Зміст:

19.3: Дезоксирибонуклеїнова кислота (ДНК)

ДНК – це довга дволанцюгова молекула, що складається з будівельних блоків, званих дезоксирибонуклеотидами. Кожен дезоксирибонуклеотид складається з трьох частин: молекули 5-вуглецевої цукрової дезоксирибози, азотистої основи і фосфатної групи (рис. \(\PageIndex\) ).

Дезоксирибоза. Дезоксирибоза являє собою кільчастий 5-вуглецевий цукор (рис. \(\PageIndex\) ). Вуглець 5 нумеруються послідовно за годинниковою стрілкою навколо цукру. Перші вуглеці 4 фактично утворюють кільце цукру з 5′ вуглецю, що виходить з 4′ вуглецю в кільці. Азотиста основа нуклеотиду прикріплена до 1′ вуглецю цукру, а фосфатна група зв’язується з 5′ вуглецем. Під час синтезу ДНК фосфатна група нового дезоксирибонуклеотиду ковалентно приєднується ферментом ДНК-полімеразою до 3′ вуглецю нуклеотиду вже в ланцюжку.

Азотиста основа. У ДНК є чотири азотисті підстави: аденін, гуанін, цитозин або тимін. Аденін і гуанін відомі як пуринові основи, тоді як цитозин і тимін відомі як піримідинові основи (рис. \(\PageIndex\) ).

Фосфатна група (рис. \(\PageIndex\) ).

Для синтезу двох ланцюгів дезоксирибонуклеотидів під час реплікації ДНК задіяні ферменти ДНК-полімерази здатні приєднатися лише до фосфатної групи в 5′ вуглецю нового нуклеотиду до гідроксильної (ОН) групи 3′ вуглецю нуклеотиду (рис. \(\PageIndex\) ) вже в ланцюжку. Ковалентний зв’язок, яка приєднується до нуклеотидів, називається фосфодіефірним зв’язком. Кожна нитка ДНК має те, що називається 5′ кінець і 3′ кінець. Це означає, що один кінець кожного ланцюга ДНК, який називається 5′ кінцем, завжди матиме фосфатну групу, прикріплену до 5′ вуглецю його кінцевого дезоксирибонуклеотиду (рис. \(\PageIndex\) ). Інший кінець цієї нитки, званий кінцем 3 ‘, завжди матиме гідроксил (OH) на 3’ вуглецю його кінцевого дезоксирибонульцеотиду.

Малюнок \(\PageIndex\) : Хімічна структура ДНК. Фосфат одного дезоксирибонуклеотиду зв’язується з 3′ вуглецем дезоксирибози іншого утворює цукрово-фосфатний кістяк ДНК (сторони «драбини»). Водневі зв’язки між комплементарними нуклеотидними основами (аденін-тимін; гуанін-цитозин) утворюють ступені. Зверніть увагу на антипаралельний характер ДНК. Одна пасмо закінчується в 5′ фосфат, а інша закінчується в 3′ гідроксил.

Як буде видно в наступному розділі, кожна батьківська нитка під час реплікації ДНК діє як шаблон для синтезу іншої нитки шляхом комплементарного спарювання основи. Комплементарне сполучення основи відноситься до нуклеотидів ДНК з базовим аденіном тільки утворюють водневі зв’язки з нуклеотидами, що мають основу тимін (А-Т). Так само нуклеотиди з основою гуанін можуть зв’язуватися воднем тільки з нуклеотидами, що мають базовий цитозин (G-C). (У випадку нуклеотидів РНК, як буде видно пізніше, нуклеотиди аденіну утворюють водневі зв’язки з нуклеотидами, що мають основу урацил, оскільки тимін не міститься в РНК.) В результаті такого зв’язку ДНК приймає свою спіральну форму. Тому дві нитки ДНК, як кажуть, є доповнюючими. Скрізь, де одна нитка має аденінсодержащий нуклеотид, протилежна нитка завжди буде мати тиміновий нуклеотид; всюди, де є гуанінсодержащий нуклеотид, протилежна нитка завжди буде мати нуклеотид цитозину (рис. \(\PageIndex\) ).

У той час як дві нитки ДНК взаємодоповнюють один одного, вони орієнтовані в протилежних напрямках один до одного. Кажуть, що одна нитка працює від 5 ‘до 3′; протилежна нитка ДНК працює антипаралельно, або 3′ до 5’ (рис. \(\PageIndex\) ).

Зараз ми коротко порівняємо геном прокаріотичних клітин з геномом клітин еукаріотів.

Прокаріотичний (бактеріальний) геном

Область всередині бактерії, де хромосому можна побачити за допомогою електронного мікроскопа, називається нуклеоїдом. Хромосома більшості прокаріотів – це, як правило, одна довга одиночна молекула подвійної багатониткової, спіральної, суперспіральної ДНК, яка утворює фізичне та генетичне коло. Хромосома, як правило, має довжину близько 1000 мкм і часто містить близько 4000 генів (рис. \(\PageIndex\) ). Кишкова паличка, довжина якої становить 2-3 мкм, має хромосому довжиною приблизно 1400 мкм. Щоб макромолекула настільки велика, щоб вміститися в бактерії, гістоноподібні білки зв’язуються з ДНК, розділяючи молекулу ДНК на близько 50 хромосомних доменів і роблячи її більш компактною. Фермент ДНК топоізомерази називається ДНК-гіразою, потім суперкотує хромосому в щільний пучок, утворюючи ущільнену, суперспіральну масу ДНК приблизно 0,2 мкм в діаметрі.

Малюнок \(\PageIndex\) : Електронна мікрофотографія нуклеоїдної ДНК

Бактеріальні ферменти, які називаються ДНК топоізомеразами, мають важливе значення для розмотування, реплікації та перемотування кругової, перекрученої бактеріальної ДНК (рис. \(\PageIndex\) ). Вони також необхідні для транскрипції ДНК в РНК, репарації ДНК та генетичної рекомбінації бактерій.

Малюнок \(\PageIndex\) : Кругова суперспіральна прокаріотична ДНК. Щоб дозволити великому молецилу ДНК вписатися в бактерії, фермент ДНК топоізомерази, який називається ДНК-гіразою, суперкотує хромосому в щільний пучок, утворюючи ущільнену, суперспіральну масу ДНК приблизно 0,2 мкм в діаметрі.

Прокаріотичний нуклеоїд не має ядерної мембрани, що оточує ДНК, і ядерне тіло не ділиться мітозом. Цитоплазматична мембрана відіграє певну роль у поділі ДНК під час реплікації бактерій. Так як бактерії гаплоїдні (мають тільки одну хромосому), мейозу також немає.

Еукаріотичний геном

Прокаріотичні і еукаріотичні клітини відрізняються великою деталізацією як за кількістю, так і організацією своїх молекул ДНК. Еукаріотичні клітини містять набагато більше ДНК, ніж бактерії, і ця ДНК організована у вигляді множинних хромосом, розташованих всередині ядра.

Ядро в еукаріотичних клітині оточене ядерною мембраною (рис. \(\PageIndex\) ) і містить лінійні хромосоми, що складаються з негативно зарядженої ДНК, пов’язаної з позитивно зарядженими основними білками, званими гістонами, для формування структур, відомих як нуклеосоми. Нуклеосоми є частиною того, що називається хроматин, ДНК та білки, що складають хромосоми. Ядро ділить мій мітоз, а гаплоїдні статеві клітини виробляються з диплоїдних клітин мейозом.

Малюнок \(\PageIndex\) : Просвічувальна електронна мікрофотографія Candida albicans, еукаріотичної клітини. ПМ = плазматична мембрана; М = мітохондрії; N = ядро; V = вакуоль; CW = клітинна стінка. (Центри з контролю та профілактики захворювань).

ДНК в еукаріотичних клітині упакована високоорганізованим способом. Він складається з основної одиниці, яка називається нуклеосомою, бусиноподібної структури діаметром 11 нм, яка складається з 146 пар основ ДНК, обгорнутих навколо восьми молекул гістону. Нуклеосоми пов’язані один з одним сегментом ДНК приблизно 60 пар основ, які довго називаються лінкерною ДНК (рис. \(\PageIndex\) ). Інший гістон, пов’язаний з ДНК компонувальника, потім упаковує сусідні нуклеотиди разом, утворюючи нуклеосомну нитку діаметром 30 нм. Нарешті, ці упаковані нуклеосомні нитки утворюють великі спіральні петлі, які утримуються разом білками негістонових лісів. Ці спіральні петлі на білках будівельних лісів взаємодіють, утворюючи конденсований хроматин, який спостерігається в хромосомах під час мітозу (рис. \(\PageIndex\) ).

Малюнок \(\PageIndex\) : Нуклеосоми. ДНК в еукаріотичних клітині упакована високоорганізованим способом. Він складається з основної одиниці, яка називається нуклеосомою, бісерноподібної структури з 146 парами основи ДНК, обмотаними навколо восьми молекул гістону. Нуклеосоми пов’язані один з одним сегментом ДНК довжиною приблизно 60 пар основ ДНК.

В останні роки було встановлено, що структурна природа дезоксирибонуклеопротеїну сприяє тому, транскрибується чи ні ДНК в РНК. Наприклад, хімічні зміни хроматину можуть дозволити його частинам конденсуватися або розслаблятися. Коли область конденсується, гени не можуть бути транскрибовані. Крім того, хімічна речовина може приєднуватися або видалятися з білків гістонів, навколо яких обгортається ДНК. Приєднання або видалення цих хімічних груп до гістону визначає, чи посилюється чи пригнічується експресія генів поблизу.

Малюнок \(\PageIndex\) : Реплікація еукаріотичної хромосоми

Епігеном відноситься до різноманітних хімічних сполук, які змінюють геном, як правило, додаючи метильну (CH ₃) групу до аденіну основи нуклеотидів у певних місцях вздовж молекули ДНК. Це метилювання може, в свою чергу, або пригнічувати, або активувати транскрипцію конкретних генів. В основному вмикаючи або вимикаючи гени, епігеном дозволяє геному взаємодіяти з середовищем клітини та реагувати на нього. Епігеном може передаватися у спадок так само, як геном.

Резюме

Дезоксирибонуклеїнова кислота (ДНК) – це довга дволанцюгова молекула, що складається з будівельних блоків, званих дезоксирибонуклеотидами.
Дезоксирибонуклеотид складається з 3 частин: молекули 5-вуглецевої цукрової дезоксирибози, азотистої основи та фосфатної групи.
У ДНК є чотири азотисті підстави: аденін, гуанін, цитозин або тимін. Аденін і гуанін відомі як пуринові основи, тоді як цитозин і тимін відомі як піримідинові основи.
Дезоксирибоза – кільчастий 5-вуглецевий цукор. Вуглець 5 нумеруються послідовно за годинниковою стрілкою навколо цукру. Перші вуглеці 4 фактично утворюють кільце цукру з 5′ вуглецю, що виходить з 4′ вуглецю в кільці. Азотиста основа нуклеотиду прикріплена до 1′ вуглецю цукру, а фосфатна група зв’язується з 5′ вуглецем.
Під час синтезу ДНК фермент ДНК-полімераза може приєднувати лише фосфатну групу нового дезоксирибонуклеотиду до 3′ вуглецю нуклеотиду, який вже знаходиться в ланцюжку.
Під час реплікації ДНК кожна батьківська нитка діє як шаблон для синтезу іншої нитки шляхом комплементарного сполучення основи.
Комплементарне сполучення основи відноситься до нуклеотидів ДНК з базовим аденіном тільки утворюють водневі зв’язки з нуклеотидами, що мають основу тимін (А-Т). Так само нуклеотиди з основою гуанін можуть зв’язуватися воднем тільки з нуклеотидами, що мають базовий цитозин (G-C).
У той час як дві нитки ДНК взаємодоповнюють один одного, вони орієнтовані в протилежних напрямках один до одного. Кажуть, що одна нитка працює від 5 ‘до 3′; протилежна нитка ДНК працює антипаралельно, або 3′ до 5’.
У прокаріотичних клітині немає ядерної мембрани, що оточує ДНК. Прокаріотичним клітинам не вистачає мітозу і мейозу.
Щоб макромолекула настільки велика, щоб вміститися в бактерії, гістоноподібні білки зв’язуються з ДНК, розділяючи молекулу ДНК на близько 50 хромосомних доменів і роблячи її більш компактною. Потім фермент під назвою ДНК-гіраза суперкотує кожен домен навколо себе, утворюючи ущільнену, суперзгорнуту масу ДНК. Топоізомераза під назвою ДНК-гіраза каталізує негативне суперколювання кругової ДНК, виявленої в бактеріях. Топоізомераза IV, з іншого боку, бере участь у релаксації суперспіральної кругової ДНК, що дозволяє розділити взаємопов’язані дочірні хромосом в кінці реплікації бактеріальної ДНК.
ДНК в еукаріотичних клітині упакована в основні одиниці, які називаються нуклеосомами, бусиноподібною структурою, що складається з ДНК, обгорнутої навколо восьми молекул гістону. ДНК організована у вигляді множинних хромосом, розташованих всередині ядра, оточеного ядерною мембраною. Ядро ділиться мітозом, а гамети виробляються мейозом у еукаріотів, що розмножуються статевим шляхом.
Структурна природа дезоксирибонуклеопртеїну сприяє тому, транскрибується чи ні ДНК в РНК. Наприклад, хімічні зміни хроматину можуть дозволити його частинам конденсуватися або розслаблятися. Коли область конденсується, гени не можуть бути транскрибовані. Крім того, хімічна речовина може приєднуватися або видалятися з білків гістонів, навколо яких обгортається ДНК. Приєднання або видалення цих хімічних груп до гістону визначає, чи посилюється чи пригнічується експресія генів поблизу.

Де міститься гуанін

19.3: Дезоксирибонуклеїнова кислота (ДНК)

Прокаріотичний (бактеріальний) геном

Еукаріотичний геном

Резюме

Recommended articles

Гуанін – це

Схожі статті

Недавні записи

Категорії