ДНК (дезоксирибонуклеинова киселина) е един от най-важните компоненти на живата материя. Чрез него се осъществява запазването и предаването на наследствена информация от поколение на поколение с възможност за изменчивост в определени граници. Синтезът на всички протеини, необходими за жива система, би бил невъзможен без ДНК матрица. По-долу ще разгледаме структурата, образуването, основното функциониране и ролята на ДНК в биосинтеза на протеин.
Структурата на ДНК молекулата
Дезоксирибонуклеиновата киселина е макромолекула, състояща се от две вериги. Структурата му има няколко нива на организация.
Първичната структура на ДНК веригата е последователност от нуклеотиди, всеки от които съдържа една от четирите азотни бази: аденин, гуанин, цитозин или тимин. Вериги възникват, когато дезоксирибозната захар на един нуклеотид се присъедини към фосфатния остатък на друг. Този процес се осъществява с участието на протеин-катализатор - ДНК лигаза
- Вторичната структура на ДНК е така наречената двойна спирала (по-точно двоен винт). Основанията са способнисвързват се помежду си, както следва: аденинът и тиминът образуват двойна водородна връзка, а гуанинът и цитозинът образуват тройна. Тази характеристика е в основата на принципа на допълване на основата, според който веригите са свързани една с друга. В този случай се получава спираловидно (по-често дясно) усукване на двойната верига.
- Третичната структура е сложна конформация на огромна молекула, която възниква чрез допълнителни водородни връзки.
- Кватернерната структура се формира в комбинация със специфични протеини и РНК и е начинът, по който ДНК се пакетира в клетъчното ядро.
ДНК функции
Нека разгледаме ролята, която ДНК играе в живите системи. Този биополимер е матрица, съдържаща запис на структурата на различни протеини, РНК, необходима на тялото, както и различни видове регулаторни места. Като цяло всички тези компоненти съставляват генетичната програма на тялото.
Чрез биосинтеза на ДНК генетичната програма се предава на следващите поколения, осигурявайки наследствеността на информацията, фундаментална за живота. ДНК е в състояние да мутира, поради което възниква изменчивостта на живите организми на един биологичен вид и в резултат на това е възможен процесът на естествен подбор и еволюцията на живите системи.
По време на сексуално размножаване, ДНК на организъм-потомък се формира чрез комбиниране на наследствена информация по баща и майка. Когато се комбинират, има различни вариации, което също допринася за променливостта.
Как се възпроизвежда генетичната програма
Поради комплементарната структура е възможно матрично самовъзпроизвеждане на молекулата на ДНК. В този случай информацията, съдържаща се в него, се копира. Дублирането на молекула за образуване на две дъщерни "двойни спирали" се нарича репликация на ДНК. Това е сложен процес, който включва много компоненти. Но с известно опростяване може да се представи като диаграма.
Репликацията се инициира от специален комплекс от ензими в определени области на ДНК. В същото време двойната верига се развива, образувайки репликационна вилка, където протича процесът на ДНК биосинтеза - натрупването на комплементарни нуклеотидни последователности върху всяка от веригите.
Характеристики на комплекса за репликация
Репликацията протича и с участието на сложен набор от ензими - реплизоми, в които основна роля играе ДНК полимеразата.
Една от веригите в хода на биосинтеза на ДНК е водеща и се формира непрекъснато. Образуването на изоставаща нишка става чрез прикрепване на къси последователности - фрагменти на Оказаки. Тези фрагменти се лигират с помощта на ДНК лигаза. Такъв процес се нарича полунепрекъснат. Освен това се характеризира като полуконсервативна, тъй като във всяка от новообразуваните молекули една от веригите е родителската, а втората е дъщерната.
ДНК репликацията е една от ключовите стъпки в клетъчното делене. Този процес е в основата на трансфера на наследствена информация към новото поколение, както и растежа на организма.
Какво са протеините
Протеинът енай-важният функционален елемент в клетките на всички живи организми. Те изпълняват каталитични, структурни, регулаторни, сигнални, защитни и много други функции.
Протеиновата молекула е биополимер, образуван от последователност от аминокиселинни остатъци. Тя, подобно на молекулите на нуклеиновите киселини, се характеризира с наличието на няколко нива на структурна организация - от първична до четвъртична.
Има 20 различни (канонични) аминокиселини, използвани от живите системи за изграждане на огромно разнообразие от протеини. По правило протеинът не се синтезира сам. Водеща роля в образуването на сложна протеинова молекула принадлежи на нуклеиновите киселини - ДНК и РНК.
Същността на генетичния код
И така, ДНК е информационна матрица, която съхранява информация за протеините, необходими на тялото да расте и живее. Протеините са изградени от аминокиселини, ДНК (и РНК) от нуклеотиди. Определени нуклеотидни последователности на ДНК молекулата съответстват на определени аминокиселинни последователности на определени протеини.
Има 20 вида протеинови структурни единици - канонични аминокиселини - в клетката и 4 вида нуклеотиди в ДНК. Така че всяка аминокиселина е записана върху ДНК матрицата като комбинация от три нуклеотида – триплет, чиито ключови компоненти са азотните бази. Този принцип на съответствие се нарича генетичен код, а базовите триплети се наричат кодони. Джийн епоследователност от кодони, съдържаща запис на протеин и някои служебни комбинации от бази - стартов кодон, стоп кодон и други.
Някои свойства на генетичния код
Генетичният код е почти универсален - с много малки изключения, той е един и същ във всички организми, от бактериите до хората. Това свидетелства, първо, за връзката на всички форми на живот на Земята, и второ, за древността на самия код. Вероятно в ранните етапи на съществуването на примитивния живот различни версии на кода са се формирали доста бързо, но само една е получила еволюционно предимство.
Освен това е специфично (недвусмислено): различните аминокиселини не са кодирани от един и същ триплет. Също така, генетичният код се характеризира с дегенерация или излишък - няколко кодона могат да съответстват на една и съща аминокиселина.
Генетичният запис се чете непрекъснато; функциите на препинателните знаци се изпълняват и от тройки основи. По правило в генетичния "текст" няма припокриващи се записи, но и тук има изключения.
Функционални единици на ДНК
Съвкупността от целия генетичен материал на даден организъм се нарича геном. Така ДНК е носител на генома. Съставът на генома включва не само структурни гени, кодиращи определени протеини. Значителна част от ДНК съдържа региони с различни функционални цели.
И така, ДНК съдържа:
- регулаторнипоследователности, кодиращи специфични РНК, като генетични превключватели и регулатори на структурната генна експресия;
- елементи, които регулират процеса на транскрипция - началният етап на биосинтеза на протеин;
- псевдогените са вид "фосилни гени", които са загубили способността си да кодират протеин или да бъдат транскрибирани поради мутации;
- мобилни генетични елементи - региони, които могат да се движат в генома, като транспозони ("скачащи гени");
- теломерите са специални области в краищата на хромозомите, благодарение на които ДНК в хромозомите е защитена от скъсяване при всяко събитие на репликация.
Участие на ДНК в биосинтеза на протеини
ДНК е в състояние да образува стабилна структура, чийто ключов елемент е комплементарното съединение на азотните бази. Двойната верига на ДНК осигурява, първо, пълното възпроизвеждане на молекулата, и второ, разчитането на отделни участъци от ДНК по време на протеиновия синтез. Този процес се нарича транскрипция.
По време на транскрипцията се разгръща участък от ДНК, съдържащ определен ген, и на една от веригите - шаблонната - се синтезира РНК молекула като копие на втората верига, наречена кодираща. Този синтез също се основава на свойството на базите да образуват допълващи се двойки. В синтеза участват некодиращи, обслужващи области на ДНК и ензима РНК полимераза. РНК вече служи като шаблон за протеинов синтез, а ДНК не участва в по-нататъшния процес.
Обратна транскрипция
Дълго време се смяташе, че матрицатакопирането на генетична информация може да върви само в една посока: ДНК → РНК → протеин. Тази схема е наречена централна догма на молекулярната биология. Въпреки това, в хода на изследването беше установено, че в някои случаи е възможно копиране от РНК към ДНК - така наречената обратна транскрипция.
Способността за прехвърляне на генетичен материал от РНК към ДНК е характерна за ретровирусите. Типичен представител на такива РНК-съдържащи вируси е човешкият имунодефицитен вирус. Интегрирането на вирусния геном в ДНК на заразена клетка става с участието на специален ензим - обратна транскриптаза (ревертаза), която действа като катализатор за биосинтеза на ДНК върху РНК шаблон. Ревертазата също е част от вирусната частица. Новообразуваната молекула е интегрирана в клетъчната ДНК, където служи за производството на нови вирусни частици.
Какво е човешката ДНК
Човешката ДНК, съдържаща се в клетъчното ядро, е опакована в 23 двойки хромозоми и съдържа около 3,1 милиарда сдвоени нуклеотиди. В допълнение към ядрената ДНК, човешките клетки, подобно на други еукариотни организми, съдържат митохондриална ДНК, фактор в наследствеността на митохондриалните клетъчни органели.
Кодиращите гени на ядрената ДНК (има от 20 до 25 хиляди) съставляват само малка част от човешкия геном - приблизително 1,5%. Останалата част от ДНК преди беше наричана "боклуци", но многобройни проучвания разкриват значителната роля на некодиращите региони на генома, които бяха обсъдени по-горе. Изключително важно е и изучаването на процеситеобратна транскрипция в човешката ДНК.
Науката вече е формирала доста ясно разбиране за това какво представлява човешката ДНК в структурно и функционално отношение, но по-нататъшната работа на учените в тази област ще донесе нови открития и нови биомедицински технологии.
