Το
DNA (δεοξυριβονουκλεϊκό οξύ) είναι ένα από τα πιο σημαντικά συστατικά της ζωντανής ύλης. Μέσω αυτού πραγματοποιείται η διατήρηση και μετάδοση κληρονομικών πληροφοριών από γενιά σε γενιά με δυνατότητα μεταβλητότητας εντός ορισμένων ορίων. Η σύνθεση όλων των πρωτεϊνών που είναι απαραίτητες για ένα ζωντανό σύστημα θα ήταν αδύνατη χωρίς μια μήτρα DNA. Παρακάτω θα εξετάσουμε τη δομή, το σχηματισμό, τη βασική λειτουργία και τον ρόλο του DNA στη βιοσύνθεση πρωτεϊνών.
Η δομή του μορίου DNA
Το δεοξυριβονουκλεϊκό οξύ είναι ένα μακρομόριο που αποτελείται από δύο κλώνους. Η δομή του έχει πολλά επίπεδα οργάνωσης.
Η πρωταρχική δομή της αλυσίδας του DNA είναι μια αλληλουχία νουκλεοτιδίων, καθένα από τα οποία περιέχει μία από τις τέσσερις αζωτούχες βάσεις: αδενίνη, γουανίνη, κυτοσίνη ή θυμίνη. Οι αλυσίδες προκύπτουν όταν το σάκχαρο δεοξυριβόζης ενός νουκλεοτιδίου ενώνεται με το φωσφορικό υπόλειμμα ενός άλλου. Αυτή η διαδικασία πραγματοποιείται με τη συμμετοχή ενός πρωτεϊνικού καταλύτη - DNA λιγάσης
- Η δευτερεύουσα δομή του DNA είναι η λεγόμενη διπλή έλικα (πιο συγκεκριμένα, διπλή βίδα). Τα εδάφη είναι ικανάσυνδέονται μεταξύ τους ως εξής: η αδενίνη και η θυμίνη σχηματίζουν διπλό δεσμό υδρογόνου και η γουανίνη και η κυτοσίνη σχηματίζουν έναν τριπλό. Αυτό το χαρακτηριστικό αποτελεί τη βάση της αρχής της συμπληρωματικότητας της βάσης, σύμφωνα με την οποία οι αλυσίδες συνδέονται μεταξύ τους. Σε αυτή την περίπτωση, εμφανίζεται μια ελικοειδής (συχνά δεξιά) συστροφή της διπλής αλυσίδας.
- Μια τριτογενής δομή είναι μια σύνθετη διαμόρφωση ενός τεράστιου μορίου που προκύπτει μέσω πρόσθετων δεσμών υδρογόνου.
- Η τεταρτοταγής δομή σχηματίζεται σε συνδυασμό με συγκεκριμένες πρωτεΐνες και RNA και είναι ο τρόπος με τον οποίο το DNA συσκευάζεται στον κυτταρικό πυρήνα.
Λειτουργίες DNA
Ας εξετάσουμε τον ρόλο που παίζει το DNA στα ζωντανά συστήματα. Αυτό το βιοπολυμερές είναι μια μήτρα που περιέχει μια καταγραφή της δομής διαφόρων πρωτεϊνών, του RNA που χρειάζεται ο οργανισμός, καθώς και διαφόρων ειδών ρυθμιστικών θέσεων. Γενικά, όλα αυτά τα συστατικά συνθέτουν το γενετικό πρόγραμμα του σώματος.
Μέσω της βιοσύνθεσης DNA, το γενετικό πρόγραμμα μεταβιβάζεται στις επόμενες γενιές, διασφαλίζοντας την κληρονομικότητα των βασικών πληροφοριών για τη ζωή. Το DNA είναι σε θέση να μεταλλάσσεται, λόγω της οποίας προκύπτει η μεταβλητότητα των ζωντανών οργανισμών ενός βιολογικού είδους και, ως αποτέλεσμα, είναι δυνατή η διαδικασία της φυσικής επιλογής και η εξέλιξη των ζωντανών συστημάτων.
Κατά τη σεξουαλική αναπαραγωγή, το DNA ενός οργανισμού-απογόνου σχηματίζεται με συνδυασμό πατρικών και μητρικών κληρονομικών πληροφοριών. Όταν συνδυάζονται, υπάρχουν διάφορες παραλλαγές, οι οποίες συμβάλλουν επίσης στη μεταβλητότητα.
Πώς αναπαράγεται το γενετικό πρόγραμμα
Λόγω της συμπληρωματικής δομής, είναι δυνατή η αυτοαναπαραγωγή μήτρας του μορίου DNA. Σε αυτή την περίπτωση, οι πληροφορίες που περιέχονται σε αυτό αντιγράφονται. Ο διπλασιασμός ενός μορίου για να σχηματιστούν δύο θυγατρικές «διπλές έλικες» ονομάζεται αντιγραφή DNA. Αυτή είναι μια πολύπλοκη διαδικασία που περιλαμβάνει πολλά στοιχεία. Αλλά με μια ορισμένη απλούστευση, μπορεί να αναπαρασταθεί ως διάγραμμα.
Ο αναδιπλασιασμός ξεκινά από ένα ειδικό σύμπλεγμα ενζύμων σε ορισμένες περιοχές του DNA. Ταυτόχρονα, η διπλή αλυσίδα ξετυλίγεται, σχηματίζοντας μια διχάλα αντιγραφής, όπου λαμβάνει χώρα η διαδικασία της βιοσύνθεσης του DNA - η συσσώρευση συμπληρωματικών αλληλουχιών νουκλεοτιδίων σε κάθε μία από τις αλυσίδες.
Χαρακτηριστικά του συμπλέγματος αντιγραφής
Ο αναδιπλασιασμός προχωρά και με τη συμμετοχή ενός πολύπλοκου συνόλου ενζύμων - ρεπλισωμάτων, στα οποία τον κύριο ρόλο παίζει η πολυμεράση DNA.
Μία από τις αλυσίδες στην πορεία της βιοσύνθεσης του DNA είναι ο ηγέτης και σχηματίζεται συνεχώς. Ο σχηματισμός ενός υστερούντος κλώνου συμβαίνει με την προσάρτηση σύντομων ακολουθιών - θραυσμάτων Okazaki. Αυτά τα θραύσματα συνδέονται χρησιμοποιώντας DNA λιγάση. Μια τέτοια διαδικασία ονομάζεται ημι-συνεχής. Επιπλέον, χαρακτηρίζεται ως ημισυντηρητικό, αφού σε κάθε ένα από τα νεοσχηματισμένα μόρια μια από τις αλυσίδες είναι ο γονέας και η δεύτερη η κόρη.
Η αντιγραφή
DNA είναι ένα από τα βασικά βήματα στην κυτταρική διαίρεση. Αυτή η διαδικασία βασίζεται στη μεταφορά κληρονομικών πληροφοριών στη νέα γενιά, καθώς και στην ανάπτυξη του οργανισμού.
Τι είναι οι πρωτεΐνες
Η πρωτεΐνη είναιτο πιο σημαντικό λειτουργικό στοιχείο στα κύτταρα όλων των ζωντανών οργανισμών. Εκτελούν καταλυτικές, δομικές, ρυθμιστικές, σηματοδοτικές, προστατευτικές και πολλές άλλες λειτουργίες.
Ένα μόριο πρωτεΐνης είναι ένα βιοπολυμερές που σχηματίζεται από μια αλληλουχία υπολειμμάτων αμινοξέων. Αυτό, όπως τα μόρια νουκλεϊκού οξέος, χαρακτηρίζεται από την παρουσία πολλών επιπέδων δομικής οργάνωσης - από πρωτογενές έως τεταρτοταγές.
Υπάρχουν 20 διακριτά (κανονικά) αμινοξέα που χρησιμοποιούνται από ζωντανά συστήματα για την κατασκευή μιας τεράστιας ποικιλίας πρωτεϊνών. Κατά κανόνα, η πρωτεΐνη δεν συντίθεται από μόνη της. Ο πρωταγωνιστικός ρόλος στο σχηματισμό ενός σύνθετου μορίου πρωτεΐνης ανήκει στα νουκλεϊκά οξέα - DNA και RNA.
Η ουσία του γενετικού κώδικα
Έτσι, το DNA είναι μια μήτρα πληροφοριών που αποθηκεύει πληροφορίες σχετικά με τις πρωτεΐνες που είναι απαραίτητες για την ανάπτυξη και τη ζωή του σώματος. Οι πρωτεΐνες κατασκευάζονται από αμινοξέα, το DNA (και το RNA) από τα νουκλεοτίδια. Ορισμένες αλληλουχίες νουκλεοτιδίων του μορίου DNA αντιστοιχούν σε ορισμένες αλληλουχίες αμινοξέων ορισμένων πρωτεϊνών.
Υπάρχουν 20 τύποι δομικών μονάδων πρωτεΐνης - κανονικά αμινοξέα - σε ένα κύτταρο και 4 τύποι νουκλεοτιδίων στο DNA. Έτσι, κάθε αμινοξύ είναι γραμμένο στη μήτρα του DNA ως συνδυασμός τριών νουκλεοτιδίων - μιας τριάδας, τα βασικά συστατικά της οποίας είναι αζωτούχες βάσεις. Αυτή η αρχή της αντιστοιχίας ονομάζεται γενετικός κώδικας και οι τριπλέτες βάσεων ονομάζονται κωδικόνια. Το γονίδιο είναιμια ακολουθία κωδικονίων που περιέχει μια εγγραφή μιας πρωτεΐνης και ορισμένους συνδυασμούς βάσεων - ένα κωδικόνιο έναρξης, ένα κωδικόνιο λήξης και άλλα.
Μερικές ιδιότητες του γενετικού κώδικα
Ο γενετικός κώδικας είναι σχεδόν καθολικός - με ελάχιστες εξαιρέσεις, είναι ίδιος σε όλους τους οργανισμούς, από τα βακτήρια μέχρι τους ανθρώπους. Αυτό μαρτυρεί, πρώτον, τη σχέση όλων των μορφών ζωής στη Γη, και δεύτερον, την αρχαιότητα του ίδιου του κώδικα. Πιθανώς, στα πρώτα στάδια της ύπαρξης της πρωτόγονης ζωής, διαφορετικές εκδοχές του κώδικα σχηματίστηκαν αρκετά γρήγορα, αλλά μόνο μία έλαβε ένα εξελικτικό πλεονέκτημα.
Εξάλλου, είναι συγκεκριμένο (ασαφές): διαφορετικά αμινοξέα δεν κωδικοποιούνται από την ίδια τριάδα. Επίσης, ο γενετικός κώδικας χαρακτηρίζεται από εκφυλισμό ή πλεονασμό - πολλά κωδικόνια μπορούν να αντιστοιχούν στο ίδιο αμινοξύ.
Το γενετικό αρχείο διαβάζεται συνεχώς. οι λειτουργίες των σημείων στίξης εκτελούνται και από τρίδυμα βάσεων. Κατά κανόνα, δεν υπάρχουν επικαλυπτόμενες εγγραφές στο γενετικό «κείμενο», αλλά και εδώ υπάρχουν εξαιρέσεις.
Λειτουργικές μονάδες DNA
Το σύνολο όλου του γενετικού υλικού ενός οργανισμού ονομάζεται γονιδίωμα. Έτσι, το DNA είναι ο φορέας του γονιδιώματος. Η σύνθεση του γονιδιώματος περιλαμβάνει όχι μόνο δομικά γονίδια που κωδικοποιούν ορισμένες πρωτεΐνες. Ένα σημαντικό μέρος του DNA περιέχει περιοχές με διαφορετικούς λειτουργικούς σκοπούς.
Έτσι, το DNA περιέχει:
- ρυθμιστικόαλληλουχίες που κωδικοποιούν συγκεκριμένα RNA, όπως γενετικοί διακόπτες και ρυθμιστές έκφρασης δομικών γονιδίων·
- στοιχεία που ρυθμίζουν τη διαδικασία της μεταγραφής - το αρχικό στάδιο της βιοσύνθεσης πρωτεϊνών;
- ψευδογονίδια είναι ένα είδος "απολιθωμάτων γονιδίων" που έχουν χάσει την ικανότητά τους να κωδικοποιούν μια πρωτεΐνη ή να μεταγράφονται λόγω μεταλλάξεων.
- κινητά γενετικά στοιχεία - περιοχές που μπορούν να κινηθούν εντός του γονιδιώματος, όπως τρανσποζόνια ("γονίδια άλματος");
- τελομερή είναι ειδικές περιοχές στα άκρα των χρωμοσωμάτων, χάρη στις οποίες το DNA στα χρωμοσώματα προστατεύεται από τη βράχυνση με κάθε συμβάν αντιγραφής.
Τα
Τα
Συμμετοχή του DNA στη βιοσύνθεση πρωτεϊνών
Το
DNA μπορεί να σχηματίσει μια σταθερή δομή, το βασικό στοιχείο της οποίας είναι η συμπληρωματική ένωση αζωτούχων βάσεων. Ο διπλός κλώνος του DNA παρέχει, πρώτον, την πλήρη αναπαραγωγή του μορίου, και δεύτερον, την ανάγνωση μεμονωμένων τμημάτων του DNA κατά την πρωτεϊνοσύνθεση. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται μεταγραφή.
Κατά τη διάρκεια της μεταγραφής, ένα τμήμα του DNA που περιέχει ένα συγκεκριμένο γονίδιο δεν συστρέφεται και σε μία από τις αλυσίδες - την μήτρα - συντίθεται ένα μόριο RNA ως αντίγραφο της δεύτερης αλυσίδας, που ονομάζεται κωδικεύουσα. Αυτή η σύνθεση βασίζεται επίσης στην ιδιότητα των βάσεων να σχηματίζουν συμπληρωματικά ζεύγη. Στη σύνθεση συμμετέχουν μη κωδικοποιητικές, υπηρεσιακές περιοχές του DNA και του ενζύμου RNA πολυμεράση. Το RNA χρησιμεύει ήδη ως πρότυπο για τη σύνθεση πρωτεϊνών και το DNA δεν εμπλέκεται στην περαιτέρω διαδικασία.
Αντίστροφη μεταγραφή
Για πολύ καιρό πίστευαν ότι η μήτραΗ αντιγραφή της γενετικής πληροφορίας μπορεί να πάει μόνο προς μία κατεύθυνση: DNA → RNA → πρωτεΐνη. Αυτό το σχήμα έχει ονομαστεί το κεντρικό δόγμα της μοριακής βιολογίας. Ωστόσο, κατά τη διάρκεια της έρευνας, διαπιστώθηκε ότι σε ορισμένες περιπτώσεις είναι δυνατή η αντιγραφή από το RNA στο DNA - η λεγόμενη αντίστροφη μεταγραφή.
Η ικανότητα μεταφοράς γενετικού υλικού από το RNA στο DNA είναι χαρακτηριστική των ρετροϊών. Ένας τυπικός εκπρόσωπος τέτοιων ιών που περιέχουν RNA είναι ο ιός της ανθρώπινης ανοσοανεπάρκειας. Η ενσωμάτωση του ιικού γονιδιώματος στο DNA ενός μολυσμένου κυττάρου γίνεται με τη συμμετοχή ενός ειδικού ενζύμου - της ανάστροφης μεταγραφάσης (ρεβερτάση), το οποίο δρα ως καταλύτης για τη βιοσύνθεση DNA σε ένα εκμαγείο RNA. Η ρεβερτάση είναι επίσης μέρος του ιικού σωματιδίου. Το νεοσχηματισμένο μόριο ενσωματώνεται στο κυτταρικό DNA, όπου χρησιμεύει για την παραγωγή νέων ιικών σωματιδίων.
Τι είναι το ανθρώπινο DNA
Το ανθρώπινο DNA, που περιέχεται στον πυρήνα του κυττάρου, είναι συσκευασμένο σε 23 ζεύγη χρωμοσωμάτων και περιέχει περίπου 3,1 δισεκατομμύρια ζεύγη νουκλεοτιδίων. Εκτός από το πυρηνικό DNA, τα ανθρώπινα κύτταρα, όπως και άλλοι ευκαρυωτικοί οργανισμοί, περιέχουν μιτοχονδριακό DNA, παράγοντα στην κληρονομικότητα των οργανιδίων των μιτοχονδριακών κυττάρων.
Τα γονίδια κωδικοποίησης του πυρηνικού DNA (υπάρχουν από 20 έως 25 χιλιάδες από αυτά) αποτελούν μόνο ένα μικρό μέρος του ανθρώπινου γονιδιώματος - περίπου το 1,5%. Το υπόλοιπο DNA ονομαζόταν προηγουμένως «σκουπίδια», αλλά πολυάριθμες μελέτες αποκαλύπτουν τον σημαντικό ρόλο των μη κωδικοποιητικών περιοχών του γονιδιώματος, οι οποίες συζητήθηκαν παραπάνω. Είναι επίσης εξαιρετικά σημαντικό να μελετηθούν οι διαδικασίεςαντίστροφη μεταγραφή στο ανθρώπινο DNA.
Η επιστήμη έχει ήδη σχηματίσει μια αρκετά σαφή κατανόηση του τι είναι το ανθρώπινο DNA από δομικούς και λειτουργικούς όρους, αλλά η περαιτέρω εργασία των επιστημόνων σε αυτόν τον τομέα θα φέρει νέες ανακαλύψεις και νέες βιοϊατρικές τεχνολογίες.
