Asid deoksiribonukleik - DNA - berfungsi sebagai pembawa maklumat keturunan yang dihantar oleh organisma hidup kepada generasi akan datang, dan matriks untuk pembinaan protein dan pelbagai faktor pengawalseliaan yang diperlukan oleh badan dalam proses pertumbuhan dan kehidupan. Dalam artikel ini, kita akan menumpukan pada apakah bentuk struktur DNA yang paling biasa. Kami juga akan memberi perhatian kepada cara bentuk ini dibina dan dalam bentuk apa DNA berada di dalam sel hidup.
Tahap organisasi molekul DNA
Terdapat empat peringkat yang menentukan struktur dan morfologi molekul gergasi ini:
- Tahap primer, atau struktur, ialah susunan nukleotida dalam rantai.
- Struktur sekunder ialah "double helix" yang terkenal. Ungkapan inilah yang telah diselesaikan, walaupun sebenarnya struktur sedemikian menyerupai skru.
- Struktur tertier terbentuk disebabkan oleh fakta bahawa ikatan hidrogen yang lemah timbul antara bahagian individu untai ganda DNA terpintal,memberikan molekul konformasi spatial yang kompleks.
- Struktur kuaternari sudah menjadi kompleks kompleks DNA dengan beberapa protein dan RNA. Dalam konfigurasi ini, DNA dibungkus ke dalam kromosom dalam nukleus sel.
Struktur Utama: Komponen DNA
Blok dari mana makromolekul asid deoksiribonukleik dibina ialah nukleotida, iaitu sebatian, setiap satunya termasuk:
- asas nitrogen - adenine, guanina, timin atau sitosin. Adenine dan guanin tergolong dalam kumpulan bes purin, sitosin dan timin tergolong dalam pirimidin;
- lima-karbon monosakarida deoksiribosa;
- Sisa asid ortofosforik.
Dalam pembentukan rantai polinukleotida, peranan penting dimainkan oleh susunan kumpulan yang dibentuk oleh atom karbon dalam molekul gula bulat. Sisa fosfat dalam nukleotida disambungkan kepada kumpulan 5' (dibaca "lima bilangan perdana") deoksiribosa, iaitu, kepada atom karbon kelima. Sambungan rantai berlaku dengan melekatkan sisa fosfat nukleotida seterusnya kepada kumpulan 3'-deoksiribosa bebas.
Oleh itu, struktur utama DNA dalam bentuk rantai polinukleotida mempunyai hujung 3'- dan 5'. Sifat molekul DNA ini dipanggil kekutuban: sintesis rantai hanya boleh pergi ke satu arah.
Pembentukan struktur sekunder
Langkah seterusnya dalam organisasi struktur DNA adalah berdasarkan prinsip pelengkap asas nitrogen - keupayaan mereka untuk menyambung secara berpasangan antara satu sama lainmelalui ikatan hidrogen. Komplementari - korespondensi bersama - berlaku kerana adenine dan timin membentuk ikatan berganda, dan guanin dan sitosin membentuk ikatan rangkap tiga. Oleh itu, apabila membentuk rantai berganda, tapak ini berdiri bertentangan antara satu sama lain, membentuk pasangan yang sepadan.
Jujukan polinukleotida terletak dalam struktur sekunder antiselari. Jadi, jika salah satu rantai kelihatan seperti 3' - AGGZATAA - 5', maka sebaliknya akan kelihatan seperti ini: 3' - TTATGTST - 5'.
Apabila molekul DNA terbentuk, rantai polinukleotida berganda dipintal, dan kepekatan garam, ketepuan air, dan struktur makromolekul itu sendiri menentukan bentuk yang boleh diambil oleh DNA pada langkah struktur tertentu. Beberapa bentuk sedemikian diketahui, dilambangkan dengan huruf Latin A, B, C, D, E, Z.
Konfigurasi C, D dan E tidak ditemui dalam hidupan liar dan hanya diperhatikan dalam keadaan makmal. Kita akan melihat bentuk utama DNA: apa yang dipanggil kanonik A dan B, serta konfigurasi Z.
A-DNA ialah molekul kering
Bentuk-A ialah skru tangan kanan dengan 11 pasangan asas pelengkap dalam setiap pusingan. Diameternya ialah 2.3 nm, dan panjang satu pusingan lingkaran ialah 2.5 nm. Satah yang dibentuk oleh tapak berpasangan mempunyai kecerunan 20° terhadap paksi molekul. Nukleotida jiran tersusun padat dalam rantai - hanya terdapat 0.23 nm antaranya.
Bentuk DNA ini berlaku dengan penghidratan yang rendah dan dengan peningkatan kepekatan ionik natrium dan kalium. Ia adalah tipikal untukproses di mana DNA membentuk kompleks dengan RNA, kerana yang terakhir tidak dapat mengambil bentuk lain. Di samping itu, bentuk A sangat tahan terhadap sinaran ultraungu. Dalam konfigurasi ini, asid deoksiribonukleik ditemui dalam spora kulat.
B-DNA basah
Dengan kandungan garam yang rendah dan tahap penghidratan yang tinggi, iaitu, dalam keadaan fisiologi normal, DNA menganggap bentuk utamanya B. Molekul semula jadi wujud, sebagai peraturan, dalam bentuk B. Dialah yang mendasari model Watson-Crick klasik dan paling kerap digambarkan dalam ilustrasi.
Bentuk ini (ia juga tangan kanan) dicirikan oleh penempatan nukleotida yang kurang padat (0.33 nm) dan pic skru yang besar (3.3 nm). Satu pusingan mengandungi 10.5 pasangan asas, putaran setiap daripada mereka berbanding yang sebelumnya adalah kira-kira 36 °. Satah pasangan itu hampir berserenjang dengan paksi "heliks berganda". Diameter rantai berganda sedemikian adalah lebih kecil daripada bentuk A - ia hanya mencapai 2 nm.
Z-DNA bukan kanonik
Tidak seperti DNA kanonik, molekul jenis Z ialah skru kidal. Ia adalah yang paling nipis daripada semua, mempunyai diameter hanya 1.8 nm. Gegelungnya, 4.5 nm panjang, kelihatan memanjang; bentuk DNA ini mengandungi 12 bes berpasangan setiap giliran. Jarak antara nukleotida bersebelahan juga agak besar - 0.38 nm. Jadi bentuk Z mempunyai sedikit sentuhan.
Ia terbentuk daripada konfigurasi jenis B di kawasan di mana purindan asas pirimidin, dengan perubahan kandungan ion dalam larutan. Pembentukan Z-DNA dikaitkan dengan aktiviti biologi dan merupakan proses jangka pendek. Bentuk ini tidak stabil, yang menimbulkan kesukaran dalam kajian fungsinya. Setakat ini, mereka tidak begitu jelas.
Replikasi DNA dan strukturnya
Kedua-dua struktur primer dan sekunder DNA timbul semasa fenomena yang dipanggil replikasi - pembentukan dua "heliks berganda" yang serupa daripada makromolekul induk. Semasa replikasi, molekul asal terlepas, dan asas pelengkap terkumpul pada rantai tunggal yang dilepaskan. Memandangkan bahagian DNA adalah antiselari, proses ini berjalan pada mereka dalam arah yang berbeza: berhubung dengan rantai induk dari 3'-hujung hingga 5'-hujung, iaitu, rantai baru tumbuh ke arah 5' → 3'. Untai utama disintesis secara berterusan ke arah garpu replikasi; pada helai yang ketinggalan, sintesis dilakukan dari garpu dalam bahagian berasingan (serpihan Okazaki), yang kemudiannya dijahit bersama oleh enzim khas, DNA ligase.
Semasa sintesis diteruskan, hujung molekul anak perempuan yang telah terbentuk mengalami pemisahan heliks. Kemudian, sebelum replikasi selesai, molekul yang baru lahir mula membentuk struktur tertier dalam proses yang dipanggil supercoiling.
Molekul Super Twisted
Bentuk supergegelung DNA berlaku apabila molekul untai dua membuat kelainan tambahan. Ia boleh mengikut arah jam (positif) atauterhadap (dalam kes ini seseorang bercakap tentang supercoiling negatif). DNA kebanyakan organisma bergelung negatif secara negatif, iaitu melawan lilitan utama “double helix”.
Akibat pembentukan gelung tambahan - gegelung super - DNA memperoleh konfigurasi ruang yang kompleks. Dalam sel eukariotik, proses ini berlaku dengan pembentukan kompleks di mana DNA bergelung negatif di sekeliling kompleks protein histon dan mengambil bentuk benang dengan manik nukleosom. Bahagian bebas benang dipanggil penghubung. Protein bukan histon dan sebatian tak organik juga mengambil bahagian dalam mengekalkan bentuk supergegelung molekul DNA. Beginilah cara kromatin terbentuk - bahan kromosom.
Helai kromatin dengan manik nukleosomal mampu merumitkan lagi morfologi dalam proses yang dipanggil pemeluwapan kromatin.
Pemadatan akhir DNA
Dalam nukleus, bentuk makromolekul asid deoksiribonukleik menjadi sangat kompleks, memadat dalam beberapa langkah.
- Pertama, filamen digulung menjadi struktur jenis solenoid khas - fibril kromatin setebal 30 nm. Pada tahap ini, DNA melipat dan memendekkan panjangnya sebanyak 6-10 kali ganda.
- Selanjutnya, fibril membentuk gelung zigzag dengan bantuan protein perancah tertentu, yang mengurangkan saiz linear DNA sebanyak 20-30 kali ganda.
- Domain gelung padat padat terbentuk pada peringkat seterusnya, selalunya mempunyai bentuk yang biasa dipanggil "berus lampu". Mereka melekat pada protein intranuklearmatriks. Ketebalan struktur sedemikian sudah 700 nm, manakala DNA dipendekkan kira-kira 200 kali ganda.
- Tahap terakhir organisasi morfologi ialah kromosom. Domain gelung dipadatkan sehingga satu tahap sehingga jumlah pemendekan sebanyak 10,000 kali dicapai. Jika panjang molekul yang diregangkan adalah kira-kira 5 cm, maka selepas pembungkusan ke dalam kromosom ia berkurangan kepada 5 mikron.
Tahap komplikasi bentuk DNA yang paling tinggi dicapai dalam keadaan metafasa mitosis. Ia kemudiannya memperoleh penampilan ciri - dua kromatid yang disambungkan oleh penyempitan-centromere, yang memastikan perbezaan kromatid dalam proses pembahagian. DNA Interphase disusun ke peringkat domain dan diedarkan dalam nukleus sel tanpa susunan tertentu. Oleh itu, kita melihat bahawa morfologi DNA berkait rapat dengan pelbagai fasa kewujudannya dan mencerminkan ciri-ciri fungsi molekul terpenting ini untuk kehidupan.
