Dezoxiribonukleinsav
Dupla helix (dupla csavaros) DNS (jobbra)
A dezoxiribonukleinsav (DNS) egy makromolekula (a három fő, két másik - RNS és fehérjék egyike), amely tárolást biztosít. nemzedékről nemzedékre való áttérés és az élő szervezetek fejlesztésére és működésére irányuló genetikai program végrehajtása. A DNS információt tartalmaz a különböző típusú RNS és fehérjék szerkezetéről.
Az eukarióták (állati növények és gombák) sejtjeiben a DNS található a sejtmagban a kromoszómákban. és bizonyos sejtes szervekben (mitokondriumok és plasztidok) is. A sejtek prokarióta szervezetek (baktériumok, archaea) cirkuláris vagy lineáris DNS-molekula, egy úgynevezett nukleoid kapcsolódik belsejében a sejtmembránon. Bennük és alsó eukariótákban (például élesztőben) vannak kis önálló, elsősorban kör alakú DNS-molekulák, amelyeket plasmidoknak neveznek. Emellett az egy- vagy kétszálú DNS-molekulák DNS-tartalmú vírusok genomját képezhetik.
Kémiai szempontból a DNS hosszú polimer molekula, amely ismétlődő blokkokból - nukleotidokból áll. Minden nukleotid egy nitrogénbázisból áll. cukor (dezoxiribóz) és foszfátcsoport. A láncban levő nukleotidok közötti kötések dezoxiribóz és foszfátcsoport (foszfodiészterkötések) révén képződnek. Az esetek túlnyomó többségében (az egyszálú DNS-t tartalmazó egyes vírusok kivételével) a DNS makromolekula két láncból áll egymással nitrogénbázisokkal orientálva. Ez a kettős szálú molekula spirális vonal mentén csavart. Általában a DNS-molekula szerkezete megkapta a hagyományos, de téves "kettős hélix" elnevezést, valójában ez egy "kettős csavar". A hélix igaza (A és B alakú DNS) vagy bal (Z-forma DNS) [1].
A DNS-ben négyféle nitrogénbázis (adenin-guanin-timin és citozin) található. Az egyik lánc nitrogénbázisai a komplementaritás elvének megfelelően hidrogénkötésekkel kapcsolódnak a másik lánc nitrogénbázisaihoz. az adenin csak a timinhoz kötődik, guanin - csak citozinnel. A nukleotidok szekvenciája lehetővé teszi a különböző típusú RNS-ek információinak "kódolását", amelyek közül a legfontosabb információ, vagy mátrix (mRNS), riboszomális (rRNS) és transzport (tRNS). Mindezen RNS-eket szintetizáljuk a DNS-templáton úgy, hogy a DNS-szekvenciát a transzkripciós folyamat során szintetizált RNS szekvenciába másoljuk. és részt vesz a fehérje bioszintézisében (transzlációs folyamat). A kódoló szekvenciákon kívül a sejt DNS olyan szekvenciákat tartalmaz, amelyek szabályozó és szerkezeti funkciókat látnak el. Emellett az eukarióta genomjában gyakran előfordulnak a "genetikai paraziták", például a transzpozonok területei.
A DNS szerkezetének megfejtése (1953) a biológia történetének egyik fordulópontjává vált. Ennek a felfedezésnek a kiemelkedő hozzájárulása, Francis Crick. James Watson és Maurice Wilkins 1962-ben elnyerte a Nobel-díjat a fiziológiában vagy az orvostudományban. Rosalind Franklin. amelyek röntgenfelvételeket kaptak. anélkül, hogy Watson és Creek nem tudna következtetéseket levonni a DNS felépítéséről, 1958-ban meghalt a rákban (a Nobel-díjat nem adják postumuszban) [2].
A DNS mint kémiai anyagot 1869-ben Johann Friedrich Micher izolálta a génben található sejtek maradványaiból. Kiválasztott egy olyan anyagot, amely nitrogént és foszfort tartalmaz. Kezdetben az új anyagot nukleinsavnak nevezték. és később, amikor Misher megállapította, hogy ez az anyag savas tulajdonságokkal rendelkezik, az anyagot nukleinsavnak nevezték [3]. Az újonnan felfedezett anyag biológiai funkciója nem volt tisztázott, és sokáig a DNS-t a szervezetben lévő foszfor tárolására tekintették. Sőt, még az elején a XX században sok biológus úgy véli, hogy a DNS-t semmi köze az információk átadását, mert az a molekula szerkezete, véleményük szerint, túl monoton, és nem tudta magában kódolt információt.
A huszadik század ötvenes éveiig a DNS pontos felépítése, valamint az örökletes információk átadásának módja ismeretlen maradt. Bár bizonyos volt, hogy a DNS számos nukleotidláncból áll, senki sem tudta pontosan, hogy hány ilyen láncról és hogyan kapcsolódnak egymáshoz.
A szerkezet a DNS kettős spirál-t által javasolt Francis Crick és James Watson 1953 alapján röntgendiffrakciós adatok Maurice Wilkins és Rosalind Franklin. és a „Chargaff szabályok”, amelyek szerint a DNS-molekula minden egyes Szigorú arányban kapcsolatos a számos különböző típusú nitrogéntartalmú bázisok [5]. Később által javasolt Watson és Crick a DNS-szerkezetet modell bebizonyosodott, és munkájuk ben elnyerte a Nobel-díjat fiziológiai vagy orvostudományi 1962-ben még nem halt meg az idő az Rosalind Franklin Rák A győztesek között, mivel a díjat nem ítélték oda posztumusz. [6]
Érdekes módon 1957-ben az amerikaiak, Alexander Rich, Gary Felzenfeld és David Davies három spirálból álló nukleinsavat írtak le [7]. 1985-1986-ban Maxim Davidovich Frank-Kamenetsky Moszkvában mutatta be, hogy egy kettős szálú DNS egy úgynevezett H-alakra bukkan, amely nem két, hanem három DNS-szálból áll [8] [9].
nukleotidok
A bázisok szerkezete leggyakrabban megtalálható a DNS-összetételben
A dezoxiribonukleinsav (DNS) egy biopolimer (polianion), amelynek monomerje a nukleotid [10] [11].
Minden nukleotid egy foszforsavmaradékból áll. az 5'-helyzethez cukor-dezoxiribózhoz kapcsolódik. amelyhez a nitrogénatomok egyike is kapcsolódik a glikozidkötésen keresztül (C-N) az 1'-helyzetben. Ez a jellegzetes cukor jelenléte és a DNS és az RNS egyik fő különbsége. ezeket a nukleinsavak nevében rögzítik (az RNS belép a ribózcukorba) [12]. Egy nukleotidra példaként említhető az adenozin-monofoszfát, amelyben a foszfáttal és ribózzal kapcsolt bázis adenin (az ábrán látható).
Alapján a molekuláris szerkezetek egy bázis, egy részét nukleotidok két csoportra osztjuk, purinok (adenin [A], és a guanin [G]) vannak kialakítva összekötve öt- és hattagú heterociklusos; pirimidinek (citozin [C] és a timin [T]) - hat tagú heterociklus, [13].
Kivételesen, például a bakteriofág PBS1, DNS-ben előforduló bázisok ötödik típus - uracil ([U]), egy pirimidin bázissal, jellemez, hogy nem a timin metilcsoportok a gyűrűn, jellemzően helyett timint RNS [14].
Meg kell jegyezni, hogy a timin és az uracil nem annyira szigorúan a DNS-re és az RNS-re korlátozódik, ahogy azt korábban gondoltam. Tehát bizonyos RNS-molekulák szintézisét követően jelentős molekuláris mennyiségű uracilt speciális enzimekkel metilálnak, ami tíminná alakul. Ez a közlekedési és riboszómális RNS-ben fordul elő [15].
Két hélix
Az ionok koncentrációjától és a molekula nukleotid-összetételétől függően az élő szervezetekben a kettős hélix DNS létezik különböző formában. Az ábra az A. B és Z formákat mutatja (balról jobbra)
A DNS polimer meglehetősen összetett szerkezetű. A nukleotidok kovalensen kapcsolódnak hosszú polinukleotidláncokhoz. Ezek az áramkörök a esetek túlnyomó többségében (kivéve néhány vírusok egyszálú DNS-genomok) egyesítjük páronként hidrogénkötések a másodlagos szerkezetet, ismert, mint a kettős hélix [5] [12]. Az egyes láncok vázai alternáló foszfátok és cukrok [16] állnak. Egy DNS-szálon belül a szomszédos nukleotidok foszfodiészter kötésekkel kapcsolódnak. amelyek úgy képződnek, hogy közötti kölcsönhatás 3'-hidroxil (3'-OH) csoport, a dezoxiribóz molekula egy nukleotid, és az 5'-foszfát-csoport (5'-PO3) a másik. A DNS lánc aszimmetrikus végeit 3 '(három elsődleges) és 5' (öt elsődleges) nevezik. A lánc polaritása fontos szerepet játszik a DNS szintézisében (a lánchosszabbítás csak új nukleotidok hozzáadásával lehetséges a szabad 3'-végig).
Amint már említettük, az élő szervezetek túlnyomó többségében a DNS nem egy, hanem két polinukleotidláncból áll. Ez a két hosszú lánc egymás köré csavarodik kettős hélix formájában, amelyet hidrogénkötések stabilizálnak. A belépő láncok nitrogénbázisai között létrejött. Természetesen ez a spirál, leggyakrabban jobbra csavart. A DNS-molekulát alkotó két lánc 3'-végétől az 5'-végig terjedő irányok ellentétesek (a láncok egymással szemben "antiparallel "ek).
A kettős hélix szélessége 22-24 A. vagy 2,2-2,4 nm. az egyes nukleotidok hossza 3,3 Å (0,33 nm) [17]. Csakúgy, mint egy csigalépcső lépcső oldalán látható, a DNS dupla helix között a foszfát gerincét a molekula látható bordák bázisok, gyűrűket, amelyek található egy síkban merőleges a hosszirányú tengelye a makromolekula.
A kettős hélixben kis (12 Å) és nagy (22 Å) hornyokat különböztetünk meg [18]. Proteinek, például transzkripciós faktorok. amelyek kettős szálú DNS-ben lévő bizonyos szekvenciákhoz kapcsolódnak, általában a nagy horonyban lévő bázisok szélein kölcsönhatásba lépnek, ahol azok hozzáférhetőbbek [19].
Bázisok közötti kötések kialakulása
Az egyik lánc egyik alapja a második lánc egyik meghatározott alaphoz kapcsolódik. Ezt a specifikus kötést kiegészítik. A purinok kiegészítik a pirimidineket (vagyis képesek hidrogénkötéseket létrehozni velük): az adenin csak a timinnal kötődik, és a citozin - a guanin. A kettős hélixben a láncok hidrofób kölcsönhatásokkal és halmozással is kapcsolódnak. amelyek nem függenek a DNS-bázisok szekvenciájától [20].
A kettős hélix komplementaritása azt jelenti, hogy az egy láncban lévő információ egy másik láncban is megtalálható. A komplementer bázispárok közötti kölcsönhatások reverzibilitása és specifikussága fontos a DNS replikációjához és a DNS minden egyéb funkciójához az élő szervezetekben.
A DNS-molekulák olyan részei, amelyek működésüknek köszönhetően könnyen elválaszthatóak, például a bakteriális promoterek TATA-szekvenciáján. általában nagy számú A-t és T-t tartalmaz.