зберігається в послідовності клітинних поколінь. М-РНК, яка розшифровує генетичне повідомлення, забезпечує генетичний детермінізм і фенотипову експресію спадкових ознак.
Третинна структура ДНК
Це дається просторовим, тривимірним розподілом двох спіральних ланцюгів. Уотсон і Крик показали, що фосфо-вуглеводний скелет макромолекули знаходиться зовні, а азотисті основи - всередині, площина пар основ - перпендикулярна довгій осі молекули, між існуючими парами гідрофобні взаємодії які підвищують стійкість конструкції. Залежно від третинної структури існує кілька типів молекул ДНК, які є ізоморфними: А і В (декстрогір- обертати площину поляризованого світла вправо) і на тип Z (Шульга- обертає площину поляризованого світла вліво).
У еукаріотів ДНК асоціюється з гістону (білки) за допомогою сольових зв’язків, в результаті нуклеопротеїн. Білки збільшують діаметр молекули ДНК до 200 Å і разом з іонами кальцію (Ca 2+) стабілізують просторову архітектуру ДНК. У поєднанні з білками ДНК має довжину близько 4000 Å, але при видаленні гістонів вона може досягати 7000-8000 Å і діаметр 20 Å. Його молекулярна маса становить 12-16 х 106 дальтон, а диплоїдна соматична клітина людини містить приблизно 7 х 10-9 мг ДНК.
Структура дволанцюговий ДНК має високу фізичну стабільність, що забезпечується вертикально внутрішньоланцюговими фосфодіефірними містками та горизонтально межсетевими мостами водню. Молекули дезоксирибози розміщені на одному ланцюгу з киснем кільця молекули, орієнтованим вгору, а на іншому ланцюгу - з киснем, орієнтованим донизу, таким чином, вся молекула змушена спіралюватись, утворюючи тривимірну спіральну структуру в подвійній спіралі. Кожна пара азотистих основ повертається на 36 градусів за годинниковою стрілкою (поворот за годинниковою стрілкою), а подвійна спіраль робить повний поворот на 360 градусів на кожні 10 пар азотистих основ.
Синтез ДНК
Процес синтезу ДНК є найважливішою подією у разі поділу клітин, що забезпечує повну передачу генетичної інформації, що зберігається в хромосомній ДНК. Той факт, що ДНК не виснажується під час поділу, зумовлений процесом тиражування (автокопіювання), генетично запрограмований процес поділу ланцюга та комплементарне збирання нуклеотидів на кожній матриці ланцюга, створюючи таким чином нові молекули ДНК.
Реплікація є semiconservativă і виконаний відповідно до моделі застібки-блискавки, запропонованої Ватсоном та Криком, згідно з якою подвійна спіраль поступово розгортається подібно до блискавки та відкриває вільні основи на кожному ланцюжку. Завдяки взаємодоповнюваності кожна відкрита база буде пов'язана зі своєю доповнювальною базою.
ферменти У процесі реплікації беруть участь:
топоізомераза - ініціює розчинення подвійної спіралі батьківської ДНК
геліказа - бере участь у розслабленні зв'язків між 2 батьківськими ланцюгами разом з топоізомеразою
- білок, який стабілізує окремі ланцюги і зупиняє рекомбінацію 2 цвілі
ДНК-полімераза - сімейство ферментів, які забезпечують ріст новоутвореного ланцюга ДНК, зв'язуючи комплементарні нуклеотиди з ланцюгом матриці. Також бере участь у виправленні помилок у реплікації.
лігаза - зв'язування коротких сегментів новоутвореної ДНК з ланцюжком матриці
принципи
1. Кожен відкритий ланцюг ДНК є шаблоном для синтезу нового ланцюга
2. У молекулах ДНК, що є результатом реплікації, завжди буде стара ланцюг (матрикс) і нова, синтезована шляхом зв'язування комплементарних азотистих основ.
Фермент, що бере участь у синтезі нового ланцюга ДНК, називається ДНК-полімераза який бере участь у процесі разом з 4 нуклеотидними трифосфатами (dATP, dCTP, dGTP та dTTP), іонами магнію, праймером та нитками ДНК батьківського масиву.
Збільшення ланцюга ДНК за допомогою ДНК-полімерази вимагає, щоб 3'-ОН-група дезоксирибози була вільною, синтез, що постійно тече у напрямку 5'-3 ', фермент, що має 2 основні властивості:
- подовжує вже існуючий ланцюжок ДНК-праймера (шаблон)
- каталізує додавання нуклеотидів до 3'-ОН-кінця, зберігаючи ріст у 5'-3 '.
Реплікація ДНК
Відновлення ДНК
У процесі, наскільки складним він є напівконсервативний синтез ДНК помилки можуть траплятися часто, особливо під дією факторів навколишнього середовища, таких як іонізуюче випромінювання або токсичні речовини, які, діючи під час реплікації ДНК або в міжфазна стадія G1 (перша фаза циклу ділення клітин) може спричинити помилки в послідовності макромолекули ДНК, які необхідно виправити, щоб запобігти генетичним мутаціям.
Якщо ДНК-полімераза помилково введе нуклеотид, це призведе до генетична помилка 10-4 (1 помилка з 10 на четвертому створеному базі), але насправді помилка 10-8 завдяки здатності ДНК-полімераз виявляти та виправляти помилки під час реплікації.
Під час реплікації полімераза оточує ДНК подібно капсулі, і коли азотиста основа, що підключається до матриці, не доповнює, просторова структура ДНК змінюється за рахунок збільшення об’єму молекули та блокування активності та висічення ДНК-полімерази. не доповнює основу, таким чином виправляючи помилку.
Типи клітинної ДНК
В еукаріотичній клітині є 2 типи ДНК, ядерні та мітохондріальні, вони, в свою чергу, поділяються на кілька підтипів.
Типи ядерної ДНК:
• Повторюється. це є неінформаційність і частина з них бере участь у синтезі рибосомної РНК і транспортної РНК. Він згрупований навколо хромосомної центромери і ділиться на ДНК, що повторюється, і ДНК, що часто повторюється.
• повторювані. це є інформація і його нуклеотидні послідовності унікальні в геномі. Представляти 5-10% всієї ядерної ДНК у Homo Sapiens, решта 90-95% - це повторювана ДНК, яка не виконує функції зберігання та передачі генетичної інформації.
Мітохондріальна ДНК є генетичним матеріалом мітохондрій, клітинних органів з окисно-відновною функцією, що беруть участь у клітинному диханні. Цей тип ДНК відповідає за синтез дихальних ферментів. Його реплікація пригнічується рифампіцином та левоміцетином, антибіотиками, які не впливають на ядерну ДНК.