по наличию двойной спирали можно распознать в клетке молекулу
По наличию двойной спирали можно распознать в клетке молекулу
Молекула ДНК имеет форму двойной спирали, и ее воспроизведение основано на том, что каждая цепь двойной спирали служит матрицей для сборки новых молекул.
Сегодня мы знаем, что молекула ДНК является носителем кода, который управляет химизмом всего живого (см. Центральная догма молекулярной биологии), а двойная спираль молекулы ДНК стала одним из самых известных научных символов. Открытие ДНК, как и практически все великие открытия, не было результатом работы одинокого гения, а увенчало собой длинную цепь экспериментальных работ. Так, эксперимент Херши—Чейз продемонстрировал, что носителем генетической информации в клетках является именно ДНК, а не белки. Еще в 1920-е годы американский биохимик родом из России Фибус Левин (Phoebus Levene, 1869–1940) установил, что основные кирпичики, из которых построена ДНК, — это пятиатомный сахар дезоксирибоза (она обозначена буквой Д в слове ДНК), фосфатная группа и четыре азотистых основания — тимин, гуанин, цитозин и аденин (их обычно обозначают буквами Т, Г, Ц и А). В конце 1940-х годов американский биохимик австрийского происхождения Эрвин Чаргафф (Erwin Chargaff, р. 1905) выяснил, что во всех ДНК содержится равное количество оснований Т и А и, аналогично, равное количество оснований Г и Ц. Однако относительное содержание Т/А и Г/Ц в молекуле ДНК специфично для каждого вида.
В начале 1950-х годов стали известны два новых факта, пролившие свет на природу ДНК: американский химик Лайнус Полинг (Linus Pauling, 1901–94) показал, что в длинных молекулах, например белках, могут образовываться связи, закручивающие молекулу в спираль, а в лондонской лаборатории Морис Уилкинс и Розалинда Франклин получили данные рентгеноструктурного анализа (основанные на усовершенствованном применении закона Брэгга), позволившие предположить, что ДНК имеет спиральную структуру.
Как раз в это время молодой американский биохимик Джеймс Уотсон отправился на год в Кембриджский университет для работы с молодым английским физиком-теоретиком Фрэнсисом Криком. («Обо мне тогда практически никто не знал, — вспоминал впоследствии Крик, — а идеи Уотсона считали. слишком заумными».) Экспериментируя с металлическими моделями, Крик и Уотсон пытались объединить различные компоненты молекулы в трехмерную модель ДНК.
Чтобы лучше представить себе полученные ими результаты, вообразите длинную лестницу. Вертикальные стойки этой лестницы состоят из молекул сахара, кислорода и фосфора. Важную функциональную информацию в молекуле несут ступеньки лестницы. Они состоят из двух молекул, каждая из которых крепится к одной из вертикальных стоек. Эти молекулы — четыре азотистых основания — представляют собой одиночные или двойные кольца, содержащие атомы углерода, азота и кислорода и способные образовывать две или три водородные связи (см. Химические связи) с другими основаниями. Форма этих молекул позволяет им образовывать связи — законченные ступеньки — лишь определенного типа: между А и Т и между Г и Ц. Другие связи возникнуть не могут. Следовательно, каждая ступенька представлена либо А—Т либо Г—Ц. Теперь вообразите, что вы берете собранную таким образом лестницу за два конца и скручиваете — вы получите знакомую двойную спираль ДНК.
Считывая ступеньки по одной цепи молекулы ДНК, вы получите последовательность оснований. Представьте, что это сообщение, написанное с помощью алфавита всего из четырех букв. Именно это сообщение определяет химические превращения, происходящие в клетке, и, следовательно, характеристики живого организма, частью которого является эта клетка. На другой цепи спирали никакой новой информации не содержится, ведь если вам известно основание, которое находится на одной цепи, вы знаете и то, какой должна быть вторая половина ступеньки. В некотором смысле две цепи двойной спирали относятся друг другу так же, как фотография и негатив.
Открыв двуспиральную структуру ДНК, Уотсон и Крик поняли и тот простой способ, которым осуществляется воспроизведение молекулы ДНК — как и должно происходить при делении клетки. По их собственным словам, «от нашего внимания не ускользнул тот факт, что постулированная нами специфичная парность азотистых оснований непосредственно указывает на возможный механизм копирования генетического материала».
Такой «возможный механизм копирования» определен структурой ДНК. Когда клетка приступает к делению и необходима дополнительная ДНК для дочерних клеток, ферменты (см. Катализаторы и ферменты) начинают «расстегивать» лестницу ДНК, как застежку-«молнию», обнажая индивидуальные основания. Другие ферменты присоединяют соответствующие основания, находящиеся в окружающей жидкой среде, к парным «обнажившимся» основаниям — А к Т, Г к Ц и т. д. В результате на каждой из двух разошедшихся цепей ДНК достраивается соответствующая ей цепь из компонентов окружающей среды, и исходная молекула дает начало двум двойным спиралям.
Точно так же, как каждое великое открытие основано на работе предшественников, оно дает начало новым плодотворным исследованиям, поскольку ученые используют полученную информацию для движения вперед. Можно сказать, что открытие двойной спирали дало толчок последующему полувековому развитию молекулярной биологии, завершившемуся успешным осуществлением проекта «Геном человека».
Введение в биологию. Часть №8
Оригинал взят у 
caenogenesis 
Тема IX
ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ИНФОРМАЦИЯ
Тут пригодятся наши знания о белках. Мы знаем, что первичная структура белка, то есть аминокислотная последовательность, как правило, однозначно предопределяет все остальные уровни его структуры. Поэтому линейный нуклеотидный текст вполне может задавать все свойства сколь угодно сложной белковой молекулы. Тогда, однако, возникает следующий вопрос: каким образом нуклеотидный “алфавит” переводится в аминокислотный?
Пока гены считались белками, все было относительно просто.
Итак, чего можно ожидать от генетического кода? Рассуждения ученых, занявшихся этим вопросом, были следующими.
● Протеиногенных аминокислот 20, а нуклеотидов в ДНК всего 4. Значит, каждая аминокислота должна кодироваться не одним нуклеотидом, а неким их сочетанием. Примерно так, например, вводятся с помощью клавиш китайские иероглифы.
● Двоек нуклеотидов (дублетов) возможно всего 16, для кодирования всех аминокислот этого не хватит. Значит, генетический код должен быть как минимум триплетным (Gamow, Ycas, 1955).
● Троек нуклеотидов (триплетов) возможно 64, то есть их намного больше, чем аминокислот.
Вот так выглядит полный генетический код. Каждая тройка нуклеотидов, кодирующая определенную аминокислоту, называется кодоном. Генетический код состоит из 61 кодона, кодирующего аминокислоты, и трех стоп-кодонов, на которых синтез полипептидной цепи останавливается. Всего кодонов 64, как и предсказывал Георгий Гамов.
А с чего же тогда трансляция идет?
Молекулярно-биологические исследования быстро выявили два факта:
● Для синтеза белка совершенно необходима РНК, причем не только рибосомная, но и какая-то еще.
● У эукариот ДНК находится в ядре, в то время как синтез белка всегда идет в цитоплазме.
Процесс переноса информации с ДНК на РНК называется транскрипцией. Давайте посмотрим на схему транскрипции внимательно, благо всеми понятиями, которые нужны, чтобы в ней разобраться, мы теперь уже владеем. Итак, двойная спираль ДНК частично раскручивается, и фермент ДНК-зависимая РНК-полимераза ползет по одной из ее цепей от 3’-конца к 5’-концу, синтезируя комплементарную этой цепи РНК. Отметим, что синтезируемая РНК, точно так же как и вторая цепочка ДНК, антипараллельна той цепи, которой она комплементарна. Это означает, что 5’-конец и 3’-конец у нее направлены в другую сторону.
Переведем дух и поздравим себя.
Отныне мы знакомы с великой формулой ДНК→РНК→белок, которая с легкой руки Фрэнсиса Крика получила название центральной догмы молекулярной биологии. К этой формуле, конечно, есть много дополнений, но самое главное о потоке генетической информации мы теперь знаем. Информация передается с ДНК на белок через посредство РНК.
Теперь мы видим, что в таблице генетического кода не только можно, но и нужно заменить Т на У: во-первых, потому что трансляция всегда идет именно с РНК, а во-вторых, потому, что в ДНК нам придется постоянно разбираться в том, какая цепь кодирующая, а какая некодирующая (причем аминокислотной последовательности белка будет соответствовать последовательность некодирующей цепи, которая не транскрибируется). По всем этим причинам таблицу генетического кода чаще всего дают сразу в «РНКовом» варианте:
Откуда рибосома “знает”, какую аминокислоту она должна в данный момент присоединить к полипептиду? В этом ей помогает транспортная РНК (тРНК), переносящая аминокислоты. Она одноцепочечная, но имеет комплементарные спаренные участки, на которых образуются двойные спирали. Типичная конформация тРНК называется “клеверный лист”. Для каждой аминокислоты есть своя тРНК, и чаще всего не одна.
Во время трансляции любая проплывающая мимо тРНК может случайно столкнуться с тем кодоном иРНК, который в данный момент находится в активном центре рибосомы. Но свяжется она с ним только в том случае, если ее антикодон будет этому кодону комплементарен. Тогда рибосома отрежет аминокислоту от тРНК, присоединит ее к полипептидной цепочке, а сама продвинется по иРНК на шаг вперед (в сторону 3’-конца), и цикл повторится.
Теперь мы наконец можем взглянуть на самую общую схему трансляции. Здесь она очень сильно упрощена. Примерно так выглядит минимальный «сухой остаток» того, что всякому интересующемуся современной биологией стоит знать об этом процессе.
Весь процесс переноса генетической информации от ДНК через РНК к белкам называется экспрессией генов. Тут мы наконец-то сталкиваемся вплотную с понятием «ген», которое надо хоть как-то усвоить, прежде чем идти дальше.
Итак, что такое ген?
Но и способы регуляции транскрипции бывают очень разными. Неплохое представление о том, как тут все может происходить, дает вот эта относительно простая картинка:
Разберемся в ней по порядку.
Фермент, который синтезирует из мономеров новую цепь ДНК, комплементарную к имеющейся, называется ДНК-полимеразой. На самом деле в любой клетке есть несколько ДНК-полимераз, отличающихся по функциям. Но тут сразу возникает несколько проблем, которые с одним типом ферментов все равно не решить.
Во-первых, чтобы репликация стала возможна, комплементарные цепи ДНК надо как-то разделить. Для этого фермент хеликаза разрывает водородные связи между азотистыми основаниями, а фермент топоизомераза раскручивает двойную спираль ДНК, разрывая для этого ковалентные связи между нуклеотидами и тут же сшивая их заново. Последнее неизбежно, потому что двойную спираль невозможно раскрутить, не разрывая, если нам недоступны ее концы. Тут можно представить себе обыкновенный узел, концы шнурков от которого уходят куда-то в бесконечность, а нам тем не менее надо разделить шнурки, чтобы они шли параллельно и не перепутывались. Не будет другого выхода, кроме как разрезать их и потом сшить. Вот это топоизомераза и делает.
Во-вторых, ДНК-полимераза не может начать создавать новую цепь с нуля. Ей нужна затравка в виде короткой комплементарной РНК, которую синтезирует фермент праймаза. Новая ДНК может синтезироваться в виде серии фрагментов, ковалентно связанных с РНК-затравками (фрагменты Оказаки). Потом ферменты вырезают РНК, помещают на ее место комплементарные исходной цепи дезоксирибонуклеотиды, и ДНК-лигаза сшивает все это в единую цепь ДНК.
В некотором смысле биология и есть наука о поведении конвариантно редуплицирующихся структур.
СОДЕРЖАНИЕ
История
Осознание того, что структура ДНК представляет собой структуру двойной спирали, прояснило механизм спаривания оснований, с помощью которого генетическая информация сохраняется и копируется в живых организмах, и широко считается одним из самых важных научных открытий 20-го века. Крик, Уилкинс и Ватсон получили по одной трети Нобелевской премии по физиологии и медицине 1962 года за свой вклад в открытие.
Гибридизация нуклеиновых кислот
Геометрия базовой пары
Геометрия основания или ступени пары оснований может быть охарактеризована шестью координатами: сдвиг, скольжение, подъем, наклон, крен и скручивание. Эти значения точно определяют положение и ориентацию в пространстве каждой пары оснований или оснований в молекуле нуклеиновой кислоты относительно ее предшественника вдоль оси спирали. Вместе они характеризуют спиральную структуру молекулы. В областях ДНК или РНК, где нормальная структура нарушена, изменение этих значений можно использовать для описания такого нарушения.
Для каждой пары оснований, рассматриваемой относительно ее предшественницы, необходимо учитывать следующие геометрические формы пары оснований:
Подъем и поворот определяют вращение и наклон спирали. Остальные координаты, напротив, могут быть нулевыми. Сдвиг и сдвиг обычно малы в B-ДНК, но существенны в A- и Z-ДНК. Крен и наклон делают последовательные пары оснований менее параллельными и, как правило, небольшими.
Обратите внимание, что «наклон» часто используется по-разному в научной литературе, имея в виду отклонение первой оси пары оснований между нитями от перпендикулярности оси спирали. Это соответствует скольжению между последовательностью пар оснований и в координатах, основанных на спирали, правильно называется «наклоном».
Геометрия спирали
| Атрибут геометрии | А-ДНК | B-ДНК | Z-ДНК |
|---|---|---|---|
| Чувство спирали | правша | правша | левша |
| Повторяющийся блок | 1 п.н. | 1 п.н. | 2 п.н. |
| Вращение / уд. | 32,7 ° | 34,3 ° | 60 ° / 2 |
| б.п. / оборот | 11 | 10,5 | 12 |
| Наклон н.п. к оси | + 19 ° | −1,2 ° | −9 ° |
| Подъем / уд. По оси | 2,3 Å (0,23 нм) | 3,32 Å (0,332 нм) | 3,8 Å (0,38 нм) |
| Шаг / поворот спирали | 28,2 Å (2,82 нм) | 33,2 Å (3,32 нм) | 45,6 Å (4,56 нм) |
| Средняя крутка пропеллера | + 18 ° | + 16 ° | 0 ° |
| Гликозильный угол | анти | анти | C: анти, G: син |
| Сахарная морщинка | C3′-эндо | C2′-эндо | C: C2′-эндо, G: C2′-экзо |
| Диаметр | 23 Å (2,3 нм) | 20 Å (2,0 нм) | 18 Å (1,8 нм) |
Канавки
Недвойные спиральные формы
Гибка
Длина упора, осевая жесткость
| Последовательность | Последовательная длина / пары оснований |
|---|---|
| Случайный | 154 ± 10 |
| ( CA ) повторить | 133 ± 10 |
| ( CAG ) повторить | 124 ± 10 |
| ( ТАТА ) повторить | 137 ± 10 |
ДНК в растворе не имеет жесткой структуры, но постоянно меняет конформацию из-за тепловой вибрации и столкновений с молекулами воды, что делает невозможным применение классических мер жесткости. Следовательно, жесткость ДНК при изгибе измеряется длиной персистентности, определяемой как:
Это значение может быть непосредственно измерено с помощью атомно-силового микроскопа для прямого изображения молекул ДНК различной длины. В водном растворе средняя длина персистенции составляет 46–50 нм или 140–150 пар оснований (диаметр ДНК составляет 2 нм), хотя может значительно варьироваться. Это делает ДНК умеренно жесткой молекулой.
Модели для изгиба ДНК
Этот эффект приводит к необычайной легкости циркуляризации небольших молекул ДНК и более высокой вероятности обнаружения сильно изогнутых участков ДНК.
Предпочтение по изгибу
Предпочтительное направление изгиба ДНК определяется стабильностью укладки каждого основания поверх следующего. Если на одной стороне спирали ДНК всегда обнаруживаются ступеньки нестабильного стэкинга оснований, тогда ДНК будет предпочтительно отклоняться от этого направления. По мере увеличения угла изгиба также играют роль стерические препятствия и способность перекатывать остатки друг относительно друга, особенно в малой канавке. Остатки А и Т будут преимущественно находиться в малых канавках на внутренней стороне изгибов. Этот эффект особенно заметен при связывании ДНК с белком, когда индуцируется плотное изгибание ДНК, например, в нуклеосомных частицах. См. Искажения базового шага выше.
| ¦ | ¦ | ¦ | ¦ | ¦ | ¦ | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| грамм | А | Т | Т | C | C | C | А | А | А | А | А | Т | грамм | Т | C | А | А | А | А | А | А | Т | А | грамм | грамм | C | А | А | А | А | А | А | Т | грамм | C | C | А | А | А | А | А | А | Т | C | C | C | А | А | А | C |
Изогнутая по своей природе структура вызвана «скручиванием пропеллера» пар оснований относительно друг друга, что позволяет создавать необычные бифуркационные водородные связи между ступенями оснований. При более высоких температурах эта структура денатурируется, и поэтому собственный изгиб теряется.
Вся ДНК, которая изгибается анизотропно, в среднем имеет большую длину сохранения и большую осевую жесткость. Эта повышенная жесткость требуется для предотвращения случайного изгиба, из-за которого молекула будет действовать изотропно.
Циркуляризация
Циркуляризация ДНК зависит как от осевой (изгибной) жесткости, так и от крутильной (вращательной) жесткости молекулы. Для успешной циркуляризации молекулы ДНК она должна быть достаточно длинной, чтобы легко сгибаться в полный круг, и должна иметь правильное количество оснований, чтобы концы находились в правильном вращении, чтобы могло произойти связывание. Оптимальная длина для кольцевания ДНК составляет около 400 пар оснований (136 нм) с целым числом витков спирали ДНК, то есть кратным 10,4 парам оснований. Нецелое число витков представляет собой значительный энергетический барьер для циркуляризации, например, молекула 10,4 x 30 = 312 пар оснований будет циркулировать в сотни раз быстрее, чем молекула 10,4 x 30,5 ≈ 317 пар оснований.
Изгиб коротких кольцевых сегментов ДНК неоднороден. Скорее, для кольцевых сегментов ДНК, длина которых меньше персистентной длины, изгиб ДНК локализован в 1-2 изломах, которые формируются преимущественно в сегментах, богатых AT. Если ник присутствует, сгибание будет локализовано на сайте ника.
Растяжка
Режим эластичного растяжения
Фазовые переходы при растяжении
Считается, что при достаточном натяжении и положительном крутящем моменте ДНК претерпевает фазовый переход, при котором основания расширяются наружу, а фосфаты перемещаются к середине. Эта предложенная структура для чрезмерно растянутой ДНК была названа ДНК P-формы в честь Линуса Полинга, который первоначально представил ее как возможную структуру ДНК.
Предлагаемые структуры S-ДНК включают те, которые сохраняют стэкинг пар оснований и водородные связи (GC-богатые), высвобождая удлинение за счет наклона, а также структуры, в которых происходит частичное плавление стопки оснований, в то время как ассоциация оснований и оснований происходит. тем не менее, в целом сохранились (AT-rich).
Суперспирализация и топология
Внутри клетки большая часть ДНК топологически ограничена. ДНК обычно находится в замкнутых петлях (таких как плазмиды у прокариот), которые топологически замкнуты, или в виде очень длинных молекул, коэффициенты диффузии которых образуют эффективно топологически замкнутые домены. Линейные участки ДНК также обычно связаны с белками или физическими структурами (такими как мембраны), образуя замкнутые топологические петли.
Фрэнсис Крик был одним из первых, кто предположил важность связывания чисел при рассмотрении суперспиралей ДНК. В статье, опубликованной в 1976 году, Крик обрисовал проблему следующим образом:
При рассмотрении суперспиралей, образованных замкнутыми двухцепочечными молекулами ДНК, необходимы определенные математические понятия, такие как число зацепления и скручивание. Объясняется их значение для замкнутой ленты, а также значение числа изгибов замкнутой кривой. Приведено несколько простых примеров, некоторые из которых могут иметь отношение к структуре хроматина.
Анализ топологии ДНК использует три значения:
Любое изменение T в замкнутой топологической области должно уравновешиваться изменением W, и наоборот. Это приводит к структуре ДНК более высокого порядка. Кольцевая молекула ДНК с извилистостью 0 будет круговой. Если скручивание этой молекулы впоследствии будет увеличиваться или уменьшаться за счет суперспирали, то изгиб будет соответствующим образом изменен, заставляя молекулу претерпевать плектонемную или тороидальную сверхспиральную намотку.