1.1: Struktura DNA

DNA i RNA

dwa główne rodzaje kwasów nukleinowych to kwas deoksyrybonukleinowy (DNA) i kwas rybonukleinowy (RNA). DNA jest materiałem genetycznym występującym we wszystkich organizmach żywych, od jednokomórkowych bakterii po wielokomórkowe Ssaki. DNA znajduje się w jądrze eukariotów oraz w organelach, chloroplastach i mitochondriach. U prokariotów DNA nie jest zamknięte w błoniastej kopercie.

cała zawartość genetyczna komórki jest znana jako jej Genom, a badanie genomów to genomika., W komórkach eukariotycznych, ale nie u prokariotów, DNA tworzy kompleks z białkami histonowymi, tworząc chromatynę, substancję chromosomów eukariotycznych. Chromosom może zawierać dziesiątki tysięcy genów. Wiele genów zawiera informacje do wytwarzania produktów białkowych; inne geny kodują produkty RNA. DNA kontroluje wszystkie aktywności komórkowe poprzez włączanie lub wyłączanie genów.”

inny rodzaj kwasu nukleinowego, RNA, bierze głównie udział w syntezie białek. Cząsteczki DNA nigdy nie opuszczają jądra, ale zamiast tego używają pośrednika do komunikacji z resztą komórki., Pośrednikiem jest messenger RNA (mRNA). Inne rodzaje RNA—jak rRNA, tRNA i microRNA-biorą udział w syntezie białek i ich regulacji.

DNA i RNA składają się z monomerów znanych jako nukleotydy. Nukleotydy łączą się ze sobą tworząc polinukleotyd, DNA lub RNA. Każdy nukleotyd składa się z trzech składników: Zasady azotowej, pięciowęglowego cukru i grupy fosforanowej (rysunek \(\PageIndex{1}\)). Każda zasada azotowa w nukleotydzie jest przyłączona do cząsteczki cukru, która jest przyłączona do jednej lub więcej grup fosforanowych.,

Zasady azotowe, ważne składniki nukleotydów, są cząsteczkami organicznymi i są tak nazwane, ponieważ zawierają węgiel i azot. Są one zasadami, ponieważ zawierają grupę aminową, która ma potencjał wiązania dodatkowego wodoru, a tym samym zmniejsza stężenie jonów wodorowych w jego środowisku, czyniąc je bardziej zasadowymi. Każdy nukleotyd w DNA zawiera jedną z czterech możliwych zasad azotowych: adeninę (A), guaninę (g) cytozynę (C) i tyminę (T).

adenina i guanina są klasyfikowane jako puryny., Podstawową strukturą puryny są dwa pierścienie węglowo-azotowe. Cytozyna, tymina i uracyl są klasyfikowane jako pirymidyny, które mają jeden pierścień węglowo-azotowy jako swoją podstawową strukturę (rysunek \(\PageIndex{1}\)). Każdy z tych podstawowych pierścieni węgiel-azot ma inne grupy funkcyjne przyłączone do niego. W biologii molekularnej Zasady azotowe są po prostu znane za pomocą symboli A, T, G, C i U. DNA zawiera A, T, G i C, podczas gdy RNA zawiera A, U, G i C.

pentozowy cukier w DNA to dezoksyryboza, a w RNA cukier to ryboza (rysunek \(\PageIndex{1}\))., Różnica między cukrami polega na obecności grupy hydroksylowej na drugim węglu rybozy i wodoru na drugim węglu deoksyrybozy (więc deoksyryboza jest „brakująca” Grupa an-OH). Atomy węgla cząsteczki cukru są numerowane jako 1′, 2′, 3′, 4′, i 5′ (1′ czyta się jako „jedna pierwsza”). Pozostałość fosforanowa jest przyłączona do grupy hydroksylowej 5 'węgla jednego cukru i grupy hydroksylowej 3′ węgla cukru następnego nukleotydu, która tworzy wiązanie fosfodiestrowe 5 '-3′., Wiązanie fosfodiestrowe nie powstaje w wyniku prostej reakcji odwodnienia, podobnie jak inne wiązania łączące monomery w makrocząsteczkach: jego tworzenie polega na usunięciu dwóch grup fosforanowych. Polinukleotyd może mieć tysiące takich związków fosfodiestrowych.

struktura podwójnej helisy DNA

używając proporcjonalnych modeli metalowych poszczególnych nukleotydów, Watson i Crick wydedukowali strukturę DNA, która była zgodna z zasadami Chargaffa i z danymi krystalograficznymi rentgenowskimi, które zostały uzyskane (z pewnymi kontrowersjami) od innej badaczki o imieniu Rosalind Franklin. W słynnej podwójnej helisie Watsona i Cricka, każda z dwóch nici zawiera zasady DNA połączone wiązaniami kowalencyjnymi z szkieletem cukrowo-fosforanowym., Ponieważ jedna strona każdej cząsteczki cukru jest zawsze połączona z przeciwną stroną następnej cząsteczki cukru, każda nić DNA ma biegunowość: są one nazywane końcem 5′ (5-prime) i końcem 3′ (3-prime), zgodnie z nomenklaturą węglanów w cukrach. Dwa pasma podwójnej helisy biegną w przeciwległych (tj. przeciwnych) kierunkach, z końcem 5′ jednej nici przylegającym do końca 3′ drugiej nici. Podwójna spirala ma skręt praworęczny (a nie leworęczny, który jest często błędnie przedstawiany w popularnych mediach)., Zasady DNA rozciągają się od kręgosłupa w kierunku centrum helisy, z parą zasad z każdej nici tworząc wiązania wodorowe, które pomagają utrzymać obie nici razem. W większości warunków dwie nici są lekko przesunięte, co tworzy duży rowek na jednej powierzchni podwójnej helisy, a mały rowek na drugiej. Ze względu na strukturę zasad, A może tworzyć wiązania wodorowe tylko z T, A G może tworzyć wiązania wodorowe tylko z C (pamiętaj o regułach Chargaffa)., W związku z tym mówi się, że każda część jest komplementarna wobec drugiej, a więc każda część zawiera również wystarczającą ilość informacji, aby działać jako wzór do syntezy drugiej. Ta uzupełniająca redundancja jest ważna w replikacji i naprawie DNA.

dozwolone są tylko niektóre rodzaje parowania bazowego. Na przykład pewna puryna może sparować się tylko z pewną pirymidyną. Oznacza to, że A może sparować się z T, A G może sparować z C, jak pokazano na rysunku \(\PageIndex{2}\). Jest to znana jako podstawowa reguła uzupełniająca. Innymi słowy, nici DNA wzajemnie się uzupełniają., Jeśli sekwencja jednej nici jest AATTGGCC, komplementarna nić ma sekwencję TTAACCGG. Podczas replikacji DNA każda nić jest kopiowana, w wyniku czego powstaje podwójna helisa DNA córki zawierająca jedną nić DNA rodzicielskiego i nowo zsyntetyzowaną nić.

Thinking ahead exercise \(\PageIndex{1}\)

następuje mutacja i cytozyna zostaje zastąpiona adeniną. Jak myślisz, jaki to będzie miało wpływ na strukturę DNA?,

odpowiedź

adenina jest większa od cytozyny i nie będzie w stanie prawidłowo sparować się z guaniną na przeciwległym nici. Spowoduje to wybrzuszenie DNA. Enzymy naprawcze DNA mogą rozpoznać wybrzuszenie i zastąpić nieprawidłowy nukleotyd.