ДНК моль будова; калар


Дезоксирибонуклеїнова кислота (ДНК) Є генетичною інформацією більшості живих організмів (на відміну від деяких вірусів, ретровірусів, використовують рибонуклеїнову кислоту (РНК) як генетичну інформацію).
- ДНК можна копіювати через послідовні покоління клітин: реплікація ДНК
- ДНК може бути перетворена в білки: транскрипція ДНК в РНК, згодом перетворена в білки
- ДНК можна відремонтувати за потреби: відновлення ДНК.
Рибонуклеїнові кислоти (м-РНК, р-РНК, т-РНК) будуть описані в іншому розділі.

будова

- ДНК - це полімер, що складається з одиниць, званих нуклеотидами (або мононуклетидами).
- Нуклеотиди мають інші функції (носії енергії: АТФ, GTP; клітинне дихання: NAD, FAD; передача сигналу: циклічний АМФ; коферменти: CoA, UDP; вітаміни: нікотинамід мононуклеотид, Vit B2).

Відповідно до номенклатури, що використовується для білків, ми можемо говорити з точки зору первинної, вторинної, третинної та четвертинної структур молекули:

I Первинна структура молекули: ковалентний скелет і основи зовні

Нуклеозид складається з цукру + азотистої основи.
Нуклеотид складається з фосфату + цукор + азотиста основа. У ДНК нуклеотид є дезоксирибонуклеотидом (у РНК нуклеотид є рибонуклеотидом).

I-1 Фосфорна кислота:

Дає фосфатну групу.

Цукор I-2:

Дезоксирибоза, яка являє собою циклічну пентозу (5-вуглецевий цукор). Примітка: РНК-цукор - це рибоза.

Вуглеці цукру відзначаються від 1 'до 5'. Атом азоту азотистої основи зв'язується з C1 '(глікозидний зв'язок), а фосфат - з C5' (складний ефірний зв'язок), утворюючи нуклеотид. Отже, нуклеотидом є: фосфат - C5 'C1 цукор' - основа.

I-3 Азотні основи:

Ароматичні гетероцикли; це пурини та піримідини.
- Пурини: аденін (A) та гуанін (G).
- Піримідини: цитозин (C) і тимін (T) (Примітка: тимін заміщується урацилом (U) в РНК).

Примітка: існують інші азотисті основи, зокрема метильовані основи, отримані з вищезазначених основ; основне метилювання відіграє функціональну роль (див. спеціальну главу).

Глосарій:
- Назви нуклеозидів: дезоксирибонуклеозиди в ДНК: дезоксиаденозин, дезоксигуанозин, дезоксицитидин, дезокситимідин (рибонуклеозиди в РНК: аденозин, гуанозин, цитидин, уридин).
- Назви нуклеотидів: дезоксирибонуклеотиди в ДНК: дезоксиаденилова кислота, дезоксигуанілова кислота, дезоксицитидилова кислота, дезокситимідилова кислота (рибонуклеотиди в РНК: аденилова кислота, гуанілова кислота, цитидилова кислота, уридилова кислота).

II Вторинні та третинні структури молекули - Тривимірна конформація ДНК

II.1 Динуклеотиди

Динуклеотиди утворюються фосфодіефірним зв’язком між 2 мононуклеотидами. Фосфат мононуклеотиду (при C5 'його цукру) зв'язується з C3' цукру попереднього мононуклеотиду. Таким чином, ми починаємо з фосфату, потім 5 'цукру (+ основа) і 3' цього цукру, пов'язаного з другим фосфатом - 5 'цукром, 3' з якого безкоштовно для наступного етапу подовження. Зв'язок - і, отже, орієнтація молекули - тому 5 '-> 3'.

Полінуклеотиди отримують із послідовного додавання мономерів у загальній конфігурації 5 '-> 3'. Основу молекули складає сукцесія фосфатно-цукрового (n нуклеотиду) - фосфатно-цукрового (n + 1 нуклеотид) і так далі, ковалентно пов'язані, основи знаходяться зовні.

II.2 Молекула ДНК

ДНК складається з 2-х ланцюгів ("дуплексна ДНК") або правообертальних спіральних ниток (як гвинтова нитка), обмотаних навколо осі, утворюючи подвійну спіраль діаметром 20А °.
Дві нитки є антипаралельними: їх 5 '-> 3' орієнтації в протилежному напрямку. Загальний вигляд полімеру показує періодичність 3,4 А °, що відповідає відстані між 2 основами, і ще одна 34 А °, що відповідає 1 обороту спіралі (і 10 пар основ).

II.2.1 Водневі зв’язки: сполучення основ

Основи (гідрофобні) укладаються всередину; їх площина перпендикулярна до осі подвійної спіралі. Зовнішній вигляд (фосфат і цукор) гідрофільний.
Водневі зв’язки між основами одного ланцюга та основами іншого ланцюга утримують 2 нитки об’єднаними (пунктирними лініями на кресленні).

Пурин на одній нитці обов'язково зв'язується з піримідином на іншій нитці. Як наслідок, кількість залишків пурину дорівнює кількості залишків піримідину.

А зв'язується з Т (2 водневими зв'язками).
G зв'язується з C (за допомогою 3 водневих зв'язків: стабільніший зв'язок: 5,5 ккал проти 3,5 ккал).

Примітка: тому склад в А ДНК, отже, дорівнює складу в Т, а склад в ДНК дорівнює складу в С.
Ця сувора відповідність (A T і G C) означає, що 2 нитки взаємодоповнюють. Одним є шаблон, прес-форма, матриця іншого, і навпаки, навпаки, і навпаки: ця властивість дозволяє точно реплікацію (напівконсервативна реплікація: одна нитка - форма - зберігається, нова синтезується ("de novo") на цій прес-формі, так само для іншої нитки, іншої форми, збереженої, що дозволяє синтезувати пасмо de novo; див. спеціальну главу).

Примітки:
Водневі зв’язки, що використовуються для сполучення основ, іноді відрізняються від тих, що визначені в описаній вище моделі Ватсона та Крика; таким чином, атом пурину N7 використовується замість N1 у моделі Хоогстіна.

II.2.2 Велика борозна та мала борозна

Подвійна спіраль - це дуже жорстка і в’язка молекула величезної довжини і дуже малого діаметру.
Він має великий паз (глибокий і широкий) і малий паз (вузький і неглибокий).

ДНК-білкові взаємодії є важливими процесами в житті клітин (активація або пригнічення транскрипції, реплікація, відновлення ДНК).
Білки утворюють зв’язки з ДНК внизу борозни, ці зв’язки специфічні: водневі зв’язки, а не специфічні: взаємодії ван дер Ваальса, загальні електростатичні взаємодії.
Білки розпізнають донори H-зв’язків, акцептори H-зв’язків, метильні (гідрофобні) групи, причому останні знаходяться лише у великій борозни.
Отже, існує 4 різні можливі схеми розпізнавання та зачеплення в основній канавці, і лише 2 у другорядній канавці (див. Іконопис).

Деякі білки зв'язуються з ДНК у її великій борозенці, інші в малій борозни, треті нарешті і у великій, і в малій борозенці.

Примітки:
- Дві нитки називаються "плюс" і "мінус" або "прямий" і "зворотний" (або "зворотний": англіцизм). У даному місці, де кодує одна з ниток (одна чи інша), рідко (але не виключається) інша кодування.
- ДНК іонізується in vivo, і вона поводиться як поліаніон.

Описана вище подвійна спіраль являє собою "В" форму ДНК, звичайно виявлену in vivo; але інші форми також існують in vivo (див. нижче) або in vitro. Форма "А" схожа на ДНК-В, але вона менш гідратована; він не існує in vivo.

II.3 ДНК, що не є В

ДНК - це молекула, яка рухається, здійснює рухи, хитається, танцює.
Показано, що описані нижче структури ДНК присутні in vivo та виконують функціональну роль; крім того, вони можуть сприяти розриву та делеції ДНК, потенційно викликаним цими розривами, ампліфікаціями, рекомбінацією та мутаціями.

Глосарій:
Паліндроми: це слова, які однаково читаються зліва направо або справа наліво (приклад (неопублікований): "ДНК! Душа Анни запитала"). ДНК любить грати з паліндромами: див. Нижче).

II.3.1 ДНК-Z

- Z-форма є левообертаючою подвійною спіраллю, скелет якої має зигзагоподібну конформацію (менш гладку, ніж ДНК-В). Є одна борозенка, яка схожа на незначну борозенку в В-ДНК. Пари основ (які утворюють основну борозенку B-ДНК, близько до осі) тут відкидаються назовні, на поверхню, далеко від осі. Фосфати ближче один до одного, ніж у В-ДНК. Z-ДНК не може утворювати нуклеосом.
- Велика частка G-C підстав сприяє конформації Z. Метилювання цитозинів та деяких молекул, наявних in vivo, таких як спермін або спермідин, стабілізують конформацію Z.
- Послідовності ДНК змінюються від форми B до форми Z і навпаки: DNA-Z є тимчасовою формою in vivo.

- Трансформація B-ДНК в Z-ДНК відбувається під час транскрипції генів, в місці ініціювання транскрипції, поблизу промоторів активно транскрибованих генів. Під час транскрипції РНК-полімераза індукує негативну суперспіраль за течією і позитивну суперспіраль за течією сайту транскрипції.Негативна суперспіраль сприяє утворенню ДНК-Z; однією з функцій Z-ДНК було б поглинати напруження негативного надвитка. В кінці транскрипції топоізомераза розслаблює ДНК у конформацію B.
- Деякі білки зв'язуються з Z-ДНК, зокрема дволанцюжкова РНК аденозиндезаміназа (ADAR1), фермент, який перетворює аденин в інозин в РНК, що передує посиленню. Потім рибосоми будуть інтерпретувати інозин як гуанін, а білок, кодований цією епігенетичною модифікацією, буде іншим. ми .

Примітки:
- Антитіла проти Z-ДНК виявляються при червоному вовчаку та інших аутоімунних патологіях.
- Дволанцюгова РНК (dsRNA) може прийняти Z-конформацію.

II.3.2 Хрестоподібна ДНК та шпилька ДНК

- Холідей-стики (утворені під час рекомбінації) є хрестоподібними структурами. Інвертовані (дзеркальні) повтори сегментів ДНК поліпурину/поліпіримідину (утворюючи паліндроми) також можуть утворювати хрестоподібні або шпилькові структури шляхом внутрішнього сполучення.
- Паліндромні повтори, багаті на АТ, знаходяться в точках розриву t (11; 22) (q23; q11), єдина відома взаємна конституційна взаємна транслокація.
- Нуклеази приєднуються до перерізів Холідей після рекомбінації. Добре відомі білки, такі як білки HMG та такі MLL, можуть зв'язуватися з хрестоподібною ДНК.

II.3.3 ДНК-Н або ДНК-триплекс

- Інвертовані повтори (паліндроми) сегментів ДНК поліпурину/поліпіримідину можуть утворювати триплексні (потрійні спіралі) структури. Потім ми отримуємо триланцюгову ДНК плюс одну ланцюг.
- Н-ДНК може відігравати роль у функціональній регуляції експресії генів, а також РНК (наприклад, репресія транскрипції).

II.3.4 ADN-G4

- ДНК-G4 або ДНК-квадруплекс: згортання багатих на ГХ дволанцюгових послідовностей на собі, утворюючи спарені основи типу Хоогстіна між 4 гуанінами (“G4”), особливо стабільну структуру. Часто присутній поблизу промоторів генів і на рівні теломер.
- Роль у мейозі та у явищі рекомбінації; можуть бути регулятивними елементами.
- Хелікази сімейства RecQ здатні розслабити (розщепити) ДНК-G4 (наприклад, ген BLM, ген синдрому Блума).

III Четвертинна структура молекули - Хроматин

ДНК поєднується з білками (гістонами та негістонами), утворюючи хроматин. ДНК в цілому кисла (негативно заряджена) і зв’язується з основними (позитивно зарядженими) білками, які називаються гістонами. Див. Розділ Хроматин.
У гаплоїдному геномі людини є 3 х 10 9 пар нуклеотидів, що представляє приблизно 30000 генів, розподілених між 23 хромосомами на одну гаплоїдну партію.

IV Різне

IV.1 ДНК та мітохондрії

- ДНК в основному міститься в ядрі клітини, але невелика кількість мітохондрій.
- Мітохондрії походять від археобактерій, які стали ендосимбіотичними до еукаріотичної клітини.
- Їх генетичний код відрізняється від так званого "універсального" коду (UGA, AUA, AGA, AGG: відповідно STOP, Ile, Arg, Arg у універсальному коді та Trp, Met, STOP, STOP в мітохондріях клітин ссавців та інші значення, що все ще знаходяться в мітохондріях інших видів).
- Кількість копій ДНК в 1 мітохондріях мінлива.
- Мітохондріальна ДНК кругла, має важкий (одноланцюговий) ланцюг і легкий ланцюг, не має інтрону або будь-якої іншої некодуючої послідовності.
- Мітохондріальні гени кодують білки, що беруть участь у транспорті електронів, рибосомні РНК (рРНК) та переносні РНК (т-РНК).
- Кожна ланцюг ДНК транскрибується, потім розрізається на мРНК, але також на рРНК і тРНК.

Примітка: у мітохондріях також використовуються білки, імпортовані з цитоплазми клітини (і, отже, кодовані клітинним ядром); білки, вироблені мітохондріями, не експортуються в цитоплазму, за винятком часу апоптозу.

IV.2 Денатурація ДНК:

Подвійна спіраль денатурується in vitro на 2 окремі нитки (плавлення) за допомогою нагрівання, екстремальних температур та інших методів (сечовина,.). "Точку плавлення" можна розрахувати; це характерно для співвідношення A/T проти G/C досліджуваного зразка, це пов'язано з тим, що для A/T існує лише 2 водневі зв'язки і 3 для G/C, більш стабільний зв'язок. Під час денатурації фізичні властивості ДНК змінюються; наприклад, гіперхромний ефект: поглинання світла при 260 нм сильніше з денатурованою ДНК, ніж з дволанцюжковою ДНК. Поглинання світла також змінюється залежно від співвідношення A/T проти G/C: воно сильніше у зразків, багатих на A/T, ніж у тих, хто багатий на G/C.
Денатурація ДНК - це явище, про яке слід пам’ятати, оскільки:
1- це дає можливість виміряти співвідношення A/T проти G/C;
2 - це основа методів гібридизації з міченими зондами (гібридизація in situ, помарки, див. Методи дослідження в генетиці).