Dublu helix (dublu șurub) ADN (dreapta)
Acidul deoxiribonucleic (ADN) este o macromolecule (unul dintre cele trei bazice, celelalte două - ARN și proteinele) care asigură stocarea. transferul de la generație la generație și punerea în aplicare a programului genetic pentru dezvoltarea și funcționarea organismelor vii. ADN-ul conține informații despre structura diferitelor tipuri de ARN și proteine.
În celulele de eucariote (plante și ciuperci animale), ADN-ul este localizat în nucleul celulei din cromozomi. și, de asemenea, în unele organele celulare (mitocondriile și plastidele). În celulele organismelor procariote (bacterii și arhaide), o moleculă circulară sau liniară de ADN, așa-numitul nucleoid, este atașată din interior în membrana celulară. În ele și în eucariotele inferioare (de exemplu, drojdie) există, de asemenea, mici molecule autonome, predominant circulatorii de ADN numite plasmide. În plus, moleculele de ADN cu un singur sau dublu catenar pot forma un genom al virușilor care conțin ADN.
Din punct de vedere chimic, ADN-ul este o moleculă de polimer lung constând din blocuri repetate - nucleotide. Fiecare nucleotidă constă dintr-o bază azotată. zahăr (deoxiriboză) și grupare fosfat. Legăturile dintre nucleotidele din lanț se formează datorită deoxiribrozei și a grupării fosfat (legături fosfodiestere). În marea majoritate a cazurilor (cu excepția unor virusuri care conțin ADN monocatenar), macromoleculele ADN constau din două lanțuri orientate cu baze azotate între ele. Această moleculă dublu catenară este răsucită de-a lungul unei linii elicoidale. În general, structura moleculei de ADN a primit numele tradițional, dar eronat "dublu helix", în realitate este un "șurub dublu". Helix-ul poate fi drept (ADN în formă de A și B) sau stânga (ADN-form din Z) [1].
Patru tipuri de baze azotate (adenină guanină timină și citozină) se găsesc în ADN. Bazele azotate ale unuia dintre lanțuri sunt legate la bazele de azot ale celuilalt lanț prin legături de hidrogen conform principiului complementarității. adenina se leagă numai la timină, guanină - numai cu citozină. Secvența de nucleotide permite "codarea" informațiilor despre diferite tipuri de ARN, dintre care cele mai importante sunt informații sau matrice (ARNm), ribozomal (rRNA) și transport (tRNA). Toate aceste tipuri de ARN sunt sintetizate pe șablonul ADN prin copierea secvenței ADN în secvența de ARN sintetizată în timpul procesului de transcriere. și să ia parte la biosinteza proteinelor (proces de translație). Pe lângă secvențele de codificare, ADN-ul celular conține secvențe care efectuează funcții de reglementare și structurale. În plus, în genomul eucariotelor apar adesea zone care aparțin "paraziților genetici", de exemplu transpozonii.
Decipherarea structurii ADN (1953) a devenit unul dintre punctele de cotitură din istoria biologiei. Pentru contribuția sa remarcabilă la această descoperire, Francis Crick. James Watson și Maurice Wilkins au primit Premiul Nobel pentru Fiziologie sau Medicină în 1962. Rosalind Franklin. care au primit radiografii. fără de care Watson și Creek nu ar fi putut să tragă concluzii despre structura ADN, a murit în 1958 de cancer (Premiul Nobel nu este dat postum) [2].
ADN-ul ca substanță chimică a fost izolat de Johann Friedrich Micher în 1869 de resturile de celule conținute în puroi. El a subliniat o substanță care include azot și fosfor. Inițial, noua substanță se numea acid nucleic. și mai târziu, când Misher a stabilit că această substanță are proprietăți acide, substanța se numește acid nucleic [3]. Funcția biologică a substanței nou descoperite a fost neclară și, de mult timp, ADN-ul a fost considerat a fi un depozit de fosfor în organism. Mai mult decât atât, chiar și la începutul secolului XX, mulți biologi cred că ADN-ul nu are nimic de-a face cu transferul de informații, deoarece structura moleculei, în opinia lor, era prea monoton, și nu pot conține informații codificate.
Până în anii 50 ai secolului al XX-lea, structura exactă a ADN-ului, precum și metoda de transfer a informațiilor ereditare, au rămas necunoscute. Deși a fost cunoscut faptul că ADN-ul este format din mai multe lanțuri de nucleotide, nimeni nu știa exact câte dintre aceste lanțuri și cum sunt conectate.
Structura ADN-ului dublu helix a fost propusă de Francis Crick și James Watson în 1953 pe baza datelor structurale cu raze X obținute de Maurice Wilkins și Rosalind Franklin. și "regulile lui Charffff", conform cărora în fiecare moleculă de ADN se observă relații stricte, conectându-se între ele numărul de baze azotate de diferite tipuri [5]. Mai târziu, propus de Watson și Crick model de structura ADN-ului a fost dovedit, iar munca lor a fost distins cu Premiul Nobel pentru fiziologie sau medicina in 1962, nu a fost murit de momentul Rosalind Franklin Cancer Printre câștigători, deoarece premiul nu este acordat post-mortem. [6]
Interesant, în 1957, americanii Alexander Rich, Gary Felzenfeld și David Davies descriu un acid nucleic compus din trei spirale [7]. Un Maxim Davidovich Frank-Kamenetskii prezentat la Moscova 1985-1986, respectiv, ca și ADN dublu catenar formată în așa-numitul H-formă, format nu două, ci trei componente ale ADN-ului [8] [9].
nucleotide
Structurile bazelor cele mai des întâlnite în compoziția ADN
Acidul deoxiribonucleic (ADN) este un biopolimer (polianion), monomerul căruia este nucleotida [10] [11].
Fiecare nucleotidă constă dintr-un reziduu de acid fosforic. atașat la poziția 5 'la deoxiriboză de zahăr. la care, de asemenea, una dintre cele patru baze de azot este legată prin legătura glicozidică (C-N) la poziția 1 '. Este prezența zahărului caracteristic și constituie una dintre principalele diferențe dintre ADN și ARN. fixate în numele acestor acizi nucleici (ARN-ul intră în zahărul Ribose) [12]. EXEMPLUL nucleotida - adenozina, care are o bază unit cu riboză și fosfat este o adenină (prezentat în figură).
Pe baza structurilor moleculare ale unei baze, o parte din nucleotide sunt separate în două grupuri, purine (adenină [A] și guanina [G]) sunt formate conectate prin heterocicluri cinci- și șase atomi; pirimidine (citozină [C] și timină [T]) - heterocicluri cu șase membri [13].
Ca o excepție, de exemplu, PBS1 bacteriofag, găsit în baze ADN cincilea tip - uracil ([U]), o bază de pirimidină, caracterizată prin absența grupărilor Timina metil pe inelul, înlocuind în mod tipic timină în ARN [14].
Trebuie remarcat faptul că timina și uracilul nu sunt strict limitate la ADN și ARN, după cum sa crezut anterior. Deci, după sinteza unor molecule de ARN, un număr semnificativ de uracili din aceste molecule sunt metilați cu enzime speciale, transformându-se în timină. Acest lucru se întâmplă în transport și ARN ribozomal [15].
Dublu helix
În funcție de concentrația de ioni și de compoziția nucleotidică a moleculei, ADN-ul dublu helix din organismele vii există sub forme diferite. Figura prezintă formularele A. B și Z (de la stânga la dreapta)
Polimerul ADN are o structură destul de complexă. Nucleotidele sunt legate covalent la lanțurile polinucleotidice lungi. Aceste circuite, în marea majoritate a cazurilor (cu excepția unor virusuri cu genom ADN mono-catenar) sunt combinate în perechi prin legături de hidrogen la structura secundară, cunoscut sub numele de dublu helix [5] [12]. Scheletul fiecăruia dintre lanțuri constă în fosfați și zaharuri alternante [16]. În interiorul unei catene ADN, nucleotidele adiacente sunt legate prin legături fosfodiestere. care sunt formate ca urmare a interacțiunii dintre grupa 3'-hidroxil (3'-OH) a moleculei deoxiriboză a unui nucleotid și a grupului 5'-fosfat (5'-PO3) al celeilalte. Capetele asimetrice ale lanțului ADN sunt numite 3 '(trei prime) și 5' (cinci prime). Polaritatea lanțului joacă un rol important în sinteza ADN-ului (prelungirea lanțului este posibilă numai prin atașarea de noi nucleotide la capătul 3 'liber).
Așa cum am menționat deja mai sus, în marea majoritate a organismelor vii, ADN constă nu dintr-una, ci din două lanțuri de polinucleotide. Aceste două lanțuri lungi sunt răsucite una în cealaltă în formă de dublă helix stabilizată de legăturile de hidrogen. Formată între bazele de azot ale lanțurilor care intră în ea. În natură, această spirală, cel mai adesea, răsucite. Direcțiile de la capătul 3 'până la capătul 5' din cele două lanțuri care alcătuiesc molecula ADN sunt opuse (lanțurile sunt "antiparalerale" unul cu celălalt).
Lățimea elicopterului dublu este de la 22 la 24 Å. sau 2,2-2,4 nm. lungimea fiecărei nucleotide este de 3,3 Å (0,33 nm) [17]. La fel ca și într-o parte scarii scara in spirala poate fi văzut, în dublu helix a ADN-ului între coloana vertebrală fosfat a moleculei poate fi văzut baze coaste, inele care sunt situate într-un plan perpendicular pe axa longitudinală a macromoleculei.
În dublul helix se disting un canal mic (12 Å) și mare (22 Å) [18]. Proteinele, de exemplu, factorii de transcripție. care sunt atașate la anumite secvențe în ADN-ul dublu catenar, interacționează de obicei cu marginile bazelor în canelura mare, unde sunt mai accesibile [19].
Formarea legăturilor între baze
Fiecare bază pe una din lanțuri este conectată la o bază definită pe al doilea lanț. Această legare specifică se numește complementară. Purinele sunt complementare pirimidinelor (adică sunt capabile să formeze legături de hidrogen cu ele): formele de adenină se leagă numai cu timina și citozina cu guanina. Într-o dublă helix, lanțurile sunt, de asemenea, legate prin interacțiuni hidrofobe și stivuire. care nu depind de secvența bazelor ADN [20].
Complementaritatea dublului helix înseamnă că informațiile conținute într-un lanț sunt de asemenea conținute într-un alt lanț. Reversibilitatea și specificitatea interacțiunilor dintre perechile complementare de bază sunt importante pentru replicarea ADN-ului și a tuturor celorlalte funcții ale ADN-ului în organismele vii.
Părți ale moleculelor ADN care, datorită funcțiilor lor, ar trebui să fie ușor de separat, de exemplu, secvența TATA în promotori bacterieni. de obicei conțin un număr mare de A și T.