Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

9.1: Структура ДНК

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    507

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

    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.

    Фото в частині А показує Джеймса Уотсона, Френсіса Крика та Маклін Маккарті. Рентгенівська дифракційна картина в частині b симетрична, з точками в х-формі.
    Ілюстрація \(\PageIndex{1}\): Вчені-піонери (а) Джеймс Уотсон і Френсіс Крік зображені тут з американським генетиком Макліном Маккарті. Вчений Розалінд Франклін виявив (b) рентгенівський дифракційний малюнок ДНК, який допоміг з'ясувати його структуру подвійної спіралі. (кредит a: модифікація роботи Марджорі Маккарті; b: модифікація роботи NIH)

    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.

    На ілюстрації показано структуру нуклеотиду, який складається з дезоксирибозного цукру з азотистої основою, прикріпленою в положенні 1 ', і фосфатної групи, приєднаної в положенні 5'. Існує два види азотистих підстав: піримідини, які мають одне шестичленне кільце, і пурини, які мають шестичленне кільце, зрощені в п'ятичленне кільце. Цитозин і тимін є піримідинами, а аденін і гуанін - пуринами.
    Малюнок \(\PageIndex{2}\): (а) Кожен нуклеотид ДНК складається з цукру, фосфатної групи та основи. (b) Цитозин і тимін є піримідинами. Гуанін і аденін - пурини.

    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. \(\PageIndex{3}\)).

    Частина А показує ілюстрацію подвійної спіралі ДНК, яка має серцево-фосфатну основу зовні та пари азотистих основ зсередини. Частина B показує сполучення основи між тиміном та аденином, які утворюють дві водневі зв'язки, та між гуаніном та цитозином, які утворюють три водневі зв'язки.
    Малюнок \(\PageIndex{3}\): ДНК (а) утворює подвійну багатожильну спіраль, а (б) пари аденіну з парами тиміну і цитозину з гуаніном. (Кредит a: модифікація роботи Джерома Уокера, Денніса Мітса)

    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. \(\PageIndex{4}\)).

    Цифра, що показує структуру цукрів рибози та дезоксирибози. У рибозі OH на позиції 2' виділено червоним кольором. У дезоксирибозі H на позиції 2' виділено червоним кольором.
    Малюнок \(\PageIndex{4}\): Різниця між рибозою, знайденою в РНК, і дезоксирибозою, знайденою в ДНК, полягає в тому, що рибоза має гідроксильну групу в 2-му вуглеці.

    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.

    На ілюстрації показана еукаріотична клітина, яка має мембранно-зв'язане ядро, що містить хроматин і ядерце, і прокаріотичну клітину, яка має ДНК, що міститься в області цитоплазми, званої нуклеоїдом. Прокаріотична клітина набагато менше еукаріотичної клітини.
    Малюнок \(\PageIndex{5}\): Еукаріот містить чітко окреслене ядро, тоді як у прокаріотів хромосома лежить у цитоплазмі в області, 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.

    На ілюстрації показані рівні організації еукаріотичних хромосом, починаючи з подвійної спіралі ДНК, яка обертається навколо гістонових білків. Вся молекула ДНК обвиває безліч скупчень гістонових білків, утворюючи структуру, схожу на намистини на нитці. Хроматин додатково конденсується шляхом обгортання навколо білкового ядра. В результаті виходить компактна хромосома, показана в дубльованому вигляді.
    Малюнок \(\PageIndex{6}\): Ці цифри ілюструють ущільнення еукаріотичної хромосоми.

    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
     

    Дописувачі та атрибуції