ДНК анатомия и физиология
ДНК и РНК са двете нуклеинови киселини, които играят основна роля в човешката наследственост, като са носители на генетична информация. Преди да влезем в подробности за структурата и функцията на всеки от тях, трябва да се запознаем с основите, които ще ни помогнат да разберем сложността на механизмите на наследствеността.
Химическа структура
Разликата между ДНК и РНК се дава от вида пентозна захар, която техните нуклеотиди съдържат: дезоксирибоза-D за ДНК и рибоза- R за РНК. ДНК (дезоксирибонуклеинова киселина) Състои се от две полинуклеотидни вериги (вериги) и РНК (рибонуклеинова киселина) той има само една полинуклеотидна верига. Пентозите и фосфорният радикал са общи за всички ДНК макромолекули в живия свят, азотни основи като тези, които се съветват специфичност в рамките на наследствения феномен. Фосфатният радикал придава киселинен характер и отрицателни заряди на ДНК и РНК молекулите.
Всяка нуклеинова киселина съдържа 4 вида нуклеотиди, като разликата между тях е азотните основи, които влизат в тяхната структура: аденин (A), гуанин (G), цитозин (C) и тимин (Т) за ДНК и аденин, гуанин, цитозин и урацил (U) за РНК. Азотните основи също са от 2 вида:
- Пурини: аденин (A) и гуанин (G)
- Пиримидини: цитозин (С), тимин (Т) и урацил (U)
За ДНК: P- D- A P- D- G P- D- C P- D- T
За РНК: P- R- A P- R- G P- R- C P- R- U
Има само 4 вида нуклеотиди за всяка нуклеинова киселина, но възможностите за рекомбинация, биохимично кодиране и имплицитно създаване на различни набори от наследствена информация са теоретично безкрайни. Обикновено активната нуклеотидна последователност на макромолекулите на нуклеиновите киселини съдържа най-малко 3000 нуклеотида, достигайки горните граници на стотици хиляди нуклеотиди. Освен това единиците A-T и C-G могат да се редуват и да се повтарят 2,3 пъти. Следователно нуклеиновите киселини имат огромен кодиращ потенциал, като осигуряват предаването на генетична информация от едно поколение на друго по време на процеса на клетъчно делене.
ДНК
то е материална подкрепа на наследствеността и изменчивостта, има многобройни експериментални доказателства в това отношение:
- ДНК има структура, специфична за всеки вид, специфичност поради апериодичното подреждане на азотните основи в структурата на молекулата
- Той има способността да се възпроизвежда, така че да предава генетична информация от едно поколение на друго
- В ядрото на диплоидни соматични клетки (съдържащи двойки хомоложни хромозоми), независимо от тъканите, съдържанието на ДНК е приблизително равно
- В ядрото на хаплоидните клетки на гамети (с несдвоени хромозоми) количеството ДНК се намалява наполовина.
- Количеството на ДНК е право пропорционално на броя на хромозомите: диплоидни или хаплоидни и зависи от фазите на клетъчния цикъл
Първична и вторична структура
Принципът на допълняемост
В случай на вторична структура, последователността на основите във веригата определя последователността на основите в противоположната верига поради факта, че те имат допълващи се последователности, аденинът допълва тимина и гуанин допълва цитозина. Има два водородни моста между аденин и тимин и три между гуанин и цитозин, мостове, които се разтварят в топлина и водят до отделянето на едноверижни от ДНК, което се извършва ДНК изкривяване. G-C връзките, съдържащи 3 H връзки, са по-трудни за разрушаване от A-T връзките, съдържащи 2 връзки. Чрез бавно охлаждане на сместа от денатурирани единични вериги те се комбинират на базата на взаимно допълване и възстановяват първоначалната структура. (Отгряване). Това обяснява как се случва репликация на ДНК, възстановяване на ДНК или транскрипция на информация.
Способността да самозалепване на ДНК се дава от допълване и антипаралелност на съполимерни основи, по този начин информацията се запазва в последователността на клетъчните поколения. M-RNA, която декодира генетичното съобщение, осигурява генетичен детерминизъм и фенотипна експресия на наследствени признаци.
Третична структура на ДНК
То се дава от пространственото, триизмерно разпределение на двете спираловидни вериги. Уотсън и Крик показаха, че фосфо-въглехидратният скелет на макромолекулата е отвън, а азотните основи отвътре, като равнината на базовите двойки е перпендикулярна на дългата ос на молекулата, между съществуващите двойки хидрофобни взаимодействия които увеличават стабилността на конструкцията. В зависимост от третичната структура има няколко вида ДНК молекули, които са изоморфни: А и Б (декстрогир- завъртете равнината на поляризираната светлина надясно) и от тип Z (левичар- завърта равнината на поляризирана светлина наляво).
При еукариотите ДНК е свързана с хистон (протеини) чрез физиологични връзки, в резултат нуклеопротеин. Протеините увеличават диаметъра на молекулата на ДНК до 200 Å и заедно с калциевите йони (Ca 2+) стабилизират пространствената архитектура на ДНК. В комбинация с протеини, ДНК има дължина около 4000 Å, но чрез отстраняване на хистоните може да достигне 7000-8000 Å и диаметър 20 Å. Неговата молекулярна маса е 12-16 х 106 далтона и човешка диплоидна соматична клетка съдържа приблизително. 7 х 10-9 mg ДНК.
Структура двуверижна на ДНК има висока физическа стабилност, осигурена вертикално от интракатенарните фосфодиестерни мостове и хоризонтално от преплетените водородни мостове. Дезоксирибозните молекули се поставят върху едната верига с кислорода на пръстена на молекулата, ориентирана нагоре, и върху другата верига с кислорода, ориентирана надолу, като по този начин цялата молекула е принудена да се спирално, образувайки триизмерна спирална структура в двойна спирала. Всяка последователна двойка азотни основи се върти на 36 градуса по посока на часовниковата стрелка (завъртане по часовниковата стрелка), а двойната спирала прави пълен завъртане на 360 градуса за всеки 10 двойки азотни основи.
ДНК синтез
Процесът на синтез на ДНК е най-важното събитие в случай на клетъчно делене, което осигурява пълното предаване на генетична информация, съхранявана в хромозомна ДНК. Фактът, че ДНК не се изчерпва по време на деленето, се дължи на процеса на репликация (автокопиране), генетично програмиран процес на разделяне на веригата и допълващо сглобяване на нуклеотиди върху всяка матрична верига, като по този начин се създават нови молекули на ДНК.
Репликацията е semiconservativă и е направен по модела на ципа, предложен от Уотсън и Крик, според който двойната спирала се разгръща постепенно подобно на цип и излага свободни основи на всяка верига. Поради допълняемостта, всяка изложена база ще бъде свързана с нейната допълваща база.
ензими участващи в процеса на репликация са:
топоизомераза - инициира разтварянето на двойната спирала на родителската ДНК
хеликаза - участва в разхлабването на връзките между 2-те родителски вериги заедно с топоизомераза
- протеин, който стабилизира отделните вериги и спира рекомбинацията на 2-те плесени
ДНК полимераза - семейство ензими, които осигуряват растежа на новообразуваната ДНК верига чрез свързване на комплементарни нуклеотиди към матричната верига. Също така участва в коригиране на грешки при репликация.
лигаза - свързване на новообразувани къси сегменти на ДНК към матричната верига
принципи
1. Всяка експонирана ДНК верига е шаблон за синтеза на нова верига
2. В ДНК молекулите, получени в резултат на репликация, винаги ще има стара верига (матрица) и нова, синтезирана чрез свързване на допълващи азотни основи.
Ензимът, участващ в синтеза на новата ДНК верига, се нарича ДНК полимераза който участва в процеса заедно с 4 нуклеотидни трифосфати (dATP, dCTP, dGTP и dTTP), магнезиеви йони, праймер и родителски масив ДНК вериги.
Увеличаването на ДНК веригата с ДНК полимераза изисква 3'-OH групата на дезоксирибозата да бъде свободна, синтез, непрекъснато протичащ в посока 5'-3 ', ензим с 2 основни свойства:
- удължава съществуващата верига от праймерна ДНК (шаблон)
- катализира добавянето на нуклеотиди към 3'-ОН края, като същевременно поддържа растеж в 5'-3 '.
ДНК репликация
ДНК възстановяване
В процес, толкова сложен, колкото е полуконсервативен синтез на ДНК грешки могат да възникнат често, особено под действието на фактори на околната среда като йонизиращо лъчение или токсични вещества, които, действайки по време на репликация на ДНК или в междуфазен етап G1 (първата фаза на цикъла на клетъчното делене) може да причини грешки в последователността на ДНК макромолекулата, които трябва да бъдат коригирани, за да се предотвратят генетични мутации.
Ако ДНК полимераза погрешно въведе нуклеотид, това би довело до генетична грешка от 10-4 (1 грешка от 10 на четвъртата база е създадена), но в действителност грешката е 10-8 поради способността на ДНК полимеразите да откриват и коригират грешки по време на репликация.
По време на репликацията полимеразата обгражда ДНК като капсула и когато азотната основа, която трябва да се свърже към матрицата, не е допълваща, пространствената структура на ДНК се променя чрез увеличаване на обема на молекулата и блокиране на активността и ексцизията на ДНК полимеразата. не допълваща основа, като по този начин коригира грешката.
Видове клетъчна ДНК
В еукариотната клетка има 2 вида ДНК, ядрени и митохондриални, те от своя страна са разделени на няколко подтипа.
Видове ядрена ДНК:
• Повтарящи се. то е неинформация и част от него участва в синтеза на рибозомна РНК и транспортна РНК. Той е групиран около хромозомната центромера и е разделен на ДНК с висока честота и умерено повтаряща се ДНК.
• повтарящи се. то е информация и неговите нуклеотидни последователности са уникални в генома. Представляват 5-10% от цялата ядрена ДНК в Homo Sapiens, като останалите 90-95% са повтарящи се ДНК, които нямат функция за съхранение и предаване на генетична информация.
Митохондриална ДНК е генетичният материал на митохондриите, клетъчни органи с редокс функция, участващи в клетъчното дишане. Този тип ДНК е отговорен за синтеза на дихателни ензими. Неговата репликация се инхибира от рифампицин и хлорамфеникол, антибиотици, които нямат ефект върху ядрената ДНК.