Структура ДНК - ДНК
Молекулы ДНК являются линейными макромолекулами, представляющими собой длинные двойные цепи (тяжи) полимеров, составленных из мономеров, получивших название нуклеотидов (малых органических молекул) и являющихся строительными блоками ДНК.
У всех живых существ макромолекулы ДНК построены по одному и тому же плану. Они слагаются в основном из одних и тех же нуклеотидов. В состав нуклеиновых кислот входят пуриновые (А, Г) и пиримидиновые основания (Ц, Т) и простейшие углеводы; выделяют аденин (А) и гуанин (Г), фосфорную кислоту и углеводы. Если в построении белка участвует 20 аминокислот, то нуклеотидов -- всего 4 (хотя сами они -- достаточно сложные образования). Их фосфатные группы освобождают в растворах ионы водорода. Сахар может быть в двух вариантах: рибоза (Р), представляющая сахар с пятью атомами углерода, к одному из которых присоединена гидроксильная группа (--ОН), и дезоксирибоза (Д), в молекуле которой в отличие от глюкозы не 6, а 5 атомов углерода (пентоза) и к одному из атомов углерода присоединен атом водорода. При этом они никогда не встречаются одновременно, поэтому этим сахарам соответствуют два типа нуклеиновых кислот -- ДНК и РНК. Сначала думали, что они тоже разобщены в клетках: ДНК -- в ядре, а РНК -- вне его. Теперь ясно, что ДНК находится в основном в ядре (хромосомах), а частично -- в других клеточных компонентах (например, хлоропластах зеленых растений).
Основания -- другой компонент нуклеотида -- названы так, потому что реагируют как основания: в кислой среде способны присоединять ион водорода. Они тоже могут относиться к двум группам: пиримидинов, в основе строения которых -- шестичленное кольцо (рис. 11.2, а), и пиринов, у которых к пиримидиновому присоединено пятичленное кольцо (рис. 11.2, б). В ДНК последовательно соединены дезоксирибонуклеотиды, каждый из которых содержит какое-то из четырех оснований (А, Ц, Г, Т), а РНК -- рибонуклеотиды, содержащие тоже по одному основанию (А, Ц, Г, У). Все молекулы имеют форму цепи (от 77 до нескольких миллионов нуклеотидов).
Нуклеотиды -- не только составная часть нуклеиновых кислот, они входят в состав ферментов в качестве активных групп -- коферментов (так Тодд назвал комплекс азотного основания, углевода и остатка фосфорной кислоты). Блоки А, Г, Т, Ц образуют длинную полимерную цепь, которая соединяется друг с другом в разных комбинациях. Американский биохимик Э. Чаргафф сформулировал (1948) правила регулярности в парных отношениях пуриновых и пиримидиновых оснований в молекулах нуклеиновых кислот: 1 -- общее количество гуанина и аденина (из группы пуринов Г и А) равно количеству цитозина и тимина (из группы пиримидинов Ц и Т), т. е. А + Г = Т + Ц; 2 -- отношения А/Т и Г/Ц примерно равны единице, т. е. А = Т и Ц = Г; 3) -- при этом Г + Т = А + Ц; 4 -- ДНК из разных источников может иметь отличия -- в одних случаях А + Т>Г + Ц, а в других -- Г + Ц>А + Т. Эти правила явились предтечей открытия двойной спирали ДНК.
Для молекулы ДНК тоже характерна структура трех видов -- первичная, вторичная и третичная. Первичная структура ДНК состоит из нуклеотидных цепей, у которых скелетную основу составляют чередующиеся сахарные и фосфатные группы, соединенные ковалентными связями, а боковые части представлены одним из четырех оснований и присоединяются одна к другой молекулой сахара. Нуклеотиды расположены друг за другом и связаны ковалентно с фосфатом и сахарным остатком, образуя полинуклеотидную цепь.
Вторичная структура была сформулирована Д. Уотсоном и Ф. Криком. Две идущие рядом нити, скрепленные одна с другой перемычками и свившиеся в двойную спираль, и есть молекула ДНК. Обе нити одинаковы по длине, остатки пар А--Т и Г--Ц разделены одинаковыми расстояниями. Двойная спираль имеет упорядоченный характер, так как каждая связь основание -- сахар находится на одинаковом расстоянии от оси спирали и повернута на 36°, причем в каждой из них в зависимости от вида ДНК могут быть до миллионов блоков -- нуклеотидов. Порядок их чередования определяет наследственную информацию, записанную в ДНК и передаваемую следующим поколениям. Первое предположение о роли нуклеиновых кислот в качестве генетического материала сформулировал доцент Петербургского университета А. Щепотьев (1914). Химики понимали, что ДНК собрана из нуклеотидов, имеющих фосфатную группу, связанную ковалентно с пятиуглеродным сахаром, который связан с одним из четырех азотистых оснований. Нуклеотиды соединены друг с другом так, чтобы фосфатная группа одного была связана с сахаром предыдущего, и из их чередующихся комбинаций образуется длинная цепочка -- сахарофосфатный остов молекулы. По одну сторону под прямым углом к остову располагаются основания.
Молекула ДНК оказалась закручена в спираль: снаружи спирали -- остов, а внутри -- перпендикулярные ему основания. На один виток спирали приходилось примерно по десять нуклеотидов, а ее толщина указывала, что скручено более одной нити. Итак, вторичная структура отражает форму нуклеиновой кислоты. Степень скручивания ДНК зависит от ферментов.
В живых клетках цепи очень длинные, содержат до 108 пар в ряд и свиты в плотный клубок. У человека длина такой винтовой лестницы в размотанном состоянии достигает нескольких метров, и это одна молекула! Отсюда -- огромность числа возможных вариантов расположения молекул в ДНК. И это разнообразие связано с разнообразием жизни, а расположение четырех типов пар в молекуле ДНК задает всю программу, говорит клетке, как ей развиваться и что делать.
Диаметр двойной спирали 2 * 10-9 м (2 нм), расстояние между соседними парами оснований спирали 0,34 * 10-9 м (0,34 нм), полный оборот спирали завершается через 10 пар, а длина зависит от организма, которому принадлежит эта молекула ДНК. Длина плодовой мушки (дрозофилы) 4 * 10-3 м, а самой длинной ее хромосомы -- в 10 раз больше. У простейших вирусов ДНК содержит несколько тысяч звеньев, у бактерий -- несколько миллионов, а у высших -- миллиарды. Если выстроить в одну линию молекулы ДНК, заключенные в одной клетке человека, то получится длина в 2 м, т. е. длина в миллиард раз больше толщины. Но она умещается в клеточном ядре, значит, ее "укладка" такова, чтобы по всей длине она была доступна для белков, которым нужно "читать" гены. Основания, соединенные слабой водородной связью, взаимно дополняют друг друга, и каждая цепь автоматически поставляет информацию для нахождения партнера. В эукариотических клетках основные части ДНК и белков сплетены так, что напоминают нить бус. Каждая такая "бусинка" окружена четырьмя ядерными блоками и содержит около 200 сдвоенных оснований, а "нить" состоит из ДНК и ядерного белка (гистона), отличного от того, что входил в состав "бусинок".
О расшифровке структуры ДНК сообщалось в статье Уотсона и Крика, занявшей всего две странички в журнале, но открывшей новую эпоху в раскрытии тайны жизни. В публикации (1953) Крик и Уотсон отметили, что такая структура хорошо объясняет процесс "воспроизводства" этой молекулы. При рассоединении цепей возможно присоединение новых нуклеотидов к каждой из них, тогда около каждой старой возникнет новая цепь, точно ей соответствующая. Так впервые пришли к структуре, способной к самовоспроизведению. Число два удовлетворило биологов, поскольку и клетки, и хромосомы воспроизводятся путем деления исходной на две.
Третичная структура ДНК, определяемая трехмерной пространственной конфигурацией молекул, пока изучена недостаточно.
Исследования показали, что ДНК может существовать в двух формах: А (при низкой влажности) и В (при высокой). Для обеих форм построили молекулярные модели. Из дифракционных картин волокон ДНК информацию получить было достаточно трудно, так как у цепи ДНК вдоль оси расположены волокна беспорядочно, но была подтверждена ее спиральная структура. К настоящему времени исследователи научились синтезировать в необходимом количестве и получать в достаточно чистом виде короткие участки ДНК заданной последовательности, что позволяет закристаллизовать фрагменты молекулы длиной от 4 до 24 пар оснований и исследовать эти кристаллы с помощью рентгеноструктурного анализа. Исследования дали действительную похожесть обеих форм на гибкую лестницу, закрученную спирально вокруг центральной оси.
Похожие статьи
-
Благодаря постоянному и беспорядочному броуновскому движению молекул воды [4] две идентичные по всем параметрам биомолекулы (БМ) способны не только...
-
Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) состоит из органического основания аденина (I), углевода рибозы (II) и трех остатков фосфорной кислоты (III)....
-
Пространственная структура биоценоза - Особенности биоценоза
Любое сообщество характеризуется определенной пространственной структурой, связанной в первую очередь с его неподвижными компонентами -- растениями....
-
Заключение - Виды и структура растительного сообщества
Главнейшими особенностями фитоценоза являются взаимодействие между образующими его растениями, с одной стороны, и взаимодействие между растениями и...
-
Понятие структуры - Хаос и порядок. Явление самоорганизации
Каждый из нас в общих чертах знает, что такое структура; как правило, это определенное расположение, конфигурация частиц -- атомов, молекул или ионов....
-
Именно броуновское движение органических молекул в водной среде является причиной не только самоорганизации БС, но и их самовосстановления....
-
Научное познание: структура и методы - Естествознание - единая наука о природе
Структура научного познания Понятие метода и методологии (и границы научного метода) Классификация методов научного познания Главное назначение научной...
-
У холерных вибрионов выделяют Термостабильные О- И термолабильные Н-Аг . О-антигены . По структуре О-антигены выделяют 139 серогрупп; Возбудители холеры...
-
Видовое разнообразие растительных сообществ - Виды и структура растительного сообщества
Формирование растительных сообществ происходило в течение длительного времени, в период которого подбирались виды растений, способные существовать...
-
Биологическими маркерами принято считать устойчивые биохимические, физиологические, анатомические и иные признаки организмов, варьирующие в норме в...
-
Структура цитоплазмы, Эндоплазматический ретикулум - Клеточная теория
Жидкую составляющую цитоплазмы также называют цитозолем. Под световым микроскопом казалось, что клетка заполнена чем-то вроде жидкой плазмы или золя, в...
-
В историческом плане вопрос об эволюции генов является важнейшим, поскольку эволюция генов связана с истоками жизни вообще и ее совершенствованием в...
-
В состав исследуемых рыб входят особи 3 возрастных групп (рисунок 9): двухлетки(42%), трехлетки(37%) четырехлетки(21%) (таблица 1). Таблица 1 -...
-
Все сферы обществ. жизни влияют на мировую политику, глобальные процессы. Формируется глобальное политическое пространство как сфера протекания...
-
Природные циклы - Структура Земли и ее циклы
Экзогенный и эндогенный циклы Весь взаимообмен между отдельными резервуарами - оболочками планеты имеет циклический характер. Мы уже упоминали большой...
-
Основные свойства фитоценозов В данном разделе рассматриваются только естественные фитоценозы и при этом коренные, или климаксовые (объяснение этого...
-
Введение - Виды и структура растительного сообщества
Неоднородность и динамичность среды в большинстве растительных сообществ создает условия, при которых ни один вид растений не может полностью...
-
В настоящее время оценка генетической структуры различных популяций осуществляется с использование биологических и небиологических источников информации,...
-
Строение коры большого мозга - Основные структуры конечного мозга
Кора большого мозга образована серым веществом, которое лежит по периферии (на поверхности) полушарий большого мозга. В коре головного мозга преобладает...
-
Конечный мозг - Основные структуры конечного мозга
Конечный мозг (лат. telencephalon) -- самый передний отдел головного мозга. Состоит из двух полушарий большого мозга (покрытых корой), мозолистого тела,...
-
В состав исследуемых 70 рыб входят особи 4-х возрастных групп: двухгодовики - 28 штук (40%), трехгодовики - 23 штуки (32,8%), четырехгодовики - 17 штук...
-
1996 г. 1997 г. 1998 г. В 1997-1998 годах нагрузка на лабораторию уменьшилась с 247,7 % до 130,9 %, а на одного врача - в 2,1 раза, но, однако, все еще...
-
Научная картина мира. Понятие и структура научной картины мира - Научная картина мира
Научная картина мира - это целостная система представлений об общих свойствах и закономерностях природы, возникающая в результате обобщения и синтеза...
-
Биосфера - Структура Земли и ее циклы
Живая оболочка составляет 3-10-9 массы Земли. Необходимо помнить, что она "теснейшим образом связана со строением земной коры, входит в ее механизм и в...
-
Атмосфера - Структура Земли и ее циклы
Воздушная оболочка составляет 0,0001 % (10-6) массы Земли, сильно перемешана, состоит из азота, кислорода и аргона на 99,9 %. За счет динамической...
-
Гидросфера - Структура Земли и ее циклы
Водная оболочка составляет 0,025 % (0,25 10-3) массы Земли. Объем гидросферы 1375 106 км3. Океаны покрывают 70,8 % земной поверхности и имеют среднюю...
-
Заключение - Основные структуры конечного мозга
Головной мозг и черепно-мозговые нервы являются важнейшей частью всей нервной системы. Это скопление нервной ткани состоящей из серого и белого вещества...
-
Мозаичность - Виды и структура растительного сообщества
Характерная особенность фитоценозов -- неоднородность в горизонтальном направлении. Часто наблюдается более или менее выраженная пятнистость, мозаичность...
-
Циклы биогенных элементов - Структура Земли и ее циклы
Другой пример глобального цикла, также хорошо известный каждому со школьной скамьи, - цикл углерода, приведенный на рис. 11. Главный резервный фонд...
-
- трофобласт и эмбриобласт - первичная полоска и Гензеновский узелок + эпибласт и гипобласт - эктодерма и энтодерма - синцитиотрофобласт и цитотрофобласт...
-
Структура атмосферы Земли - Химия атмосферы
Физическое состояние атмосферы определяется погодой и климатом. Основные параметры атмосферы: плотность воздуха, давление, температура и состав. С...
-
Удельный вес положительных проб в структуре санитарных исследований за 3 года 1996 1997 1998 - смывы, всего 5,45 4,65 4,65 В т. ч. - хирургические...
-
Интенсивность Холера распространена не повсеместно. Эндемичной является Юго-Восточная Азия, в первую очередь такие страны, как Индия, Бангладеш,...
-
Формирование скелетных мышц происходит на очень ранних этапах развития. На восьмой неделе внутриутробного развития различимы уже все мышцы, а к десятой...
-
Систематична структура царства гриби Гриби - царство живих організмів, які поєднують у собі ознаки рослин і тварин. З рослинами їх зближує, 1) наявність...
-
Земная кора - Структура Земли и ее циклы
Составляет 0,375 % земной массы. Она построена в основном из минералов, образующих горные породы. Химические элементы распределены в земной коре...
-
В ході досліджень, вивчені можливі причини евтрофікації екосистеми Чорного моря. Відповідно до вимог Конвенцій та Рекомендацій ІМО кожна країна-учасник...
-
Україна за підсумком 2014 року експортувала 27 млн ??тонн зернових вантажів. Експорт цих вантажів відбувається через морські порти (95%), з...
-
Для високорослих студентів-волейболістів характерним є більший інтервал проходження пульсової хвилі, меньша амплітуда інци - зури, менші індекси...
-
Поняття про психіку здоров'я, структура психіки
Поняття про психіку здоров'я, структура психіки Психіка -- сфера мислення, почуттів та емоцій, інтеграція цих окремих автономних систем у цілісну...
Структура ДНК - ДНК