6.2: ДНК та РНК

Що робить вас... ви?

У цієї людини від природи руде волосся. Чому це волосся руде замість якогось іншого кольору? І взагалі, що спричиняє виникнення специфічних рис? Існує молекула в людських істотах і більшості інших живих істот, яка багато в чому відповідає за їх риси. Молекула велика і має спіральну структуру у еукаріот. Що це за молекула? За допомогою цих натяків ви, напевно, знаєте, що молекула - це ДНК.

Малюнок\(\PageIndex{1}\): Руде волосся

Представляємо ДНК

Сьогодні загальновідомо, що ДНК - це генетичний матеріал, який передається від батьків потомству і визначає наші риси. Довгий час вчені знали, що такі молекули існують, тобто усвідомлювали, що генетична інформація міститься всередині біохімічних молекул. Однак вони не знали, які молекули відіграють цю роль. Насправді протягом багатьох десятиліть вчені вважали, що білки - це молекули, які містять генетичну інформацію.

Відкриття того, що ДНК є генетичним матеріалом

Визначення того, що ДНК є генетичним матеріалом, було важливою віхою в біології. Багато вчених проводили творчі експерименти протягом декількох десятиліть, щоб з упевненістю показати, що ДНК - це молекула, яка визначає риси організмів. Це дослідження почалося на початку 20 століття.

Експерименти Гріффіта з мишами

Перше важливе відкриття було зроблено в 1920-х роках. Американський вчений на ім'я Фредерік Гріффіт вивчав мишей і два різних штами бактерії під назвою R (грубий) штам і S (гладкий) штам. Він ввів два штами бактерій мишам. Штам S був вірулентним і вбивав мишей, тоді як штам R не був вірулентним і не вбивав мишей. Ви можете побачити ці деталі на рис\(\PageIndex{2}\). Гріффіт також вводив мишам бактерії S-штаму, які були вбиті теплом. Як і очікувалося, мертві бактерії не завдали шкоди мишам. Однак, коли мертві бактерії S-штаму змішувалися з живими бактеріями R-штаму та вводилися, миші загинули.

Малюнок\(\PageIndex{2}\): Експеримент Гріффіта виявляє «принцип трансформації» у вірулентному гладкому пневмококу, що вбиває тепло, що дозволяє перетворити грубі невірулентні грубі пневмококові бактерії.

Виходячи зі своїх спостережень, Гріффіт зробив висновок, що щось в мертвому S-штамі було передано раніше нешкідливому R-штаму, що робить R-штам смертельним. Що це було «щось?» Який тип речовини міг змінити характеристики організму, який його отримував?

Евері та його колеги роблять великий внесок

На початку 1940-х років група вчених на чолі з Освальдом Ейвері намагалася відповісти на питання, поставлене результатами досліджень Гріффіта. По-перше, вони інактивували різні речовини в складі бактерій S-штаму. Потім вони вбили бактерії S-штаму і змішали залишки з живими бактеріями R-штаму. (Майте на увазі, що бактерії R-штаму зазвичай не завдали шкоди мишам.) Коли вони інактивували білки, R-штам був смертельним для введених мишей. Це виключає білки як генетичний матеріал. Чому? Навіть без протеїнів S-штаму R-штам був змінений або перетворений в смертельний штам. Однак, коли дослідники інактивували ДНК в S-штамі, R-штам залишився нешкідливим. Це призвело до висновку, що ДНК, а не білок - це речовина, яка контролює характеристики організмів. Іншими словами, ДНК - це генетичний матеріал.

Герші та Чейз підтверджують результати

Висновок про те, що ДНК є генетичним матеріалом, не був широко прийнятий, поки не був підтверджений додатковими дослідженнями. У 1950-х роках Альфред Херші і Марта Чейз робили експерименти з вірусами і бактеріями. Віруси не є клітинами. Натомість вони в основному є ДНК (або РНК) всередині білкової оболонки. Для розмноження вірус повинен вставити власний генетичний матеріал у клітину (наприклад, бактерію). Потім він використовує механізми клітини, щоб зробити більше вірусів. Дослідники використовували різні радіоактивні елементи для маркування ДНК та білків у ДНК-вірусах. Це дозволило їм визначити, яку молекулу віруси вставляли в бактеріальні клітини. ДНК була молекулою, яку вони ідентифікували. Це підтвердило, що ДНК є генетичним матеріалом.

Chargaff фокусується на основах ДНК

Ервін Чаргафф (1905-2002), австрійсько-американський біохімік з Колумбійського університету, проаналізував базовий склад ДНК різних видів. Це призвело до того, що він запропонував два основні правила, які були належним чином названі правилами Chargaff.

Правило 1

Чаргафф визначив, що в ДНК кількість однієї основи, пурину, завжди приблизно дорівнює кількості конкретної другої основи - піримідину. Зокрема, в будь-якій дволанцюгової ДНК кількість одиниць гуаніна дорівнює приблизно кількості одиниць цитозину, а кількість одиниць аденіну дорівнює приблизно кількості одиниць тиміну.

ДНК людини становить 30,9% A і 29,4% T, 19,9% G і 19,8% C. Правило становить основу пар основ в подвійній спіралі ДНК: A завжди пари з T, а G завжди пари з С. Він також продемонстрував, що кількість пуринів (A+G) завжди наближає кількість піримідинів (T+C), очевидне наслідок базово-парного характеру подвійної спіралі ДНК.

Правило 2

У 1947 році Чаргафф показав, що склад ДНК, з точки зору відносних кількостей основ A, C, G і T, варіювався від одного виду до іншого. Це молекулярне різноманіття додало до доказів того, що ДНК може бути генетичним матеріалом.

Малюнок\(\PageIndex{3}\): Хімічна структура чотирьох азотистих підстав у двох нитках ДНК. Зверніть увагу, як пурини (A і G) складаються з двох кільцевих структур, тоді як піримідини (T і C) складаються з однієї кільцевої структури. ДНК всіх видів має однакові чотири азотні основи. На малюнку також показано, що аденін пари з тиміном і гуаніном пари з цитозином.

Відкриття подвійної спіралі

Після того, як ДНК було показано як генетичний матеріал, вчені хотіли дізнатися більше про неї, включаючи його структуру. Джеймсу Уотсону та Френсісу Кріку зазвичай віддають належне виявленню того, що ДНК має форму подвійної спіралі, як гвинтові сходи, як показано на малюнку\(\PageIndex{4}\). Насправді відкриття Уотсоном і Криком подвійної спіралі сильно залежало від попередньої роботи Розалінди Франклін та інших вчених, які використовували рентгенівські промені, щоб дізнатися більше про структуру ДНК. На жаль, Франклін та ці інші вчені зазвичай не отримували належного за їх важливий внесок у відкриття подвійної спіралі.

Малюнок\(\PageIndex{4}\): Подвійна спіраль структура ДНК нагадує кручені сходи. На цьому зображенні А. аденін B. тимін C. гуанін D. цитозин 1. Цукор, фосфат, хребет 2. Базова пара 3. Азотиста основа. На цьому зображенні також показано застосування 2 правил Chargaff.

Форма ДНК з подвійною спіраллю разом з правилами Чаргаффа призвела до кращого розуміння ДНК. Як нуклеїнова кислота ДНК виготовляється з нуклеотидних мономерів. Довгі ланцюги нуклеотидів утворюють полінуклеотиди, а подвійна спіраль ДНК складається з двох полінуклеотидних ланцюгів. Кожен нуклеотид складається з цукру (дезоксирибоза), фосфатної групи та однієї з чотирьох підстав (аденін, цитозин, гуанін або тимін). Молекули цукру і фосфату в сусідніх нуклеотидах зв'язуються між собою і утворюють «кістяк» кожного полінуклеотидного ланцюга.

Вчені прийшли до висновку, що зв'язки між основами скріплюють два полінуклеотидних ланцюга ДНК. Більш того, аденін завжди зв'язується з тиміном, а цитозин завжди зв'язується з гуаніном. Ось чому ці пари основ називаються комплементарними парами основ. Якщо ви подивитеся на азотні основи на малюнку\(\PageIndex{3}\), ви побачите, чому основи зв'язуються між собою лише в цих парах. Аденін і гуанін мають двокільцеву структуру, тоді як цитозин і тимін мають всього одне кільце. Наприклад, якби аденін зв'язувався з гуаніном, а також тиміном, відстань між двома ланцюгами ДНК була б змінною. Однак, коли однокільцева молекула (наприклад, тимін) завжди зв'язується з двокільцевої молекулою (наприклад, аденіном), відстань між двома ланцюгами залишається постійною. Це підтримує рівномірну форму подвійної спіралі ДНК. Скріплені пари підстави (А-Т і Г-С) встромляються в середину подвійної спіралі, утворюючи, по суті, ступені гвинтових сходів.

Реплікація ДНК

Знання структури ДНК допомогло вченим зрозуміти, як відбувається реплікація ДНК. Реплікація ДНК - це процес, при якому копіюється ДНК. Він виникає під час фази синтезу (S) еукаріотичного клітинного циклу. ДНК необхідно скопіювати так, щоб після поділу клітин кожна дочірня клітина мала повний набір хромосом.

Реплікація ДНК починається, коли фермент розриває зв'язки між комплементарними основами в молекулі. Це оголює основи всередині молекули, щоб їх можна було «прочитати» іншим ферментом і використовувати для побудови двох нових ниток ДНК з додатковими основами. Дві дочірні молекули, які призводять до кожної, містять одну нитку з батьківської молекули та одну нову нитку, яка доповнює її. В результаті дві дочірні молекули обидві ідентичні материнській молекулі. Це напівконсервативний процес (див\(\PageIndex{5}\). Рис.)

Малюнок\(\PageIndex{5}\): Реплікація ДНК. Реплікація ДНК - це напівконсервативний процес. Половина материнської молекули ДНК зберігається в кожній з двох дочірніх молекул ДНК. Синя нитка належить батьківській клітині, а зелена нитка ДНК являє собою абсолютно нову нитку ДНК.

Хеліказа і полімераза

Реплікація ДНК починається як фермент, ДНК helicase, розриває водневі зв'язки, утримуючи дві нитки разом, і утворює вилку реплікації (див\(\PageIndex{6}\). Рис. Отримана структура має дві розгалужені нитки ДНК-хребта з оголеними підставами. Ці відкриті основи дозволяють ДНК «зчитувати» іншим ферментом, ДНК-полімеразою, яка потім будує комплементарну ланцюг ДНК. Коли спіраль ДНК продовжує відкривати подвійну спіраль, реплікаційна вилка зростає.

Провідні і відстаючі пасма

Два ферменти ДНК-полімерази працюють на вилці реплікації. Цей фермент може будувати нову ДНК лише у напрямку 5' → 3'. Він також потребує грунтовки, побудованої примазою, щоб почати будувати ДНК. Тому дві нові нитки, l провідна пасмо і відстаюча пасмо, ДНК «будуються» в протилежних напрямках. Провідною ниткою є ланцюг ДНК, який будує ДНК-полімераза в напрямку 5' → 3'. Ця нитка ДНК виготовляється безперервним способом, рухаючись у міру зростання вилки реплікації. «Відстаюча» пасмо синтезується короткими сегментами, відомими як фрагменти Окадзакі. На відстає пасмо примаза будує короткий РНК-праймер. ДНК-полімераза потім може використовувати вільну групу 3'-OH на грунтовці РНК, щоб зробити ДНК в напрямку 5 '→ 3', поки вона не досягне кінця шаблону нитка. ДНК-полімераза відстаючої нитки потім стрибає, щоб піти далі в вилку реплікації, щоб зробити ще один фрагмент Окадзакі. Потім фрагменти РНК деградують і додають нові нуклеотиди ДНК, щоб заповнити прогалини, де була присутня РНК. Інший фермент, ДНК-лігаза, потім здатний приєднувати (лігувати) нуклеотиди ДНК разом, завершуючи синтез відстаючої пасма (рис.\(\PageIndex{6}\)).

Малюнок\(\PageIndex{6}\): Реплікація ДНК. Дві нитки ДНК розкриваються за допомогою спіралі. Пасма утримуються відкритими однією ниткою зв'язують білків, запобігаючи передчасному відпалу. Топоізомераза вирішує проблему, викликану напругою, породженою намотуванням/розмотуванням ДНК. Цей фермент обертається навколо ДНК і робить розріз, що дозволяє спіралі обертатися і розслаблятися. Як тільки ДНК розслабляється, топоізомераза знову з'єднує зламані пасма. ДНК-примаза синтезує короткий праймер РНК, який ініціює фрагмент Окадзакі і провідну нитку. ДНК-полімераза синтезує провідну нитку і фрагменти Окадзакі. Фрагменти Окадзакі прикріплюються ДНК-лігазою після видалення праймерів.

Що таке РНК?

Структура РНК відрізняється від структури ДНК трьома специфічними способами. Обидва є нуклеїновими кислотами і складаються з нуклеотидів; однак РНК одноланцюгова, тоді як ДНК - дволанцюгова. Нуклеотиди РНК, як і ДНК, мають три частини: 5-вуглецевий цукор, фосфатну групу та основу. РНК містить 5-вуглецеву цукрову рибозу, тоді як в ДНК цукор є дезоксирибозою. Різниця між рибозою і дезоксирибозою полягає у відсутності гідроксильної групи, прикріпленої до кільця пентози в 2' положенні дезоксирибози (див. Рис\(\PageIndex{7}\).

Таблиця\(\PageIndex{1}\): порівняння РНК і ДНК

	РНК	ДНК
Пасма	одножильний	подвійний багатожильний
Специфічна база	містить урацил	містить тимін
Цукор	рибоза	дезоксирибоза
Розмір	відносно невеликий	великий (хромосоми)
Розташування	переходить в цитоплазму	залишається в ядрі
Типи	3 типи: мРНК, тРНК, рРНК	як правило, 1 тип

Хоча і РНК, і ДНК містять азотисті основи аденін, гуанін та цитозин, РНК містить азотисту основу урацил замість тиміну. Урацил пари з аденіном в РНК, так само, як тимінові пари з аденіном в ДНК. Урацил і тимін мають дуже схожі структури; урацил - неметильована форма тиміну.

Нуклеотидна послідовність РНК, яка доповнює послідовність ДНК, дозволяє РНК кодувати генетичну інформацію. РНК хоча несе генетичну інформацію лише одного гена. Отже, порівняно з ДНК, молекули РНК порівняно невеликі.

Малюнок\(\PageIndex{7}\). Порівняння одноцепочечной РНК і дволанцюгової ДНК з відповідними їм нуклеобазами. Крім того, зверніться до таблиці\(\PageIndex{1}\), як ви читаєте це зображення.

Рецензія

1. Окреслюємо відкриття, які призвели до визначення того, що ДНК, а не білок, є біохімічною молекулою, яка містить генетичну інформацію.
2. Правила Державного Чардафа. Поясніть, як правила пов'язані з будовою молекули ДНК.
3. Поясніть, як структура молекули ДНК схожа на гвинтові сходи. Які частини сходів являють собою різні частини молекули?
4. Опишіть процес реплікації ДНК.
5. Коли відбувається реплікація ДНК, і чому процес вважається напівконсервативним?
6. Чому, на вашу думку, бактерії штаму мертвих S, що вводяться мишам, не шкодять мишам, а вбивають їх при змішуванні з живими (і зазвичай нешкідливими) бактеріями штаму R?
7. В експерименті Гріффіта, як ви думаєте, термічна обробка, яка вбила бактерії, також інактивувала бактеріальну ДНК? Чому чи чому ні?
8. Наведіть один приклад конкретного доказу, який допоміг виключити білки як генетичний матеріал.
9. Правда чи брехня. Двокільцеві підстави завжди зв'язуються один з одним.
10. Правда чи брехня. Реплікація ДНК передбачає розрив однієї з полінуклеотидних ланцюгів на окремі нуклеотиди.
11. Правда чи брехня. У ДНК кожен нуклеотид має цукор.
12. Якою була б додаткова нитка цього розтягування основ ДНК? GTTAC
13. Які вчені виявили мічену ДНК, яка була перенесена з одного організму в інший?
    1. Херші і Чейз
    2. Заряд
    3. Ейвері
    4. Гріффіт
14. Який фермент розриває зв'язки між комплементарними основами і додають нові комплементарні нуклеотиди до батьківських ниток під час реплікації ДНК?
    1. Фосфати
    2. Ферменти
    3. Віруси
    4. молекули РНК
15. Опишіть відмінності між ДНК і РНК.
16. Як відбувається реплікація ДНК? Чому реплікацію ДНК називають «напівконсервативним» процесом?
17. Які ролі виконують наступні ферменти?
    1. ДНК-полімераза
    2. Геліказа ДНК
    3. ДНК-лігаза
    4. примаза

Дізнатися більше

https://bio.libretexts.org/link?16747#Explore_More

Розалінда Франклін була британським вченим, який допоміг виявити структуру ДНК. Щоб дізнатися більше, ознайомтеся з цим:

Атрибуції

1. Руд від Zoë Cleeren, публічне надбання через Вікісховище
2. Експеримент Гріффіта від Madprime, присвячений CC0 через Вікісховище
3. Нуклеотид ДНК від OpenStax College, ліцензований CC BY 3.0 через Wikimedia Commons
4. Структура ДНК та основи MesserWoland, ліцензований CC BY-SA 3.0 через Wikimedia Commons
5. Реплікація ДНК Madprime, присвячена CC0 через Вікісховище
6. Реплікація ДНК LadyOfHats Маріана Руїс, випущена у суспільне надбання через Вікісховище
7. Різниця ДНК та РНК від Roland1952 ліцензованого CC BY-SA .30 через Вікісховище
8. Текст адаптований з біології людини CK-12 ліцензований CC BY-NC 3.0