Acizii nucleici sunt substanțe cu un nivel molecular înalt constând din mononucleotide, care sunt conectate între ele într-un lanț polimeric folosind legături fosfodiester de 3", 5" și sunt împachetate în celule într-un anumit mod.

Acizii nucleici sunt biopolimeri de două tipuri: acid ribonucleic (ARN) și acid dezoxiribonucleic (ADN). Fiecare biopolimer este format din nucleotide care diferă prin reziduul de carbohidrați (riboză, dezoxiriboză) și una dintre bazele azotate (uracil, timină). Conform acestor diferențe, acizii nucleici și-au primit numele.

Structura acidului dezoxiribonucleic

Acizii nucleici au o structură primară, secundară și terțiară.

Structura primară a ADN-ului

Structura primară a ADN-ului este un lanț polinucleotidic liniar în care mononucleotidele sunt conectate prin legături fosfodiester de 3", 5". Materialul de pornire pentru asamblarea unui lanț de acid nucleic într-o celulă este nucleozida 5"-trifosfat, care, ca rezultat al îndepărtării reziduurilor de acid fosforic β și γ, este capabilă să atașeze atomul de carbon de 3" al altei nucleozide. . Astfel, atomul de carbon de 3" al unei deoxiriboze este legat covalent de atomul de carbon de 5" al altei deoxiriboze printr-un singur rest de acid fosforic și formează un lanț polinucleotidic liniar de acid nucleic. De aici și numele: legături fosfodiester de 3", 5". Bazele de azot nu iau parte la conectarea nucleotidelor dintr-un lanț (Fig. 1.).

O astfel de conexiune, între restul moleculei de acid fosforic al unei nucleotide și carbohidratul altuia, duce la formarea unui schelet pentozo-fosfat al moleculei de polinucleotide, pe care bazele azotate sunt atașate una după alta. Secvența lor de aranjare în lanțurile de molecule de acid nucleic este strict specifică celulelor diferite organisme, adică are un caracter specific (regula lui Chargaff).

Un lanț liniar de ADN, a cărui lungime depinde de numărul de nucleotide incluse în lanț, are două capete: unul se numește capătul de 3" și conține un hidroxil liber, iar celălalt se numește capătul de 5" și conține o catene fosforică. reziduu acid. Circuitul este polar și poate avea direcția de 5"->3" și 3"->5". Excepția este ADN-ul circular.

„Textul” genetic al ADN-ului este compus din „cuvinte” cod – triplete de nucleotide numite codoni. Secțiunile de ADN care conțin informații despre structura primară a tuturor tipurilor de ARN se numesc gene structurale.

Lanțurile de ADN polinucleotid ating dimensiuni gigantice, așa că sunt ambalate într-un anumit fel în celulă.

În timp ce studia compoziția ADN-ului, Chargaff (1949) a stabilit modele importante în ceea ce privește conținutul bazelor ADN individuale. Au ajutat la dezvăluirea structurii secundare a ADN-ului. Aceste modele se numesc regulile lui Chargaff.

Regulile Chargaff

  1. suma nucleotidelor purinice este egală cu suma nucleotidelor pirimidinice, adică A+G / C+T = 1
  2. conținutul de adenină este egal cu conținutul de timină (A = T, sau A/T = 1);
  3. conținutul de guanină este egal cu conținutul de citozină (G = C, sau G/C = 1);
  4. numărul de grupări 6-amino este egal cu numărul de grupări 6-ceto de baze conținute în ADN: G + T = A + C;
  5. este variabilă doar suma A + T și G + C. Dacă A + T > G-C, atunci acesta este tipul AT de ADN; dacă G+C > A+T, atunci acesta este tipul GC de ADN.

Aceste reguli indică faptul că la construirea ADN-ului trebuie să se respecte o corespondență (împerechere) destul de strictă nu a bazelor purinice și pirimidinice în general, ci în special a timinei cu adenină și a citozinei cu guanina.

Pe baza acestor reguli, în 1953, Watson și Crick au propus un model al structurii secundare a ADN-ului, numit dublu helix (Fig.).

Structura secundară a ADN-ului

Structura secundară a ADN-ului este un dublu helix, al cărui model a fost propus de D. Watson și F. Crick în 1953.

Condiții preliminare pentru crearea unui model ADN

Ca rezultat al analizelor inițiale, s-a crezut că ADN-ul de orice origine conține toate cele patru nucleotide în cantități molare egale. Cu toate acestea, în anii 1940, E. Chargaff și colegii săi, ca rezultat al analizei ADN-ului izolat dintr-o varietate de organisme, au arătat clar că acestea conțineau baze azotate în diferite rapoarte cantitative. Chargaff a descoperit că, deși aceste rapoarte sunt aceleași pentru ADN-ul din toate celulele aceleiași specii de organism, ADN-ul de la specii diferite poate diferi semnificativ în conținutul anumitor nucleotide. Acest lucru a sugerat că diferențele în raportul bazelor azotate pot fi asociate cu un fel de cod biologic. Deși raportul dintre bazele individuale de purină și pirimidină din diferite probe de ADN s-a dovedit a fi diferit, la compararea rezultatelor testului, a apărut un anumit model: în toate probele, numărul total de purine a fost egal cu numărul total de pirimidine (A + G = T + C), cantitatea de adenină a fost egală cu cantitatea de timină (A = T), iar cantitatea de guanină este cantitatea de citozină (G = C). ADN-ul izolat din celulele de mamifere a fost în general mai bogat în adenină și timină și relativ mai sărac în guanină și citozină, în timp ce ADN-ul din bacterii era mai bogat în guanină și citozină și relativ mai sărac în adenină și timină. Aceste date au format o parte importantă a materialului faptic pe baza căruia a fost construit ulterior modelul Watson-Crick al structurii ADN-ului.

O altă indicație indirectă importantă a posibilei structuri a ADN-ului a fost oferită de datele lui L. Pauling privind structura moleculelor de proteine. Pauling a arătat că sunt posibile mai multe configurații stabile diferite ale lanțului de aminoacizi într-o moleculă de proteină. O configurație comună a lanțului peptidic, α-helix, este o structură elicoidală obișnuită. Cu această structură, este posibilă formarea de legături de hidrogen între aminoacizii localizați pe turele adiacente ale lanțului. Pauling a descris configurația α-helidiană a lanțului polipeptidic în 1950 și a sugerat că moleculele de ADN au probabil o structură elicoidală menținută în loc de legături de hidrogen.

Cu toate acestea, cele mai valoroase informații despre structura moleculei de ADN au fost furnizate de rezultatele analizei de difracție cu raze X. Razele X care trec printr-un cristal de ADN sunt supuse difracției, adică sunt deviate în anumite direcții. Gradul și natura deflexiei razelor depind de structura moleculelor în sine. Un model de difracție de raze X (Fig. 3) oferă ochiului experimentat o serie de indicații indirecte cu privire la structura moleculelor substanței studiate. Analiza modelelor de difracție de raze X ale ADN-ului a condus la concluzia că bazele azotate (care au o formă plată) sunt aranjate ca un teanc de plăci. Modelele de difracție de raze X au relevat trei perioade principale în structura ADN-ului cristalin: 0,34, 2 și 3,4 nm.

Modelul ADN Watson-Crick

Pe baza datelor analitice ale lui Chargaff, a modelelor de raze X ale lui Wilkins și a cercetărilor chimiștilor care au furnizat informații despre distanțele precise dintre atomi dintr-o moleculă, unghiurile dintre legăturile unui anumit atom și dimensiunea atomilor, Watson și Crick a început să construiască modele fizice ale componentelor individuale ale moleculei de ADN la o anumită scară și să le „ajusteze” între ele în așa fel încât sistemul rezultat să corespundă diferitelor date experimentale. [spectacol] .

Se știa chiar mai devreme că nucleotidele învecinate dintr-un lanț de ADN sunt conectate prin punți fosfodiester, care leagă atomul de deoxiriboză de carbon de 5" al unei nucleotide cu atomul de deoxiriboză de carbon de 3" al următoarei nucleotide. Watson și Crick nu au avut nicio îndoială că perioada de 0,34 nm corespunde distanței dintre nucleotidele succesive din lanțul ADN. Mai mult, se poate presupune că perioada de 2 nm corespunde grosimii lanțului. Și pentru a explica ce structură reală îi corespunde perioada de 3,4 nm, Watson și Crick, precum și Pauling mai devreme, au sugerat că lanțul este răsucit sub forma unei spirale (sau, mai precis, formează o linie elicoidală, deoarece o spirală în sensul strict al acestor cuvinte se obțin atunci când bobinele formează o suprafață mai degrabă conică decât cilindrică în spațiu). Apoi, o perioadă de 3,4 nm va corespunde distanței dintre spirele succesive ale acestei spirale. O astfel de spirală poate fi foarte densă sau oarecum întinsă, adică turele sale pot fi plate sau abrupte. Deoarece perioada de 3,4 nm este exact de 10 ori distanța dintre nucleotide succesive (0,34 nm), este clar că fiecare tură completă a helixului conține 10 nucleotide. Din aceste date, Watson și Crick au reușit să calculeze densitatea unui lanț de polinucleotide răsucite într-o spirală cu un diametru de 2 nm, cu o distanță între spire de 3,4 nm. S-a dovedit că un astfel de lanț ar avea o densitate care era jumătate din densitatea reală a ADN-ului, care era deja cunoscută. A trebuit să presupun că molecula de ADN este formată din două lanțuri - că este o dublă spirală de nucleotide.

Următoarea sarcină a fost, desigur, să clarifice relațiile spațiale dintre cele două lanțuri care formează dubla helix. După ce au încercat o serie de opțiuni pentru aranjarea lanțurilor pe modelul lor fizic, Watson și Crick au descoperit că toate datele disponibile erau cel mai bine potrivite de opțiunea în care două elice de polinucleotide merg în direcții opuse; în acest caz, lanțurile formate din reziduuri de zahăr și fosfat formează suprafața dublei helix, iar purinele și pirimidinele sunt situate în interior. Bazele situate una vizavi de alta, aparținând a două lanțuri, sunt legate în perechi prin legături de hidrogen; Aceste legături de hidrogen sunt cele care țin lanțurile împreună, fixând astfel configurația generală a moleculei.

Helixul dublu al ADN-ului poate fi imaginat ca o scară de frânghie care este răsucită într-o manieră elicoidală, astfel încât treptele să rămână orizontale. Apoi cele două frânghii longitudinale vor corespunde lanțurilor de reziduuri de zahăr și fosfat, iar barele transversale vor corespunde perechilor de baze azotate legate prin legături de hidrogen.

Ca rezultat al studiului suplimentar al posibilelor modele, Watson și Crick au concluzionat că fiecare „bară transversală” ar trebui să fie compusă dintr-o purină și o pirimidină; la o perioadă de 2 nm (corespunzător cu diametrul dublei helix), nu ar fi suficient spațiu pentru două purine, iar cele două pirimidine nu ar putea fi suficient de apropiate una de cealaltă pentru a forma legături de hidrogen adecvate. Un studiu aprofundat al modelului detaliat a arătat că adenina și citozina, deși formează o combinație de o dimensiune adecvată, nu ar putea fi poziționate în așa fel încât să se formeze legături de hidrogen între ele. Rapoarte similare au forțat excluderea combinației guanină - timină, în timp ce combinațiile adenină - timină și guanină - citozină s-au dovedit a fi destul de acceptabile. Natura legăturilor de hidrogen este de așa natură încât adenina formează o pereche cu timina, iar guanina cu citozina. Această idee de împerechere a bazelor specifice a făcut posibilă explicarea „regula Chargaff”, conform căreia în orice moleculă de ADN cantitatea de adenină este întotdeauna egală cu conținutul de timină, iar cantitatea de guanină este întotdeauna egală cu cantitatea. de citozină. Se formează două legături de hidrogen între adenină și timină și trei între guanină și citozină. Datorită acestei specificități, formarea de legături de hidrogen împotriva fiecărei adenine dintr-un lanț determină formarea timinei pe celălalt; în același mod, numai citozina poate fi opusă fiecărei guanine. Astfel, lanțurile sunt complementare unele cu altele, adică secvența de nucleotide dintr-un lanț determină în mod unic secvența lor în celălalt. Cele două lanțuri se desfășoară în direcții opuse, iar grupările lor terminale de fosfat sunt la capetele opuse ale dublei helix.

Ca rezultat al cercetărilor lor, în 1953 Watson și Crick au propus un model al structurii moleculei de ADN (Fig. 3), care rămâne relevant până în prezent. Conform modelului, molecula de ADN este formată din două lanțuri de polinucleotide complementare. Fiecare catenă de ADN este o polinucleotidă formată din câteva zeci de mii de nucleotide. În ea, nucleotidele învecinate formează o coloană vertebrală obișnuită de pentoză-fosfat datorită conexiunii dintre un reziduu de acid fosforic și dezoxiriboză printr-o legătură covalentă puternică. Bazele azotate ale unui lanț polinucleotidic sunt aranjate într-o ordine strict definită opus bazelor azotate ale celeilalte. Alternarea bazelor azotate într-un lanț polinucleotidic este neregulată.

Dispunerea bazelor azotate în lanțul ADN este complementară (de la grecescul „complement” - adăugare), adică. Timina (T) este întotdeauna împotriva adeninei (A), iar numai citozina (C) este împotriva guaninei (G). Acest lucru se explică prin faptul că A și T, precum și G și C, corespund strict unul cu celălalt, adică. se completează reciproc. Această corespondență este determinată de structura chimică a bazelor, care permite formarea de legături de hidrogen în perechea purină și pirimidină. Există două conexiuni între A și T și trei între G și C. Aceste legături asigură stabilizarea parțială a moleculei de ADN în spațiu. Stabilitatea dublei helix este direct proporțională cu numărul de legături G≡C, care sunt mai stabile în comparație cu legăturile A=T.

Secvența cunoscută de aranjare a nucleotidelor într-un lanț de ADN face posibilă, conform principiului complementarității, stabilirea nucleotidelor altui lanț.

În plus, s-a stabilit că bazele azotate având o structură aromatică, în soluție apoasă sunt situate unul deasupra celuilalt, formând un teanc de monede. Acest proces de formare a stivelor de molecule organice se numește stivuire. Lanțurile polinucleotidice ale moleculei de ADN din modelul Watson-Crick luat în considerare au o stare fizico-chimică similară, bazele lor azotate sunt dispuse sub forma unui teanc de monede, între planurile cărora apar interacțiunile van der Waals (interacțiuni de stivuire).

Legăturile de hidrogen dintre bazele complementare (pe orizontală) și interacțiunile de stivuire între planurile bazelor dintr-un lanț polinucleotidic datorită forțelor van der Waals (vertical) oferă moleculei de ADN o stabilizare suplimentară în spațiu.

Coloana vertebrală de fosfat de zahăr a ambelor lanțuri este orientată spre exterior, iar bazele spre interior, una spre alta. Direcția lanțurilor în ADN este antiparalelă (unul dintre ele are o direcție de 5"->3", celălalt - 3"->5", adică capătul de 3" al unui lanț este situat vizavi de capătul de 5" al celălalt.). Lanțurile formează spirale drepte cu o axă comună. O rotație a helixului este de 10 nucleotide, dimensiunea spirei este de 3,4 nm, înălțimea fiecărei nucleotide este de 0,34 nm, diametrul helixului este de 2,0 nm. Ca rezultat al rotației unei catene în jurul alteia, se formează o canelură majoră (aproximativ 20 Å în diametru) și o canelură minoră (aproximativ 12 Å în diametru) a dublei helix ADN. Această formă a dublei helix Watson-Crick a fost numită mai târziu forma B. În celule, ADN-ul există de obicei în forma B, care este cea mai stabilă.

Funcțiile ADN-ului

Modelul propus a explicat multe proprietăți biologice ale acidului dezoxiribonucleic, inclusiv stocarea informațiilor genetice și diversitatea genelor oferite de o mare varietate de combinații secvențiale de 4 nucleotide și faptul existenței. cod genetic, capacitatea de auto-reproducere și transmitere a informațiilor genetice furnizate de procesul de replicare și implementarea informațiilor genetice sub formă de proteine, precum și orice alți compuși formați cu ajutorul proteinelor enzimatice.

Funcțiile de bază ale ADN-ului.

  1. ADN-ul este purtătorul de informații genetice, care este asigurată de faptul existenței unui cod genetic.
  2. Reproducerea și transmiterea informațiilor genetice între generații de celule și organisme. Această funcționalitate este oferită de procesul de replicare.
  3. Implementarea informațiilor genetice sub formă de proteine, precum și a oricăror alți compuși formați cu ajutorul proteinelor enzimatice. Această funcție este asigurată de procesele de transcriere și traducere.

Forme de organizare a ADN-ului dublu catenar

ADN-ul poate forma mai multe tipuri de elice duble (Fig. 4). În prezent, sunt deja cunoscute șase forme (de la A la E și forma Z).

Formele structurale ale ADN-ului, așa cum a stabilit Rosalind Franklin, depind de saturația cu apă a moleculei de acid nucleic. În studiile fibrelor ADN folosind analiza de difracție cu raze X, s-a arătat că modelul de raze X depinde radical de umiditatea relativă la ce grad de saturație cu apă a acestei fibre are loc experimentul. Dacă fibra a fost suficient de saturată cu apă, atunci s-a obținut o radiografie. Când s-a uscat, a apărut un model cu raze X complet diferit, foarte diferit de modelul cu raze X al fibrei cu umiditate ridicată.

Molecula de ADN cu umiditate ridicată se numește forma B. În condiții fiziologice (concentrație scăzută de sare, grad ridicat de hidratare), tipul structural dominant de ADN este forma B (forma principală a ADN-ului dublu catenar - modelul Watson-Crick). Pasul de helix al unei astfel de molecule este de 3,4 nm. Există 10 perechi complementare pe tură sub formă de stive răsucite de „monede” - baze azotate. Stivele sunt ținute împreună prin legături de hidrogen între două „monede” opuse ale stivelor și sunt „înfășurate” de două panglici de coloană vertebrală de fosfodiester răsucite într-o spirală dreaptă. Planurile bazelor azotate sunt perpendiculare pe axa helixului. Perechile complementare adiacente sunt rotite una față de alta cu 36°. Diametrul helixului este de 20 Å, nucleotida purinică ocupând 12 Å și nucleotida pirimidină 8Å.

Molecula de ADN cu umiditate inferioară se numește formă A. Forma A se formează în condiții de hidratare mai puțin ridicată și la un conținut mai mare de ioni Na + sau K +. Această conformație elicoială dreaptă mai largă are 11 perechi de baze pe tură. Planurile bazelor azotate au o înclinare mai puternică față de axa helix, sunt deviate de la normal la axa helix cu 20°. Aceasta implică prezența unui gol intern cu un diametru de 5Å. Distanța dintre nucleotidele adiacente este de 0,23 nm, lungimea virajului este de 2,5 nm, iar diametrul helixului este de 2,3 nm.

Forma A a ADN-ului a fost considerată inițial a fi mai puțin importantă. Cu toate acestea, mai târziu a devenit clar că forma A a ADN-ului, ca și forma B, are o semnificație biologică enormă. Helixul ARN-ADN din complexul șablon-primer are forma A, precum și helixul ARN-ARN și structurile ARN ac de păr (grupul 2’-hidroxil al ribozei împiedică moleculele de ARN să formeze forma B). Forma A a ADN-ului se găsește în spori. S-a stabilit că forma A a ADN-ului este de 10 ori mai rezistentă la razele UV decât forma B.

Forma A și forma B sunt numite forme canonice ale ADN-ului.

Formularele C-E tot dreptaci, formarea lor poate fi observată doar în experimente speciale și, aparent, nu există in vivo. Forma C a ADN-ului are o structură similară ADN-ului B. Numărul de perechi de baze pe tură este de 9,33, lungimea spirei elicei este de 3,1 nm. Perechile de baze sunt înclinate la un unghi de 8 grade față de poziția perpendiculară pe axă. Șanțurile sunt similare ca mărime cu șanțurile ADN-ului B. În acest caz, canelura principală este oarecum mai mică, iar canelura minoră este mai adâncă. Polinucleotidele ADN naturale și sintetice se pot transforma în forma C.

Tabelul 1. Caracteristicile unor tipuri de structuri ADN
Tip spirală A B Z
Pas în spirală 0,32 nm 3,38 nm 4,46 nm
Răsucire în spirală Dreapta Dreapta Stânga
Numărul de perechi de baze pe tură 11 10 12
Distanța dintre planurile de bază 0,256 nm0,338 nm0,371 nm
Conformația legăturii glicozidice antiantianti-C
cânta
Conformația inelului furanozei C3"-endoC2"-endoC3"-endo-G
C2"-endo-C
Lățimea canelurii, mică/mare 1,11/0,22 nm 0,57/1,17 nm0,2/0,88 nm
Adâncimea canelurii, mică/mare 0,26/1,30 nm 0,82/0,85 nm1,38/0,37 nm
Diametrul spiralei 2,3 nm 2,0 nm 1,8 nm

Elementele structurale ale ADN-ului
(structuri ADN non-canonice)

Elementele structurale ale ADN-ului includ structuri neobișnuite limitate de unele secvențe speciale:

  1. ADN-ul de formă Z – se formează în locurile ADN-ului de formă B, unde purinele alternează cu pirimidine sau în repetări care conțin citozină metilata.
  2. Palindromii sunt secvențe inversate, repetări inversate ale secvențelor de baze care au simetrie de ordinul doi în raport cu două catene de ADN și formează „agrafe” și „cruci”.
  3. Forma H a ADN-ului și triple elice ADN se formează atunci când există o secțiune care conține doar purine într-un lanț al unui duplex Watson-Crick normal și, respectiv, în al doilea lanț, pirimidine complementare acestora.
  4. G-quadruplex (G-4) este o spirală de ADN cu patru catene, în care 4 baze guanină din diferite lanțuri formează G-cvartete (G-tetrade), ținute împreună prin legături de hidrogen pentru a forma G-quadruplexuri.

ADN în formă de Z a fost descoperit în 1979 în timp ce studia hexanucleotida d(CG)3 -. A fost descoperit de profesorul MIT Alexander Rich și colegii săi. Forma Z a devenit unul dintre cele mai importante elemente structurale ale ADN-ului datorită faptului că formarea sa a fost observată în regiunile ADN unde purinele alternează cu pirimidine (de exemplu, 5'-GCGCGC-3'), sau în repetele 5. „-CGCGCG-3” care conține citozină metilata. O condiție esențială pentru formarea și stabilizarea ADN-ului Z a fost prezența nucleotidelor purinice în acesta în conformația syn, alternând cu baze pirimidinice în conformația anti.

Moleculele naturale de ADN există în principal în forma B pentru dreapta, cu excepția cazului în care conțin secvențe precum (CG)n. Cu toate acestea, dacă astfel de secvențe fac parte din ADN, atunci aceste secțiuni, atunci când puterea ionică a soluției sau cationii care neutralizează sarcina negativă pe cadrul fosfodiesterului se modifică, aceste secțiuni se pot transforma în forma Z, în timp ce alte secțiuni de ADN în lanțul rămâne în forma B clasică. Posibilitatea unei astfel de tranziții indică faptul că cele două catene din dubla helix ADN sunt într-o stare dinamică și se pot desfășura una față de cealaltă, trecând de la forma cu mâna dreaptă la cea cu mâna stângă și invers. Consecințele biologice ale unei astfel de labilitati, care permite transformări conformaționale ale structurii ADN, nu sunt încă pe deplin înțelese. Se crede că secțiunile Z-ADN joacă un anumit rol în reglarea expresiei anumitor gene și iau parte la recombinarea genetică.

Forma Z a ADN-ului este un dublu helix stânga în care coloana vertebrală fosfodiester este situată într-un model în zig-zag de-a lungul axei moleculei. De aici și numele moleculei (zigzag)-DNK. Z-DNA este cel mai puțin răsucit (12 perechi de baze pe tură) și cel mai subțire ADN cunoscut în natură. Distanța dintre nucleotidele adiacente este de 0,38 nm, lungimea virajului este de 4,56 nm și diametrul Z-ADN este de 1,8 nm. In afara de asta, aspect Această moleculă de ADN se distinge prin prezența unui canal.

Forma Z a ADN-ului a fost găsită în celulele procariote și eucariote. S-au obținut acum anticorpi care pot distinge forma Z de forma B a ADN-ului. Acești anticorpi se leagă de anumite regiuni ale cromozomilor giganți ai celulelor glandelor salivare ale Drosophila (Dr. melanogaster). Reacția de legare este ușor de monitorizat datorită structurii neobișnuite a acestor cromozomi, în care regiunile mai dense (discurile) contrastează cu regiunile mai puțin dense (interdiscuri). Regiunile Z-ADN sunt situate în interdiscuri. De aici rezultă că forma Z există de fapt în condiții naturale, deși dimensiunile secțiunilor individuale ale formei Z sunt încă necunoscute.

(invertoarele) sunt cele mai cunoscute și mai frecvente secvențe de baze din ADN. Un palindrom este un cuvânt sau o expresie care se citește la fel de la stânga la dreapta și invers. Exemple de astfel de cuvinte sau expresii sunt: ​​colibă, cazac, inundație și trandafir căzut pe laba lui AZOR. Când se aplică secțiunilor de ADN, acest termen (palindrom) înseamnă aceeași alternanță de nucleotide de-a lungul lanțului de la dreapta la stânga și de la stânga la dreapta (precum literele din cuvântul „colibă”, etc.).

Un palindrom este caracterizat prin prezența repetărilor inversate ale secvențelor de baze care au simetrie de ordinul doi în raport cu două catene de ADN. Astfel de secvențe, din motive evidente, sunt autocomplementare și tind să formeze structuri în ac de păr sau cruciforme (Fig.). Accele de păr ajută proteinele de reglementare să recunoască locul în care este copiat textul genetic al ADN-ului cromozomilor.

Când o repetare inversată este prezentă pe aceeași catenă de ADN, secvența se numește repetare în oglindă. Repetările oglinzilor nu au proprietăți de auto-complementaritate și, prin urmare, nu sunt capabile să formeze ac de păr sau structuri cruciforme. Secvențele de acest tip se găsesc în aproape toate moleculele mari de ADN și pot varia de la doar câteva perechi de baze la câteva mii de perechi de baze.

Prezența palindromilor sub formă de structuri cruciforme în celulele eucariote nu a fost dovedită, deși un anumit număr de structuri cruciforme au fost detectate in vivo în celulele E. coli. Prezența secvențelor auto-complementare în ARN sau ADN-ul monocatenar este principalul motiv pentru plierea lanțului de acid nucleic în soluții într-o anumită structură spațială, caracterizată prin formarea multor „agrafe de păr”.

ADN-ul de formă H este un helix format din trei catene de ADN - o triplă helix ADN. Este un complex al unui dublu helix Watson-Crick cu o a treia catenă de ADN monocatenar, care se încadrează în canelura sa majoră, formând așa-numita pereche Hoogsteen.

Formarea unui astfel de triplex are loc ca urmare a plierii unui dublu helix ADN în așa fel încât jumătate din secțiunea sa să rămână sub forma unui dublu helix, iar cealaltă jumătate este separată. În acest caz, unul dintre elicele deconectate formează o nouă structură cu prima jumătate a helixului dublu - o helix triplă, iar a doua se dovedește a fi nestructurată, sub forma unei secțiuni monocatenare. O caracteristică a acestei tranziții structurale este dependența sa puternică de pH-ul mediului, ai cărui protoni stabilizează noua structură. Datorită acestei caracteristici noua structura a fost numită forma H a ADN-ului, a cărei formare a fost descoperită în plasmide supercoilate care conțin regiuni homopurină-homopirimidină, care sunt o repetiție în oglindă.

În studii ulterioare, s-a stabilit că este posibil să se efectueze o tranziție structurală a unor polinucleotide dublu catenare homopurină-homopirimidină cu formarea unei structuri tricatenar care conține:

  • o catenă de homopurină și două de homopirimidină ( Triplex Py-Pu-Py) [Interacțiunea Hoogsteen].

    Blocurile constitutive ale triplexului Py-Pu-Py sunt triadele izomorfe canonice CGC+ și TAT. Stabilizarea triplexului necesită protonarea triadei CGC+, astfel încât aceste triplexuri depind de pH-ul soluției.

  • o catenă de homopirimidină și două catene de homopurină ( Triplex Py-Pu-Pu) [interacțiune inversă Hoogsteen].

    Blocurile constitutive ale triplexului Py-Pu-Pu sunt triadele CGG și TAA izomorfe canonice. O proprietate esențială a triplexurilor Py-Pu-Pu este dependența stabilității lor de prezența ionilor dublu încărcați și sunt necesari diferiți ioni pentru a stabiliza triplexurile cu secvențe diferite. Deoarece formarea triplexurilor Py-Pu-Pu nu necesită protonarea nucleotidelor lor constitutive, astfel de triplexuri pot exista la pH neutru.

    Notă: interacțiunile directe și inverse Hoogsteen sunt explicate prin simetria 1-metiltiminei: o rotație de 180° are ca rezultat ca atomul de O2 să ia locul atomului de O4, în timp ce sistemul de legături de hidrogen este păstrat.

Sunt cunoscute două tipuri de elice triple:

  1. elice triple paralele în care polaritatea celei de-a treia catena coincide cu polaritatea lanțului homopurin al duplexului Watson-Crick
  2. elice triple antiparalele, în care polaritățile lanțurilor trei și homopurinei sunt opuse.
Lanțurile omoloage din punct de vedere chimic în ambele triplexuri Py-Pu-Pu și Py-Pu-Py sunt în orientare antiparalelă. Acest lucru a fost confirmat în continuare de datele spectroscopiei RMN.

G-quadruplex- ADN cu 4 catene. Această structură se formează dacă există patru guanine, care formează așa-numitul G-quadruplex - un dans rotund de patru guanine.

Primele indicii despre posibilitatea formării unor astfel de structuri au fost primite cu mult înainte de lucrarea inovatoare a lui Watson și Crick - în 1910. Atunci chimistul german Ivar Bang a descoperit că una dintre componentele ADN-ului - acidul guanozinic - formează geluri în concentrații mari, în timp ce alte componente ale ADN-ului nu au această proprietate.

În 1962, folosind metoda difracției cu raze X, a fost posibilă stabilirea structurii celulare a acestui gel. S-a dovedit a fi compus din patru resturi de guanină, conectându-se între ele într-un cerc și formând un pătrat caracteristic. În centru, legătura este susținută de un ion metalic (Na, K, Mg). Aceleași structuri se pot forma în ADN dacă acesta conține multă guanină. Aceste pătrate plate (cvartete G) sunt stivuite pentru a forma structuri dense, destul de stabile (cvadruplexuri G).

Patru catene separate de ADN pot fi țesute în complexe cu patru catene, dar aceasta este mai degrabă o excepție. Mai des, o singură catenă de acid nucleic este pur și simplu legată într-un nod, formând îngroșări caracteristice (de exemplu, la capetele cromozomilor), sau ADN-ul dublu catenar la o regiune bogată în guanină formează un cvadruplex local.

Cel mai mult a fost studiată existența cvadruplexurilor la capetele cromozomilor - la telomeri și în promotorii tumorali. Cu toate acestea, există încă o înțelegere completă a localizării unui astfel de ADN în cromozomi umani necunoscut.

Toate aceste structuri ADN neobișnuite în formă liniară sunt instabile în comparație cu ADN-ul din forma B. Cu toate acestea, ADN-ul există adesea într-o formă circulară de tensiune topologică atunci când are ceea ce se numește supercoiling. În aceste condiții, structurile ADN non-canonice se formează cu ușurință: forme Z, „încrucișări” și „acute de păr”, forme H, cvadruplexuri de guanină și i-motiv.

  • Forma supercoiled - observată atunci când este eliberată din nucleul celulei fără a deteriora coloana vertebrală de pentoză fosfat. Are forma unor inele inchise super-rasucite. În starea supercoiled, spirala dublă a ADN-ului este „răsucită pe sine” cel puțin o dată, adică conține cel puțin o superturn (ia forma unei cifre opt).
  • Starea relaxată a ADN-ului - observată cu o singură rupere (ruperea unei catene). În acest caz, superbobinele dispar și ADN-ul ia forma unui inel închis.
  • Forma liniară a ADN-ului se observă atunci când două catene dintr-o dublă helix sunt rupte.
Toate aceste trei forme de ADN sunt ușor separate prin electroforeză pe gel.

Structura terțiară a ADN-ului

Structura terțiară a ADN-ului se formează ca urmare a răsucirii suplimentare în spațiu a unei molecule cu dublu elicoidal - supraînfăşurarea acesteia. Suprarularea moleculei de ADN din celulele eucariote, spre deosebire de procariote, are loc sub formă de complexe cu proteine.

Aproape tot ADN-ul eucariotelor este localizat în cromozomii nucleelor, dar nu un numar mare de este continut in mitocondrii, iar in plante, in plastide. Substanța principală a cromozomilor celulelor eucariote (inclusiv cromozomii umani) este cromatina, constând din ADN dublu catenar, proteine ​​histone și non-histone.

Proteinele cromatinei histonă

Histonele sunt proteine ​​simple care alcătuiesc până la 50% din cromatină. În toate celulele animale și vegetale studiate, s-au găsit cinci clase principale de histone: H1, H2A, H2B, H3, H4, care diferă ca mărime, compoziție de aminoacizi și sarcină (întotdeauna pozitivă).

Histona H1 de mamifer constă dintr-un singur lanț polipeptidic care conține aproximativ 215 aminoacizi; dimensiunile altor histone variază de la 100 la 135 de aminoacizi. Toate sunt spiralate și răsucite într-un glob cu un diametru de aproximativ 2,5 nm și conțin o cantitate neobișnuit de mare de aminoacizi încărcați pozitiv lizină și arginină. Histonele pot fi acetilate, metilate, fosforilate, poli(ADP)-ribozilate, iar histonele H2A și H2B sunt legate covalent de ubiquitină. Rolul unor astfel de modificări în formarea structurii și îndeplinirea funcțiilor de către histone nu a fost încă pe deplin elucidat. Se presupune că aceasta este capacitatea lor de a interacționa cu ADN-ul și de a oferi unul dintre mecanismele de reglare a acțiunii genelor.

Histonele interacționează cu ADN-ul în principal prin legături ionice(punți de sare) formate între grupările fosfat încărcate negativ ale ADN-ului și reziduurile de lizină și arginină încărcate pozitiv ale histonelor.

Proteine ​​cromatine non-histone

Proteinele non-histone, spre deosebire de histonele, sunt foarte diverse. Au fost izolate până la 590 de fracții diferite de proteine ​​non-histone care leagă ADN-ul. Ele sunt numite și proteine ​​acide, deoarece structura lor este dominată de aminoacizi acizi (sunt polianioni). Diversitatea proteinelor non-histone este asociată cu reglarea specifică a activității cromatinei. De exemplu, enzimele necesare pentru replicarea și exprimarea ADN-ului se pot lega tranzitoriu de cromatină. Alte proteine, să zicem, cele implicate în diferite procese de reglare, se leagă de ADN doar în țesuturi specifice sau în anumite stadii de diferențiere. Fiecare proteină este complementară unei secvențe specifice de nucleotide ADN (site ADN). Acest grup include:

  • familia de proteine ​​deget de zinc specifice locului. Fiecare „deget de zinc” recunoaște un loc specific format din 5 perechi de nucleotide.
  • familia de proteine ​​site-specifice – homodimeri. Fragmentul unei astfel de proteine ​​în contact cu ADN-ul are o structură helix-turn-helix.
  • proteinele gel cu mobilitate ridicată (proteine ​​HMG) sunt un grup de proteine ​​structurale și reglatoare care sunt asociate în mod constant cu cromatina. Au o greutate moleculară mai mică de 30 kDa și se caracterizează printr-un conținut ridicat de aminoacizi încărcați. Datorită greutății lor moleculare scăzute, proteinele HMG au o mobilitate ridicată în timpul electroforezei pe gel de poliacrilamidă.
  • enzime de replicare, transcriere și reparare.

Cu participarea proteinelor structurale, reglatoare și a enzimelor implicate în sinteza ADN și ARN, firul nucleozomului este transformat într-un complex foarte condensat de proteine ​​și ADN. Structura rezultată este de 10.000 de ori mai scurtă decât molecula originală de ADN.

Cromatina

Cromatina este un complex de proteine ​​cu ADN nuclear și substanțe anorganice. Cea mai mare parte a cromatinei este inactivă. Conține ADN strâns, condensat. Aceasta este heterocromatina. Există cromatina constitutivă, genetic inactivă (ADN satelit) constând din regiuni neexprimate și facultative - inactive într-un număr de generații, dar în anumite circumstanțe capabile de exprimare.

Cromatina activă (eucromatina) este necondensată, adică. împachetate mai puțin strâns. În diferite celule, conținutul său variază de la 2 la 11%. În celulele creierului este cel mai abundent - 10-11%, în celulele hepatice - 3-4 și celulele renale - 2-3%. Se notează transcripția activă a eucromatinei. În același timp, a lui organizarea structurală vă permite să utilizați același lucru informatii genetice ADN-ul specific unui anumit tip de organism se găsește diferit în celulele specializate.

Într-un microscop electronic, imaginea cromatinei seamănă cu mărgele: îngroșări sferice de aproximativ 10 nm, separate prin punți sub formă de fire. Aceste îngroșări sferice se numesc nucleozomi. Nucleozomul este o unitate structurală a cromatinei. Fiecare nucleozom conține un segment de ADN supercoilat de 146 bp pentru a forma 1,75 ture la stânga per miez nucleozomal. Miezul nucleozomal este un octamer de histonă format din histone H2A, H2B, H3 și H4, două molecule de fiecare tip (Fig. 9), care arată ca un disc cu un diametru de 11 nm și o grosime de 5,7 nm. A cincea histonă, H1, nu face parte din miezul nucleozomal și nu este implicată în procesul de înfășurare a ADN-ului pe octamerul histonei. Intră în contact cu ADN-ul în locurile în care dublu helix intră și iese din miezul nucleozomal. Acestea sunt secțiuni de ADN intercore (linker), a căror lungime variază în funcție de tipul de celulă de la 40 la 50 de perechi de nucleotide. Ca urmare, lungimea fragmentului de ADN inclus în nucleozomi variază de asemenea (de la 186 la 196 de perechi de nucleotide).

Nucleozomii conțin aproximativ 90% ADN, restul fiind linkeri. Se crede că nucleozomii sunt fragmente de cromatină „tăcută”, iar linkerul este activ. Cu toate acestea, nucleozomii se pot desfășura și deveni liniari. Nucleozomii desfășurați sunt deja cromatina activă. Acest lucru demonstrează în mod clar dependența funcției de structură. Se poate presupune că, cu cât este conținută mai multă cromatină în nucleozomii globulari, cu atât este mai puțin activă. Evident, în diferite celule proporția inegală a cromatinei în repaus este asociată cu numărul de astfel de nucleozomi.

În fotografiile cu microscop electronic, în funcție de condițiile de izolare și de gradul de întindere, cromatina poate arăta nu numai ca un fir lung cu îngroșări - „mărgele” de nucleozomi, ci și ca o fibrilă (fibră) mai scurtă și mai densă, cu un diametru de 30 nm, a cărei formare este observată în timpul interacțiunii histonei H1 legate de regiunea linker a ADN-ului și histonei H3, ceea ce duce la răsucirea suplimentară a helixului a șase nucleozomi pe tură pentru a forma un solenoid cu un diametru de 30 nm. În acest caz, proteina histonă poate interfera cu transcripția unui număr de gene și, astfel, poate regla activitatea acestora.

Ca urmare a interacțiunilor ADN-ului cu histonele descrise mai sus, un segment dintr-un dublu helix ADN de 186 de perechi de baze cu un diametru mediu de 2 nm și o lungime de 57 nm este transformat într-o spirală cu un diametru de 10 nm și o lungime de 5 nm. Când această spirală este ulterior comprimată într-o fibră cu un diametru de 30 nm, gradul de condensare crește de încă șase ori.

În cele din urmă, ambalarea unui duplex de ADN cu cinci histone are ca rezultat o condensare de 50 de ori a ADN-ului. Cu toate acestea, chiar și un grad atât de ridicat de condensare nu poate explica compactarea de aproape 50.000 - 100.000 de ori a ADN-ului în cromozomul metafază. Din păcate, detaliile privind ambalarea ulterioară a cromatinei până la cromozomul metafază nu sunt încă cunoscute, așa că putem lua în considerare doar caracteristici generale acest proces.

Nivelurile de compactare a ADN-ului în cromozomi

Fiecare moleculă de ADN este ambalată într-un cromozom separat. Celulele diploide umane conțin 46 de cromozomi, care sunt localizați în nucleul celulei. lungime totală ADN-ul tuturor cromozomilor dintr-o celulă este de 1,74 m, dar diametrul nucleului în care sunt împachetati cromozomii este de milioane de ori mai mic. O astfel de ambalare compactă a ADN-ului în cromozomi și cromozomi în nucleul celulei este asigurată de o varietate de proteine ​​histonice și non-histone care interacționează într-o anumită secvență cu ADN-ul (vezi mai sus). Compactarea ADN-ului în cromozomi face posibilă reducerea dimensiunilor sale liniare de aproximativ 10.000 de ori - aproximativ de la 5 cm la 5 microni. Există mai multe niveluri de compactare (Fig. 10).

  • Elica dublă ADN este o moleculă încărcată negativ cu un diametru de 2 nm și o lungime de câțiva cm.
  • nivelul nucleozomilor- cromatina arată într-un microscop electronic ca un lanț de „mărgele” - nucleozomi - „pe un fir”. Nucleozomul este o unitate structurală universală care se găsește atât în ​​eucromatină, cât și în heterocromatină, în nucleul interfazic și în cromozomii metafazici.

    Nivelul de compactare nucleozomal este asigurat de proteine ​​speciale - histone. Opt domenii de histonă încărcate pozitiv formează miezul nucleozomului în jurul căruia este înfășurată o moleculă de ADN încărcată negativ. Acest lucru dă o scurtare de 7 ori, în timp ce diametrul crește de la 2 la 11 nm.

  • nivelul solenoidului

    Nivelul solenoidului de organizare a cromozomilor se caracterizează prin răsucirea filamentului nucleozomului și formarea de fibrile mai groase cu diametrul de 20-35 nm - solenoizi sau superbid. Pasul solenoidului este de 11 nm; există aproximativ 6-10 nucleozomi pe tură. Împachetarea solenoidului este considerată mai probabilă decât împachetarea superbid, conform căreia o fibrilă de cromatină cu un diametru de 20-35 nm este un lanț de granule, sau superbid, fiecare dintre ele constând din opt nucleozomi. La nivelul solenoidului, dimensiunea liniară a ADN-ului este redusă de 6-10 ori, diametrul crește la 30 nm.

  • nivelul buclei

    Nivelul buclei este furnizat de proteine ​​care leagă ADN-ul non-specifice ale site-ului histonelor care recunosc și se leagă la secvențe specifice de ADN, formând bucle de aproximativ 30-300 kb. Bucla asigură expresia genei, adică bucla nu este doar o formațiune structurală, ci și funcțională. Scurtarea la acest nivel are loc de 20-30 de ori. Diametrul crește la 300 nm. Structurile în formă de buclă, cum ar fi „periile lămpii” în ovocitele de amfibieni pot fi observate în preparatele citologice. Aceste bucle par a fi supraînfăşurate şi reprezintă domenii ADN, probabil corespunzătoare unităţilor de transcripţie şi replicare a cromatinei. Proteinele specifice fixează bazele buclelor și, eventual, unele dintre secțiunile lor interne. Organizarea domeniului în formă de buclă promovează plierea cromatinei în cromozomii de metafază în structuri elicoidale de ordine superioare.

  • nivel de domeniu

    Nivelul domeniului de organizare a cromozomilor nu a fost studiat suficient. La acest nivel se remarcă formarea domeniilor bucle - structuri de fire (fibrile) groase de 25-30 nm, care conțin 60% proteine, 35% ADN și 5% ARN, sunt practic invizibile în toate fazele ciclului celular cu cu excepția mitozei și sunt oarecum distribuite aleatoriu în nucleul celular. Structurile în formă de buclă, cum ar fi „periile lămpii” în ovocitele de amfibieni pot fi observate în preparatele citologice.

    Domeniile buclei sunt atașate la baza lor la matricea proteică intranucleară în așa-numitele site-uri de atașare încorporate, adesea denumite secvențe MAR/SAR (MAR, din regiunea asociată matricei engleze; SAR, din regiunile de atașare a schelei engleze) - fragmente de ADN de câteva sute de perechi de baze de lungime care se caracterizează printr-un conținut ridicat (>65%) de perechi de nucleotide A/T. Fiecare domeniu pare să aibă o singură origine de replicare și funcționează ca o unitate superhelical autonomă. Orice domeniu de buclă conține multe unități de transcripție, a căror funcționare este probabil coordonată - întregul domeniu este fie într-o stare activă, fie într-o stare inactivă.

    La nivel de domeniu, ca urmare a ambalării secvenţiale a cromatinei, apare o scădere a dimensiunilor liniare ale ADN-ului de aproximativ 200 de ori (700 nm).

  • nivel cromozomial

    La nivel cromozomial, condensarea cromozomului profază într-un cromozom metafază are loc cu compactarea domeniilor buclei în jurul cadrului axial al proteinelor non-histone. Această supraînfăşurare este însoţită de fosforilarea tuturor moleculelor H1 din celulă. Ca rezultat, cromozomul metafază poate fi descris ca bucle de solenoide dens împachetate, înfăşurate într-o spirală strânsă. Un cromozom uman tipic poate conține până la 2.600 de bucle. Grosimea unei astfel de structuri ajunge la 1400 nm (două cromatide), iar molecula de ADN este scurtată de 104 ori, adică. de la 5 cm ADN întins la 5 µm.

Funcțiile cromozomilor

În interacțiune cu mecanismele extracromozomiale, cromozomii furnizează

  1. stocarea informațiilor ereditare
  2. folosind aceste informații pentru a crea și menține organizarea celulară
  3. reglementarea citirii informațiilor ereditare
  4. autoduplicarea materialului genetic
  5. transfer de material genetic de la celula mamă la celulele fiice.

Există dovezi că atunci când o regiune a cromatinei este activată, i.e. în timpul transcripției, mai întâi histona H1 și apoi octetul histonelor sunt îndepărtate reversibil din ea. Aceasta determină decondensarea cromatinei, tranziția secvenţială a unei fibrile de cromatina de 30 nm într-o fibrilă de 10 nm și desfăşurarea ei ulterioară în secțiuni de ADN liber, de exemplu. pierderea structurii nucleozomilor.

O moleculă de ADN este o polinucleotidă ale cărei unități monomerice sunt patru dezoxiribonucleotide (dAMP, dGMP, dCMP și dTMP). Raportul nucleotidelor din ADN-ul diferitelor organisme este diferit. Pe lângă bazele azotate majore, ADN-ul conține și alte dezoxiribonucleotide cu baze minore: 5-metilcitozină, 5-hidroximetilcitozină, 6-metilaminopurină.

După ce a devenit posibilă utilizarea metodei cristalografiei cu raze X pentru a studia macromoleculele biologice și a obține modele perfecte de raze X, a fost posibilă elucidarea structurii moleculare a ADN-ului. Această metodă se bazează pe faptul că un pachet de paralele raze X caderea pe un grup cristalin de atomi formează un model de difracție, care depinde în principal de masa atomică a acestor atomi și de locația lor în spațiu. În anii 40 ai secolului trecut, a fost prezentată o teorie despre structura tridimensională a moleculei de ADN. W. Astbury a demonstrat că este o stivă de nucleotide plate suprapuse una peste alta.

Structura primară a unei molecule de ADN

Structura primară a acizilor nucleici se referă la secvența de aranjare a nucleotidelor în lanțul polinucleotidic al ADN-ului. Nucleotidele sunt legate între ele folosind legături fosfodiester, care se formează între gruparea OH la poziția 5 a dezoxiribozei unei nucleotide și gruparea OH la poziția 3 a pentozei alteia.

Proprietățile biologice ale acizilor nucleici sunt determinate de raportul calitativ și secvența nucleotidelor de-a lungul lanțului polinucleotid.

Compoziția de nucleotide a ADN-ului în diferite organisme este specifică și este determinată de raportul (G + C)/(A + T). Utilizând coeficientul de specificitate, a fost determinat gradul de eterogenitate al compoziției nucleotidice a ADN-ului în organisme de diferite origini. Astfel, la plantele și animalele superioare raportul (G+C)/(A+T) fluctuează ușor și are o valoare mai mare de 1. Pentru microorganisme, coeficientul de specificitate variază foarte mult - de la 0,35 la 2,70. În același timp, aceasta specii biologice conțin ADN din aceeași compoziție de nucleotide, adică putem spune că în ceea ce privește conținutul perechilor de baze GC, ADN-ul aceleiași specii este identic.

Determinarea eterogenității compoziției nucleotidice a ADN-ului prin coeficientul de specificitate nu oferă încă informații despre acesta. proprietăți biologice. Acesta din urmă se datorează secvenței diferite a regiunilor nucleotidice individuale din lanțul polinucleotidic. Aceasta înseamnă că informația genetică din moleculele de ADN este codificată într-o secvență specifică a unităților sale monomerice.

Molecula de ADN conține secvențe de nucleotide menite să inițieze și să încheie procesele de sinteză a sintezei ARN (transcripție), (traducere). Există secvențe de nucleotide care servesc la legarea unor molecule specifice de reglare activatoare și inhibitoare, precum și secvențe de nucleotide care nu poartă nicio informație genetică. Există și regiuni modificate care protejează molecula de acțiunea nucleazelor.

Problema secvenței de nucleotide ADN nu a fost încă rezolvată complet. Determinarea secvenței de nucleotide a acizilor nucleici este o procedură care necesită multă muncă, care implică utilizarea unei metode de scindare nuclează specifică a moleculelor în fragmente separate. Până în prezent, secvența completă de nucleotide a bazelor azotate a fost stabilită pentru majoritatea ARNt-urilor de diferite origini.

Molecula de ADN: structura secundara

Watson și Crick au conceput modelul cu dublă helix, conform acestui model, două lanțuri de polinucleotide se înfășoară unul în jurul celuilalt, formând un fel de helix.

Bazele azotate din ele sunt situate în interiorul structurii, iar scheletul fosfodiester este în exterior.

Molecula de ADN: structură terțiară

ADN-ul liniar dintr-o celulă are forma unei molecule alungite; este ambalat într-o structură compactă și ocupă doar 1/5 din volumul celulei. De exemplu, lungimea ADN-ului unui cromozom uman ajunge la 8 cm și este ambalat astfel încât să se potrivească într-un cromozom cu o lungime de 5 nm. Acest aranjament este posibil datorită prezenței structurilor ADN elicoidale. De aici rezultă că helixul ADN dublu catenar din spațiu poate fi pliat în continuare într-o anumită structură terțiară - un superhelix. Conformația superhelicală a ADN-ului este caracteristică cromozomilor organismelor superioare. O astfel de structură terțiară este stabilizată de resturile de aminoacizi care alcătuiesc proteinele care formează complexul nucleoproteic (cromatina). În consecință, ADN-ul este asociat cu proteine ​​de natură în principal bazică - histone, precum și proteine ​​acide și fosfoproteine.

Auto-reproducerea materialului genetic. Replicare.

Principii de înregistrare a informațiilor genetice. Codul genetic și proprietățile acestuia.

Cod genetic- o metodă caracteristică tuturor organismelor vii de codificare a secvenței de aminoacizi a proteinelor folosind o secvență de nucleotide. Pentru a construi proteine ​​în natură, sunt utilizați 20 de aminoacizi diferiți. Fiecare proteină este un lanț sau mai multe lanțuri într-o secvență strict definită. Această secvență determină structura proteinei și, în consecință, proprietățile acesteia. Setul de aminoacizi este universal pentru aproape toate organismele vii.

Proprietățile genei. cod:

Triplety - o combinație de 3 nucleotide

Continuitate - nu există punctuație între tripleți, adică. informatiile sunt citite continuu

Nesuprapunere - aceeași nucleotidă nu poate face parte simultan din mai multe triplete

Specificitatea - un anumit codon îi corespunde doar 1 aminoacid

Degenerare - mai mulți codoni pot corespunde aceluiași aminoacid

Universalitate - codul genetic funcționează la fel în organismele cu diferite niveluri de complexitate

Imunitate la zgomot

În timpul procesului de replicare a materialului genetic, legăturile de hidrogen dintre bazele azotate sunt rupte și din dublu helix se formează două catene de ADN. Fiecare dintre ele devine un șablon pentru sinteza unei alte catene complementare de ADN. Acesta din urmă, printr-o legătură de hidrogen, se conectează la ADN-ul șablon. Deci, orice moleculă de ADN fiică constă dintr-un lanț polinucleotidic vechi și unul nou. Ca rezultat, celulele fiice primesc aceeași informație genetică ca și celulele părinte. Menținerea acestei situații este asigurată de mecanismul de autocorecție realizat de ADN polimeraza. Capacitatea materialului genetic, ADN, de a se reproduce singur (replicare) stă la baza reproducerii organismelor vii, transmiterii proprietăților ereditare din generație în generație și dezvoltării unui organism multicelular dintr-un zigot.

Modificări neajustate structura chimica genele care se reproduc în cicluri succesive de replicare și apar la descendenți sub formă de noi variante de caractere se numesc mutații genetice.

Modificările în structura ADN-ului pot fi împărțite în 3 grupe: 1. Înlocuirea unor baze cu altele.

2. deplasarea cadrului de citire când se modifică numărul de perechi de nucleotide din genă.

3. modificarea ordinii secvenţelor de nucleotide în cadrul unei gene.

1. Înlocuirea unor baze cu altele. Poate apărea accidental sau sub influența unor agenți chimici specifici. Dacă forma schimbată a bazei trece neobservată în timpul reparației, atunci în timpul următorului ciclu de replicare se poate atașa o altă nucleotidă.



Un alt motiv poate fi includerea eronată în lanțul de ADN sintetizat a unei nucleotide care poartă o formă modificată a bazei sau a analogului acesteia. Dacă această eroare rămâne nedetectată în timpul reparației, atunci baza modificată este inclusă în procesul de replicare, ceea ce duce la înlocuirea unei perechi cu alta.

Ca rezultat, se formează un nou triplet în ADN. Dacă acest triplet codifică același aminoacid, atunci modificările nu vor afecta structura peptidei (degenerarea codului genetic). Dacă tripletul nou apărut codifică un aminoacid diferit, structura lanțului peptidic și proprietățile proteinei se modifică.

2. deplasarea cadrului de citire. Aceste mutații apar din cauza pierderii (deleției) sau inserției uneia sau mai multor perechi de nucleotide complementare în secvența de nucleotide ADN. Motivul poate fi efectul asupra materialului genetic al anumitor substanțe chimice(compuși de acridină). Număr mare mutațiile apar datorită includerii elementelor genetice mobile – transpozoni – în ADN. Erorile în timpul recombinării din cauza trecerii intragenice inegale pot fi, de asemenea, cauza.

Cu astfel de mutații, sensul informațiilor biologice înregistrate în acest ADN se schimbă.

3. modificarea ordinii secvențelor de nucleotide. Acest tip de mutație apare datorită unei secțiuni ADN care se rotește cu 180ᵒ (inversie). Acest lucru se întâmplă deoarece molecula de ADN formează o buclă în care replicarea se desfășoară în direcția greșită. În regiunea inversată, citirea informațiilor este perturbată și secvența de aminoacizi a proteinei este perturbată.

Cauze:-încrucișarea inegală între cromozomii omologi

Încrucișarea intracromozomială

Se rupe cromozomul

Rupere urmate de unirea elementelor cromozomiale

Copierea unei gene și transferarea acesteia într-o altă parte a cromozomului

Molecule de acid nucleic Toate tipurile de organisme vii sunt polimeri lungi, neramificati ai mononucleotidelor. Rolul unei punți între nucleotide este îndeplinit de o legătură 3", 5"-fosfodiester, conectând 5"-fosfatul unei nucleotide și restul 3"-hidroxil al ribozei (sau dezoxiribozei) al următoarei. În acest sens, lanțul polinucleotidic se dovedește a fi polar. Gruparea 5"-fosfat rămâne liberă la un capăt și gruparea 3"-OH la celălalt.

ADN-ul este ca proteinele, are structuri primare, secundare și terțiare.

Structura primară a ADN-ului . Această structură definește informația codificată în ea, reprezentând o secvență de dezoxiribonucleotide alternante într-un lanț polinucleotidic.

O moleculă de ADN este formată din două spirale având aceeași axă și direcții opuse. Coloana vertebrală zahăr-fosfat este situată la periferia dublei helix, iar bazele azotate sunt situate în interior. Scheletul contine legături covalente fosfodiester, iar ambele elice sunt conectate între baze legături de hidrogen și interacțiuni hidrofobe.

Aceste conexiuni au fost descoperite și studiate pentru prima dată de E. Chargaff în 1945 și au fost numite principiul complementaritatii, iar caracteristicile formării legăturilor de hidrogen între baze se numesc Regulile lui Chargaff:

  • o bază purinică se leagă întotdeauna de o bază pirimidină: adenină - la timină (A®T), guanină - la citozină (G®C);
  • raportul molar dintre adenină la timină și guanină la citozină este 1 (A=T, sau A/T=1 și G=C, sau G/C=1);
  • suma resturilor A și G este egală cu suma resturilor T și C, adică. A+G=T+C;
  • în ADN izolat din diferite surse, raportul (G+C)/(A+T), numit coeficient de specificitate, nu este același.

Regulile lui Chargaff se bazează pe faptul că adenina formează două legături cu timina, iar guanina formează trei legături cu citozina:

Pe baza regulilor lui Chargaff, ne putem imagina structura dublu catenară a ADN-ului, care este prezentată în figură.

A-forma B-forma

A-adenina, G-guanina, C-citozina, T-timina

Reprezentarea schematică a unei duble helix

molecule de ADN

Structura secundară a ADN-ului . În conformitate cu modelul propus în 1953 de J. Watson și F. Crick, structura secundară a ADN-ului este helix dreptaci dublu catenar din lanțuri polinucleotidice antiparalele complementare între ele.

Pentru structura secundară a ADN-ului, două caracteristici structurale ale bazelor azotate ale nucleotidelor sunt decisive. Prima este prezența grupărilor capabile să formeze legături de hidrogen. A doua caracteristică este că perechile de complementare bazele A-Tși G-C se dovedesc a fi identice nu numai ca dimensiune, ci și ca formă.

Datorită capacității nucleotidelor de a se pereche, se formează o structură dublu catenară rigidă, bine stabilizată. Elementele principale și caracteristicile parametrice ale unei astfel de structuri sunt descrise clar în figură.

Pe baza unei analize amănunțite a modelelor de difracție de raze X ale ADN-ului izolat, s-a stabilit că dubla helix ADN poate exista sub mai multe forme (A, B, C, Z etc.). Aceste forme de ADN diferă prin diametrul și pasul helixului, numărul de perechi de baze într-o tură și unghiul de înclinare al planului bazelor față de axa moleculei.


Structura terțiară a ADN-ului. În toate organismele vii, moleculele de ADN dublu catenar sunt strâns împachetate pentru a se forma structuri tridimensionale complexe. Se formează ADN procariot dublu catenar, având o formă circulară închisă covalent stânga (-) superbobine. Structura terţiară a ADN-ului din celulele eucariote se formează şi prin supraînfăşurare, dar nu a ADN-ului liber, ci a complexelor acestuia cu proteinele cromozomiale (proteine ​​histone din clasele H1, H2, H3, H4 şi H5).


În organizarea spațială a cromozomilor se pot distinge mai multe niveluri. Primul nivel– nucleozomal. Ca urmare a organizării nucleozomale a cromatinei, o dublă helix ADN cu diametrul de 2 nm capătă un diametru de 10-11 nm și se scurtează de aproximativ 7 ori.

Al doilea nivel Organizarea spațială a cromozomilor este formarea unei fibrile de cromatină cu diametrul de 20-30 nm din firul nucleozomal (o scădere a dimensiunilor liniare ale ADN-ului de încă 6-7 ori).

Nivel terțiar organizarea cromozomilor se datorează plierii fibrilei de cromatină în bucle. Proteinele non-histone iau parte la formarea buclelor. Secțiunea de ADN corespunzătoare unei bucle conține de la 20.000 la 80.000 de perechi de nucleotide. Ca urmare a unui astfel de ambalaj, dimensiunile liniare ale ADN-ului sunt reduse de aproximativ 200 de ori. Organizarea domeniului în formă de buclă a ADN-ului, numită cromonemul de interfază, poate suferi o compactare suplimentară, a cărei amploare variază în funcție de faza ciclului celular.

Abrevierea ADN celular este familiară multora de la curs şcolar biologie, dar puțini pot răspunde cu ușurință ce este. Doar o idee vagă despre ereditate și genetică rămâne în memorie imediat după absolvire. A ști ce este ADN-ul și ce impact are asupra vieții noastre poate fi uneori foarte necesar.

molecula de ADN

Biochimiștii disting trei tipuri de macromolecule: ADN, ARN și proteine. Acidul dezoxiribonucleic este un biopolimer care este responsabil cu transmiterea datelor despre trăsăturile ereditare, caracteristicile și dezvoltarea unei specii din generație în generație. Monomerul său este o nucleotidă. Ce sunt moleculele de ADN? Este componenta principală a cromozomilor și conține codul genetic.

Structura ADN-ului

Anterior, oamenii de știință și-au imaginat că modelul structurii ADN-ului era periodic, în care se repetau grupuri identice de nucleotide (combinații de molecule de fosfat și zahăr). O anumită combinație de secvențe de nucleotide oferă capacitatea de a „coda” informații. Datorită cercetărilor, a devenit clar că structura diferă în diferite organisme.

Oamenii de știință americani Alexander Rich, David Davis și Gary Felsenfeld sunt deosebit de faimoși în studierea întrebării ce este ADN-ul. Ei au prezentat o descriere a unui acid nucleic cu trei elice în 1957. 28 de ani mai târziu, omul de știință Maxim Davidovich Frank-Kamenitsky a demonstrat cum acidul dezoxiribonucleic, care constă din două elice, se pliază într-o formă de H cu 3 fire.

Structura acidului dezoxiribonucleic este dublu catenar. În ea, nucleotidele sunt conectate în perechi pentru a forma lanțuri lungi de polinucleotide. Aceste lanțuri fac posibilă formarea unei duble helix folosind legături de hidrogen. Excepție fac virusurile care au un genom monocatenar. Există ADN liniar (unii viruși, bacterii) și circular (mitocondrii, cloroplaste).

Compoziția ADN-ului

Fără cunoașterea din ce este format ADN-ul, nu ar exista progrese medicale. Fiecare nucleotidă este alcătuită din trei părți: un reziduu de zahăr pentoză, o bază azotată și un reziduu de acid fosforic. Pe baza caracteristicilor compusului, acizii pot fi numiți dezoxiribonucleici sau ribonucleici. ADN-ul conține un număr mare de mononucleotide a două baze: citozină și timină. În plus, conține derivați de pirimidină, adenină și guanină.

Există o definiție în biologie numită ADN - ADN nedorit. Funcțiile sale sunt încă necunoscute. O versiune alternativă a numelui este „non-coding”, ceea ce nu este corect, deoarece conține proteine ​​codificatoare și transpozoni, dar scopul lor este, de asemenea, un mister. Una dintre ipotezele de lucru sugerează că o anumită cantitate din această macromoleculă contribuie la stabilizarea structurală a genomului în ceea ce privește mutațiile.

unde este

Locația în interiorul celulei depinde de caracteristicile speciei. În organismele unicelulare, ADN-ul este localizat în membrană. La alte ființe vii se află în nucleu, plastide și mitocondrii. Dacă vorbim despre ADN uman, acesta se numește cromozom. Adevărat, acest lucru nu este în întregime adevărat, deoarece cromozomii sunt un complex de cromatină și acid dezoxiribonucleic.

Rol în cușcă

Rolul principal al ADN-ului în celule este transmiterea genelor ereditare și supraviețuirea generației viitoare. De el depind nu numai datele externe ale viitorului individ, ci și caracterul și sănătatea acestuia. Acidul dezoxiribonucleic se află într-o stare supercoiled, dar pentru un proces de viață de înaltă calitate trebuie să fie destors. Enzimele o ajută în acest sens - topoizomerazele și helicazele.

Topoizomerazele sunt nucleaze și sunt capabile să modifice gradul de torsiune. O alta dintre functiile lor este participarea la transcriere si replicare (diviziunea celulara). Helicazele rup legăturile de hidrogen dintre baze. Există enzime ligază, care „reticula” legături rupte și polimeraze, care sunt implicate în sinteza noilor lanțuri de polinucleotide.

Cum este descifrat ADN-ul

Această abreviere pentru biologie este familiară. Numele complet al ADN-ului este acid dezoxiribonucleic. Nu toată lumea poate spune acest lucru prima dată, așa că decodificarea ADN-ului este adesea omisă în vorbire. Există și conceptul de ARN - acid ribonucleic, care constă din secvențe de aminoacizi din proteine. Ele sunt direct legate, iar ARN-ul este a doua cea mai importantă macromoleculă.

ADN uman

Cromozomii umani sunt separați în nucleu, făcând ADN-ul uman cel mai stabil și complet purtător de informații. În timpul recombinării genetice, elicele sunt separate, secțiunile sunt schimbate și apoi conexiunea este restabilită. Din cauza deteriorării ADN-ului, se formează noi combinații și modele. Întregul mecanism contribuie selecție naturală. Încă nu se știe cât timp a fost responsabil pentru transmiterea genomului și care a fost evoluția sa metabolică.

Cine a deschis

Prima descoperire a structurii ADN-ului este atribuită biologilor englezi James Watson și Francis Crick, care în 1953 au dezvăluit caracteristicile structurale ale moleculei. A fost găsită de medicul elvețian Friedrich Miescher în 1869. El a studiat compoziție chimică celule animale cu ajutorul leucocitelor, care se acumulează în masă în leziuni purulente.

Miescher studia metode de spălare a celulelor albe din sânge, proteine ​​izolate când a descoperit că mai există și altceva în afară de ele. Un sediment de fulgi s-a format pe fundul vasului în timpul procesării. După ce a examinat aceste depozite la microscop, tânărul medic a descoperit nuclee care au rămas după tratament acid clorhidric. Conținea un compus pe care Friedrich l-a numit nucleină (din latinescul nucleus - nucleus).