9.1: Структура ДНК
- Page ID
- 507
У 1950-х роках Френсіс Крик і Джеймс Уотсон спільно працювали в Кембриджському університеті, Англія, для визначення структури ДНК. Інші вчені, такі як Лінус Полінг і Моріс Уілкінс, також активно досліджували цю сферу. Полінг виявив вторинну структуру білків за допомогою рентгенівської кристалографії. Рентгенівська кристалографія - це метод дослідження молекулярної структури шляхом спостереження за закономірностями, утвореними рентгенівськими променями, знятими через кристал речовини. Патерни дають важливу інформацію про будову цікавить молекули. У лабораторії Вілкінса дослідник Розалінд Франклін використовував рентгенівську кристалографію, щоб зрозуміти структуру ДНК. Уотсон і Крик змогли зібрати разом загадку молекули ДНК, використовуючи дані Франкліна (Малюнок \(\PageIndex{1}\)). Уотсон і Крик також мали ключові відомості, доступні від інших дослідників, таких як правила Чаргаффа. Чаргафф показав, що з чотирьох видів мономерів (нуклеотидів), присутніх у молекулі ДНК, два типи завжди були присутні в рівних кількостях, а решта двох типів також завжди були присутні в рівних кількостях. Це означало, що вони завжди були в парі в деякому роді. У 1962 році Джеймс Уотсон, Френсіс Крик і Моріс Уілкінс були удостоєні Нобелівської премії з медицини за роботу з визначення структури ДНК.
Тепер розглянемо будову двох типів нуклеїнових кислот, дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК) і рибонуклеїнової кислоти (РНК). Будівельними блоками ДНК є нуклеотиди, які складаються з трьох частин: дезоксирибози (5-вуглецевого цукру), фосфатної групи та азотистої основи (рис. \(\PageIndex{2}\)). У ДНК є чотири типи азотистих основ. Аденін (А) і гуанін (G) - це двокільцеві пурини, а цитозин (С) і тимін (Т) - менші, однокільцеві піримідини. Нуклеотид названий відповідно до азотистої основи, яку він містить.
Фосфатна група одного нуклеотиду ковалентно зв'язується з молекулою цукру наступного нуклеотиду і так далі, утворюючи довгий полімер нуклеотидних мономерів. Цукрово-фосфатні групи шикуються в «хребет» для кожної окремої нитки ДНК, і нуклеотидні основи стирчать з цієї основи. Атоми вуглецю п'ятивуглецевого цукру нумеруються за годинниковою стрілкою від кисню як 1', 2', 3', 4' і 5' (1' читається як «один простий»). Фосфатна група приєднується до 5 'вуглецю одного нуклеотиду та 3' вуглецю наступного нуклеотиду. У своєму природному стані кожна молекула ДНК насправді складається з двох одиночних ниток, утримуваних разом по їх довжині з водневими зв'язками між підставами.
Уотсон і Крик запропонували, що ДНК складається з двох ниток, які скручуються навколо один одного, утворюючи спіраль правої руки, яка називається подвійною спіраллю. Базове спарювання відбувається між пурином і піримідином: а саме, A пари з T, і G пари з C. іншими словами, аденін і тимін є взаємодоповнюючими парами основи, а цитозин і гуанін також є взаємодоповнюючими базовими парами. Це основа правила Чаргаффа; через їх комплементарності в молекулі ДНК стільки ж аденіну, скільки тиміну і стільки ж гуаніну, скільки цитозину. Аденін і тимін з'єднані двома водневими зв'язками, а цитозин і гуанін - трьома водневими зв'язками. Дві нитки мають антипаралельний характер; тобто одна нитка матиме 3 'вуглець цукру в положенні «вгору», тоді як інша нитка матиме 5 'вуглець у верхньому положенні. Діаметр подвійної спіралі ДНК рівномірний у всьому, тому що пурин (два кільця) завжди пари з піримідином (одне кільце) і їх об'єднані довжини завжди рівні (рис. \(\PageIndex{3}\)).
Структура РНК
У всіх клітиках є друга нуклеїнова кислота, яка називається рибонуклеїнової кислотою, або РНК. Як і ДНК, РНК є полімером нуклеотидів. Кожен з нуклеотидів в РНК складається з азотистої основи, п'ятивуглецевого цукру та фосфатної групи. У разі РНК п'ятивуглецевий цукор - це рибоза, а не дезоксирибоза. Рибоза має гідроксильну групу на 2' вуглецю, на відміну від дезоксирибози, яка має тільки атом водню (рис. \(\PageIndex{4}\)).
Нуклеотиди РНК містять азотисті основи аденін, цитозин та гуанін. Однак вони не містять тиміну, який замість цього замінюється урацилом, що символізується «U». РНК існує як одноланцюгова молекула, а не дволанцюгова спіраль. Молекулярні біологи назвали кілька видів РНК на основі їх функції. До них відносяться месенджерна РНК (мРНК), трансферна РНК (тРНК) і рибосомальна РНК (рРНК) - молекули, які беруть участь у виробництві білків з коду ДНК.
Як ДНК влаштована в клітині
ДНК - це робоча молекула; її потрібно повторити, коли клітина готова до поділу, і її потрібно «прочитати», щоб виробляти молекули, такі як білки, для виконання функцій клітини. З цієї причини ДНК захищається і упаковується дуже специфічними способами. Крім того, молекули ДНК можуть бути дуже довгими. Розтягнуті від кінця до кінця молекули ДНК в одній людській клітині вийшли б в довжину близько 2 метрів. Таким чином, ДНК для клітини повинна бути упакована дуже впорядковано, щоб відповідати та функціонувати всередині структури (клітини), яка не видно неозброєним оком. Хромосоми прокаріотів набагато простіше, ніж у еукаріотів за багатьма своїми ознаками (рис. \(\PageIndex{5}\)). Більшість прокаріотів містять єдину кругову хромосому, яка знаходиться в області цитоплазми, яка називається нуклеоїдом.
Розмір генома у одного з найбільш добре вивчених прокаріотів, Escherichia coli, становить 4, 6 мільйона пар основи, що розширило б відстань приблизно на 1, 6 мм, якщо його розтягнути. То як це поміститься всередині дрібної бактеріальної клітини? ДНК скручується за межі подвійної спіралі в тому, що відомо як супернамотування. Деякі білки, як відомо, беруть участь в supercoiling; інші білки і ферменти допомагають у підтримці supercoiled структури.
Еукаріоти, хромосоми яких складаються з лінійної молекули ДНК, використовують інший тип стратегії упаковки, щоб вмістити їх ДНК всередині ядра (рис. \(\PageIndex{6}\)). На самому базовому рівні ДНК обертається навколо білків, відомих як гістони, утворюючи структури, звані нуклеосомами. ДНК щільно обмотана навколо гістонового ядра. Ця нуклеосома пов'язана з наступною короткою ниткою ДНК, яка не містить гістонів. Це також відоме як структура «намистини на нитці»; нуклеосоми - це «намистини», а короткі довжини ДНК між ними - «струна». Нуклеосоми з їх ДНК, згорнутої навколо них, компактно складаються один на одного, утворюючи волокно шириною 30 нм. Це волокно додатково згортається в більш товсту і компактну структуру. На метафазної стадії мітозу, коли хромосоми шикуються в центрі клітини, хромосоми максимально ущільнюються. Вони мають ширину приблизно 700 нм і знаходяться в асоціації з білками ешафоту.
У інтерфазі фаза клітинного циклу між мітозами, при якій хромосоми деконденсовані, еукаріотичні хромосоми мають дві різні області, які можна відрізнити при фарбуванні. Існує щільно упакована область, яка темно забарвлює, і менш щільна область. Темно-фарбувальні області зазвичай містять гени, які не є активними, і знаходяться в областях центромер і теломерів. Злегка фарбувальні області зазвичай містять гени, які є активними, з ДНК, упакованої навколо нуклеосом, але не додатково ущільнюється.
ПОНЯТТЯ В ДІЇ
Дивіться цю анімацію упаковки ДНК.
Резюме
Модель двоспіральної структури ДНК була запропонована Уотсоном і Криком. Молекула ДНК - полімер нуклеотидів. Кожен нуклеотид складається з азотистої основи, п'ятивуглецевого цукру (дезоксирибози) та фосфатної групи. У ДНК є чотири азотисті основи, два пурини (аденін і гуанін) і два піримідина (цитозин і тимін). Молекула ДНК складається з двох ниток. Кожна нитка складається з нуклеотидів, з'єднаних між собою ковалентно між фосфатною групою одного та дезоксирибозним цукром наступного. Від цього хребта витягають підстави. Підстави однієї пасма скріплюються з підставами другої пасма водневими зв'язками. Аденін завжди зв'язується з тиміном, а цитозин завжди зв'язується з гуаніном. Склеювання змушує дві нитки спіралі навколо один одного у формі, яка називається подвійною спіраллю. Рибонуклеїнова кислота (РНК) - це друга нуклеїнова кислота, знайдена в клітинам. РНК - це одноланцюговий полімер нуклеотидів. Він також відрізняється від ДНК тим, що містить цукрову рибозу, а не дезоксирибозу, і нуклеотид урацил, а не тимін. Різні молекули РНК функціонують в процесі формування білків з генетичного коду в ДНК.
Прокаріоти містять одиночну, дволанцюгову кругову хромосому. Еукаріоти містять дволанцюгові лінійні молекули ДНК, упаковані в хромосоми. Спіраль ДНК обертається навколо білків, утворюючи нуклеосоми. Котушки білка додатково згортаються, і під час мітозу і мейозу хромосоми стають ще більш сильно згорнутими, щоб полегшити їх рух. Хромосоми мають дві різні області, які можна відрізнити шляхом фарбування, що відображає різну ступінь упаковки і визначається тим, експресується ДНК в області (еухроматин) чи ні (гетерохроматин).
Глосарій
- дезоксирибоза
- молекули цукру п'ять вуглецю з атомом водню, а не гідроксильної групи в положенні 2 '; цукор компонент ДНК нуклеотидів
- подвійна спіраль
- молекулярна форма ДНК, в якій дві нитки нуклеотидів вітру навколо один одного у формі спіралі
- азотиста основа
- азот містять молекули, яка виступає в якості основи; часто посилаючись на один з пуринових або піримідинових компонентів нуклеїнових кислот
- фосфатна група
- молекулярна група, що складається з атома центрального фосфору пов'язані з чотирьох атомів кисню