Молекула ДНК. Структура молекули ДНК
Молекула ДНК складається з двох ниток, що утворюють подвійну спіраль. Вперше її структура була розшифрована Френсісом Криком і Джеймсом Уотсоном в 1953 році.
Спочатку молекула ДНК, що складається з пари нуклеотидних, закручених один навколо одного ланцюжків, породжувала питання про те, чому саме таку форму вона має. Вчені назвали цей феномен комплементарностью, що означає, що в її нитках один навпроти одного можуть перебувати виключно певні нуклеотиди. Приміром, навпаки тиміну завжди стоїть аденін, а навпаки цитозину - гуанін. Ці нуклеотиди молекули ДНК і називаються комплементарними.
Схематично це зображується так:
Т - А
Ц - Г
Дані пари утворюють хімічну нуклеотидную зв'язок, який визначає порядок розстановки амінокислот. У першому випадку вона трохи слабкіше. Зв'язок між Ц і Г міцніша. Некомплементарни нуклеотиди між собою пари не утворюють.
Про будову
Отже, будова молекули ДНК особливе. Таку форму вона має неспроста: справа в тому, що кількість нуклеотидів дуже велике, і для розміщення довгих ланцюжків необхідно багато місця. Саме з цієї причини ланцюжках притаманне спіральне закручування. Це явище названо спирализация, воно дозволяє ниткам зменшуватися десь у п'ять-шість разів.
Деякі молекули такого плану організм використовує дуже активно, інші - рідко. Останні, крім спіралізаціі, піддаються ще й такий «компактній упаковці», як суперспіралізації. І тоді довжина молекули ДНК зменшується в 25-30 разів.
Що таке «упаковка» молекули?
У процесі суперспіралізації задіюються гістонові білки. Вони мають структуру і вид котушки для ниток або стрижня. На них і намотуються спіралізують нитки, які стають відразу «компактно упакованими» і займають мало місця. Коли виникає необхідність використання тієї чи іншої нитки, вона змотується з котушки, наприклад, гістонові білка, і спіраль розкручується в дві паралельні ланцюжки. Коли молекула ДНК перебуває саме в такому стані, з неї можна зчитувати необхідні генетичні дані. Однак є одна умова. Отримання інформації можливо, тільки якщо структура молекули ДНК має розкручений вигляд. Хромосоми, доступні для зчитування, називаються еухроматин, а якщо вони суперсіпіралізовани, то це вже гетерохроматином.
Нуклеїнові кислоти
Нуклеїнові кислоти, як і білки, є биополимерами. Головна функція - це зберігання, реалізація та передача спадкової (генетичної інформації). Вони бувають двох типів: ДНК і РНК (дезоксирибонуклеїнової і рибонуклеїнові). Мономерами в них виступають нуклеотиди, кожен з яких має в своєму складі залишок фосфорної кислоти, п'ятивуглецевий цукор (дезоксирибоза / рибоза) і азотна основа. У ДНК код входить 4 види нуклеотидів - аденін (А) / гуанін (Г) / цитозин (Ц) / тимін (Т). Вони відрізняються за що міститься в їх складі азотистому основи.
У молекулі ДНК кількість нуклеотидів може бути величезним - від кількох тисяч до десятків і сотень мільйонів. Розглянути такі гігантські молекули можна через електронний мікроскоп. У цьому випадку вдасться побачити подвійну ланцюг з полінуклеотидних ниток, які з'єднані між собою водневими зв'язками азотистих основ нуклеотидів. 
Дослідження
У ході досліджень вчені виявили, що види молекул ДНК у різних живих організмів відрізняються. Також було встановлено, що гуанін одного ланцюга може зв'язуватися тільки лише з цитозином, а тимін - з аденіном. Розташування нуклеотидів одного ланцюга строго відповідає паралельній. Завдяки такій комплементарності полинуклеотидов молекула ДНК здатна до подвоєння і самовідтворення. Але спочатку комплементарні ланцюга під впливом спеціальних ферментів, що руйнують парні нуклеотиди, розходяться, а потім в кожній з них починається синтез відсутньої ланцюга. Це відбувається за рахунок наявних у великій кількості в кожній клітині вільних нуклеотидів. В результаті цього замість «материнської молекули» формуються дві «дочірні», ідентичні за складом і структурою, і ДНК-код стає вихідним. Даний процес є попередником клітинного поділу. Він забезпечує передачу всіх спадкових даних від материнських клітин дочірнім, а також всім наступним поколінням.
Як читається генний код?
Сьогодні обчислюється не тільки маса молекули ДНК - можна дізнатися і більш складні, раніше не доступні вченим дані. Наприклад, можна прочитати інформацію про те, як організм використовує власну клітку. Звичайно, спочатку відомості ці знаходяться в закодованому вигляді і мають вигляд якоїсь матриці, а тому її необхідно транспортувати на спеціальний носій, яким виступає РНК. Рибонуклеїнової кислоти під силу просочуватися в клітину через мембрану ядра і вже всередині зчитувати закодовану інформацію. Таким чином, РНК - це переносник прихованих даних з ядра в клітку, і відрізняється вона від ДНК тим, що до її складу замість дезоксирибози входить рибоза, а замість тиміну - урацил. Крім того, РНК одноцепочной.
Синтез РНК
Глибокий аналіз ДНК показав, що після того як РНК покидає ядро, вона потрапляє в цитоплазму, де і може бути вбудована як матриця в рибосоми (спеціальні ферментні системи). Керуючись отриманою інформацією, вони можуть синтезувати відповідну послідовність білкових амінокислот. Про те, яку саме різновид органічної сполуки необхідно приєднати до формується білкової ланцюга, рибосома дізнається з триплетного коду. Кожній амінокислоті відповідає свій певний триплет, який її і кодує.
Після того як формування ланцюжки завершено, вона набуває конкретної просторову форму і перетворюється на білок, здатний здійснювати свої гормональні, будівельні, ферментні та інші функції. Для будь-якого організму він є генним продуктом. Саме з нього визначаються усілякі якості, властивості і прояву генів.
Гени
В першу чергу процеси секвенування розроблялися з метою отримання інформації про те, скільки генів має структура молекули ДНК. І, хоча дослідження дозволили вченим далеко просунутися в цьому питанні, дізнатися точну їх кількість поки що не представляється можливим.
Ще кілька років тому передбачалося, що молекули ДНК містять приблизно 100 тис. Генів. Трохи згодом цифра зменшилася до 80 тисяч, а в 1998 р генетиками було заявлено, що в одній ДНК присутня тільки 50 тисяч генів, які є всього лише 3% всієї довжини ДНК. Але вразили останні укладення генетиків. Тепер вони стверджують, що в геном входить 25-40 тисяч згаданих одиниць. Виходить, що за кодування білків відповідає тільки 1,5% хромосомної ДНК.
На цьому дослідження не припинилися. Паралельна команда фахівців генної інженерії встановила, що чисельність генів в одній молекулі становить саме 32 тисячі. Як бачите, отримати остаточну відповідь поки що неможливо. Занадто багато протиріч. Усі дослідники спираються тільки на свої отримані результати.
Чи було еволюціонування?
Незважаючи на те що немає ніяких доказів еволюції молекули (так як будова молекули ДНК крихке і має малий розмір), все ж вченими було висловлено одне припущення. Виходячи з лабораторних даних, вони озвучили версію такого змісту: молекула на початковому етапі своєї появи мала вигляд простого самовоспроизводящегося пептиду, до складу якого входило до 32 амінокислот, що містяться в древніх океанах.
Після самореплікаціі, завдяки силам природного відбору, у молекул з'явилася здатність захищати себе від впливу зовнішніх елементів. Вони стали довше жити і відтворюватися у великих кількостях. Молекули, що знайшли себе в ліпідному міхурі, отримали всі шанси для самовідтворення. В результаті низки послідовних циклів ліпідні бульбашки придбали форму клітинних мембран, а вже далі - всім відомих частинок. Слід зазначити, що сьогодні будь-яку ділянку молекули ДНК являє собою складну і чітко функціонуючу структуру, всі особливості якої вченими до кінця ще не вивчені.
Сучасний світ
Нещодавно вчені з Ізраїлю розробили комп'ютер, якому під силу виконувати трильйони операцій в секунду. Сьогодні це найшвидша машина на Землі. Весь секрет полягає в тому, що інноваційний пристрій функціонує від ДНК. Професора кажуть, що в найближчій перспективі такі комп'ютери зможуть навіть виробляти енергію.
Фахівці з інституту Вейцмана в Реховоті (Ізраїль) рік тому заявили про створення програмованої молекулярної обчислювальної машини, що складається з молекул і ферментів. Ними вони замінили мікрочіпи з кремнію. До теперішнього часу команда ще просунулася вперед. Тепер забезпечити комп'ютер необхідними даними і надати потрібну паливо може всього одна молекула ДНК.
Біохімічні «нанокомп'ютер» - це не вигадка, вони вже існують в природі і проявлені в кожній живій істоті. Але найчастіше вони не управляються людьми. Людина поки що не може оперувати геном якого-небудь рослини, щоб розрахувати, скажімо, число «Пі».
Ідея про використання ДНК для зберігання / обробки даних вперше відвідала світлі голови вчених в 1994 році. Саме тоді для вирішення простий математичної задачі була задіяна молекула. З того моменту ряд дослідницьких груп запропонував різні проекти, що стосуються ДНК-комп'ютерів. Але тут всі спроби ґрунтувалися лише на енергетичній молекулі. Неозброєним оком такий комп'ютер не побачиш, він має вигляд прозорого розчину води, що знаходиться в пробірці. У ньому немає ніяких механічних деталей, а тільки трильйони біомолекулярних пристроїв - і це тільки в одній краплі рідини!
ДНК людини
Який вигляд у ДНК людини, людям стало відомо в 1953 році, коли вчені вперше змогли продемонструвати світу двухцепочная модель ДНК. За цей Кірк і Уотсон отримали Нобелівську премію, так як дане відкриття стало фундаментальним в 20 столітті.
З часом, звичайно, довели, що не тільки так, як у запропонованому варіанті, може виглядати структурована молекула людини. Провівши більш детальний аналіз ДНК, відкрили А-, В- і левозакрученной форму Z-. Форма А- найчастіше є винятком, так як утворюється тільки в тому випадку, якщо спостерігається недостатність вологи. Але це можливо хіба що при лабораторних дослідженнях, для природного середовища це аномально, в живій клітині такий процес відбуватися не може.
Форма В- є класичною і відома як подвійна правозакрученная ланцюг, а ось форма Z- не тільки закручена в зворотному напрямку, вліво, але також має більш зигзагоподібний вигляд. Вченими виділена ще й форма G-квадруплекс. В її структурі не 2, а 4 нитки. На думку генетиків, виникає така форма на тих ділянках, де є надмірна кількість гуаніну.
Штучна ДНК
Сьогодні вже існує штучна ДНК, яка є ідентичною копією настоящей- вона ідеально повторює структуру природного подвійної спіралі. Але, на відміну від первозданного полинуклеотида, в штучному - всього два додаткових нуклеотиду.
Так як дубляж створювався на основі інформації, отриманої в ході різних досліджень справжньою ДНК, то він також може копіюватися, самовідтворюватися і еволюціонувати. Над створенням такої штучної молекули фахівці працювали близько 20 років. У результаті вийшло дивовижне винахід, який може користуватися генетичним кодом так само, як і природна ДНК.
До чотирьох наявними азотистих підстав генетики додали додаткові два, які створили методом хімічної модифікації природних підстав. На відміну від природної, штучна ДНК вийшла досить короткою. Вона містить лише 81 пару підстав. Проте вона також розмножується і еволюціонує.
Реплікація молекули, отриманої штучним шляхом, має місце завдяки полімеразної ланцюгової реакції, але поки що це відбувається не самостійно, а через втручання вчених. У згадану ДНК вони самостійно додають необхідні ферменти, поміщаючи її в спеціально підготовлену рідку середу.
Кінцевий результат
На процес і кінцевий підсумок розвитку ДНК можуть впливати різні чинники, наприклад мутації. Це обумовлює обов'язкове вивчення зразків матерії, щоб результат аналізів був достовірним і надійним. Як приклад можна навести тест на батьківство. Але не може не радувати, що такі казуси, як мутація, зустрічаються рідко. Проте зразки матерії завжди перевіряють, щоб на основі аналізу отримати більш точну інформацію.
ДНК рослин
Завдяки високим технологіям секвенування (HTS) здійснена революція і в галузі геноміки - виділення ДНК з рослин також можливо. Звичайно, отримання з рослинного матеріалу молекулярної маси ДНК високої якості викликає деякі труднощі, зумовлені великою кількістю копій мітохондрій і хлоропластів ДНК, а також високим рівнем полісахаридів і фенольних сполук. Для виділення розглянутої нами структури в цьому випадку задіюються найрізноманітніші методи.
Водневий зв'язок в ДНК
За водневий зв'язок в молекулі ДНК відповідає електромагнітне тяжіння, створюване між позитивно зарядженим атомом водню, який приєднаний до електронегативного атома. Дане дипольномувзаємодія не підпадає під критерій хімічного зв'язку. Але вона може здійснитися міжмолекулярної або в різних частинах молекули, т. Е. Внутрішньомолекулярними.
Атом водню приєднується до електронегативного атома, що є донором даного зв'язку. Електронегативним атомом може бути азот, фтор, кисень. Він - шляхом децентралізації - привертає до себе електронне хмара з водневого ядра і робить атом водню зарядженим (частково) позитивно. Так як розмір Н маленький, порівняно з іншими молекулами і атомами, заряд виходить також малим.
Розшифровка ДНК
Перш ніж розшифрувати молекулу ДНК, вчені спочатку беруть величезна кількість клітин. Для найбільш точної та успішної роботи їх необхідно близько мільйона. Отримані в процесі вивчення результати постійно порівнюють і фіксують. Сьогодні розшифровка генома - це вже не рідкість, а доступна процедура.
Звичайно, розшифровувати геном однієї клітини - це недоцільне заняття. Отримані в ході таких досліджень дані для науковців не представляють ніякого інтересу. Але важливо розуміти, що всі існуючі на даний момент методи декодировки, незважаючи на їх складність, недостатньо ефективні. Вони дозволять зчитувати тільки 40-70% ДНК.
Однак гарвардські професори недавно заявили про спосіб, завдяки якому можна розшифрувати 90% генома. Методика заснована на додаванні до виділених клітинам молекул-праймерів, за допомогою них і починається реплікація ДНК. Але навіть і цей метод не можна вважати успішним, його ще потрібно доопрацювати, перш ніж відкрито використовувати в науці.
