مولکول DNA از دو تشکیل شده است. اسید دئوکسی ریبونوکلئیک

از درس زیست شناسی مدرسه، همه می دانند که DNA یک "بانک داده" است که اطلاعات مربوط به همه موجودات زنده را ذخیره می کند. این DNA است که امکان انتقال داده های مربوط به رشد و عملکرد موجودات زنده را در طول تولید مثل آنها فراهم می کند. اسید دئوکسی ریبونوکلئیک اساس همه موجودات زنده است. به لطف این مولکول است که همه موجودات قادر به حفظ جمعیت خود هستند. درباره DNA انسان چه می دانید؟

در سال 1869، جهان از وجود DNA مطلع شد: این کشف توسط یوهان فردریش میشر انجام شد. و تقریباً 100 سال بعد (1953)، دو دانشمند برجسته به کشف شگفت انگیزی دست یافتند: DNA از یک مارپیچ دوتایی تشکیل شده است. این دانشمندان فرانسیس کریک و جیمز واتسون بودند. از آن زمان، برای بیش از 50 سال، دانشمندان در سراسر جهان در تلاش برای کشف تمام اسرار DNA هستند.

DNA انسان - معمای حل شد:

- DNA همه افراد روی کره زمین 99.9٪ یکسان است و تنها 0.1٪ منحصر به فرد است. این 0.1 درصد است که بر اینکه چه کسی هستیم و چگونه هستیم تأثیر می گذارد. گاهی اوقات اتفاق می افتد که این مقدار (0.1٪) به شکلی بسیار غیرمنتظره ظاهر می شود: کودکانی متولد می شوند که شبیه والدین خود نیستند، بلکه شبیه مادربزرگ یا پدربزرگ یکی از والدین و گاهی حتی اجداد دورتر هستند. به نظر می رسد.

- ما 30 درصد سالاد و 50 درصد موز هستیم! و این درست است: DNA هر یک از ما، صرف نظر از سن، جنسیت، رنگ پوست و سایر خصوصیات، به ترتیب 30 و 50 درصد با DNA برگ کاهو و موز یکسان است.

- اریتروسیت ها (گلبول های قرمز) تنها سلول هایی هستند که فاقد DNA هستند.

80 هزار ژن در DNA انسان وجود دارد که 200 مورد آن از باکتری به ارث رسیده است.

- به ندرت افرادی متولد می شوند که نه 1، بلکه 2 مجموعه DNA دارند. به چنین افرادی کایمرا می گویند.

- انسان فقط 2 کروموزوم کمتر از شامپانزه ها دارد.

- کد ژنتیکی انسان 2 معنی دارد. قبلاً اعتقاد بر این بود که مقدار 1 است، اما دانشمند آمریکایی جان استاماتوئیانوپولوس و تیمش دومین مقدار را در سال 2013 کشف کردند. به لطف این کشف، طب غربی در جهت مطالعه ژنوم انسان شروع به توسعه کرد که در آینده امکان درمان "ژنتیکی" را فراهم می کند.

- یک "دیسک جاودانگی" در فضا وجود دارد که DNA دیجیتالی برخی از شخصیت های برجسته را ذخیره می کند.

- در سیاره ما موجودات زنده ای وجود دارند که DNA آنها در مطلوب ترین شرایط زندگی می تواند جاودانگی را برای آنها فراهم کند. اما انسان یکی از آنها نیست.

و اینها همه اسرار مولکول کوچکی نیست که بدون آن زندگی روی زمین غیرممکن است.

نگاهی جدید به DNA

DNA برای بسیاری از ما یک راز عمیق است. ما این کلمه را می شنویم، به نظر می رسد که معنای آن را درک می کنیم، اما حتی تصور نمی کنیم این چیز چقدر پیچیده است و چرا واقعاً به آن نیاز است. بنابراین، بیایید سعی کنیم این را با هم بفهمیم. ابتدا بیایید در مورد آنچه در مدرسه به ما یاد داده اند و سپس در مورد آنچه که به ما یاد نداده اند صحبت کنیم.

DNA (دئوکسی ریبونوکلئیک اسید) برنامه اصلی انسان است.از نقطه نظر شیمیایی، این یک مولکول پلیمری بسیار طولانی است که شبیه دو زنجیره است که به صورت مارپیچی به دور یکدیگر می چرخند. هر زنجیره از "بلوک های سازنده" تکراری به نام نوکلئوتید تشکیل شده است. هر نوکلئوتید شامل قند (دئوکسی ریبوز)، گروه فسفاتو در واقع پایه نیتروژنیپیوند بین نوکلئوتیدها در زنجیره توسط دئوکسی ریبوز و یک گروه فسفات تشکیل می شود. و پایه های نیتروژنی ارتباط بین دو زنجیره مارپیچ را فراهم می کنند. یعنی ایجاد واقعی ماده زنده. چهار نوع پایه وجود دارد. و این توالی آنهاست که کد ژنتیکی را تشکیل می دهد.

کد ژنتیکی انسان شامل حدود سه میلیارد جفت باز DNA و حدود 23000 ژن (در آخرین شمارش) است که مسئول تمام ویژگی ها و کیفیت های مشخصه ما هستند. این شامل همه چیزهایی است که ما از طبیعت دریافت می کنیم، و همچنین آنچه را که از والدین و والدین خود به ارث می بریم. ژن واحدی از وراثت در موجود زنده است. ممکن است حاوی اطلاعاتی در مورد رنگ چشم، نحوه ایجاد کلیه و بیماری های ارثی مانند بیماری آلزایمر باشد. پس وراثت فقط صفات والدین نیست، بلکه صفات عمومی یک فرد نیز هست. می‌توان گفت که ژن‌ها شامل هر آنچه در مورد ما انسان است، به همراه ویژگی‌های منحصربه‌فردی که از والدینمان به ارث رسیده‌ایم. همچنین ممکن است نام RNA (ریبونوکلئیک اسید) را شنیده باشید. در فرآیند رونویسی که در واقع تولید و مدیریت پروتئین ها را آغاز می کند، شرکت دارد. DNA قالبی است که RNA روی آن ایجاد می شود و برنامه ای است که این فرآیند دنبال می کند.

با دقت گوش کنید: این مولکول مارپیچ دوگانه کوچک را فقط می توان با یک میکروسکوپ الکترونی بسیار قدرتمند دید. اما از سه میلیارد قسمت تشکیل شده است! می توانید تصور کنید این قطعات چقدر کوچک هستند؟ ما اساساً فقط شکل DNA را می بینیم که توسط واتسون و کریک در انگلستان در سال 1953 بر اساس داده های پراش اشعه ایکس به دست آمده توسط روزالیند فرانکلین کشف شد.<…>

43 سال دیگر طول کشید تا دانشمندان توانستند ساختار کل مولکول DNA را در فوریه 2001 ترسیم کنند.<…>

سپس کار واقعی شروع شد، زیرا مطالعه ساختار فقط ساختار شیمیایی کلی DNA را نشان داد. تصور کنید این ها نامه هایی در یک کتاب غول پیکر هستند. حالا دانشمندان هر حرف را می دانستند، اما نمی دانستند چه نوع زبانی است! آنها باید زبان را باز می کردند تا تصویر کامل را ببینند، کلمات کتاب را بفهمند و ژن ها را پیدا کنند. در آن زمان بود که آنها متوجه شدند که همه چیز در حال تغییر غیر منتظره است. بهترین دانشمندان و قدرتمندترین کامپیوترهای کشور برای یافتن کدهایی که انتظار داشتند در ساختار شیمیایی ژنوم انسان ببینند، تلاش کردند.

ما سه بعدی فکر می کنیم. هیچ کاری نمی توانید در مورد آن انجام دهید. این واقعیت ماست و نمی توان امیدوار بود که از آن فرار کنیم. اما این اغلب ما را از دیدن تصویر بزرگتر باز می دارد. علم اکنون با صدای بلند شروع کرده است که جهان و هر آنچه در آن است چند بعدی است. بنابراین دیر یا زود مجبور خواهیم شد ریاضیاتی را اختراع کنیم که بتواند با چنین مدلی مطابقت داشته باشد، همچنین قوانین فیزیکی جدیدی را کشف کنیم و بیاموزیم که گسترده تر فکر کنیم. در این بین، دانشمندان فرضیات بسیار جدی دارند مبنی بر اینکه ژنوم انسان خطی است و کل ساختار ژنتیکی انسان در سه میلیارد "حرف" DNA موجود است. اما این درست نیست.<…>

برخلاف همه منطق، دانشمندان نتوانستند کدها را پیدا کنند، اگرچه کاملاً می‌دانستند که در آنجا هستند. آنها در جستجوی تقارنی که هر زبانی ایجاد می کند از بهترین کامپیوترهای مدرن استفاده کردند که قادر به شکستن کدها بودند. و او را پیدا کردند. این کشف باید ذهن آنها را منفجر کرده باشد و در عین حال بزرگترین معمای بیولوژیکی قرن را به آنها ارائه دهد.

از کل ساختار شیمیایی پیچیده ترین ژنوم انسان، تنها 4 درصد دارای کد هستند!فقط DNA کد کننده پروتئین حاوی کد واضح برای تولید ژن است و حضور آن در آنجا کاملاً آشکار بود. آنقدر سه بعدی است که می توانید به معنای واقعی کلمه علائم شروع و توقف را در توالی ژن ببینید! مانند کدهای کامپیوتری مدرن، شیمی مطابق با انتظارات ما بود، اما تنها بخش کوچکی از ژنوم انسان در تولید 23000 ژن بدن انسان نقش داشت. همه چیز دیگر آنجا بود که انگار «برای هیچ».

اجازه بدهید برای شما یک قیاس برای چنین ناامیدی ارائه کنم. بشقاب پرنده بالای سرمان ظاهر می شود. ترفندهای شگفت انگیزی انجام می دهد - معلق در هوا، به چالش کشیدن جاذبه و رفتاری که از یک بشقاب پرنده انتظار داریم. سپس او فرود می آید. نزدیک تر می شویم و متوجه می شویم که هیچ کس داخل نیست. ظاهراً این فقط یک کاوشگر روباتی است که به زمین فرستاده شده است. ناگهان، بالای صفحه بالا می‌آید و دانشمندان برتر را دعوت می‌کند تا نگاهی به نحوه عملکرد آن بیاندازند. ما بسیار هیجان زده هستیم و متوجه می شویم که به حل معماها نزدیک شده ایم. ما در آستانه کشف فیزیک جدید هستیم! ما شروع به جستجوی موتور می کنیم و یک شگفتی در انتظار ما است: محفظه موتور تا لبه پر از نوعی زباله است! نه، شاید بیشتر شبیه گرانول های فومی است که به عنوان پرکننده در بسته های ظروف قرار می دهیم. این گرانول ها به وضوح به یکدیگر متصل هستند، حتی برخی از آنها حرکت می کنند، اما هیچ کاری نمی کنند. هیچ ساختار قابل مشاهده ای در این ماده وجود ندارد. فقط فضا را پر می کند "پر" را با یک بیل حفر می کنید، سطل پس از سطل گلوله ها را بیرون می اندازید و در نهایت یک شی ریز براق پیدا می کنید که چند سیم از آن خارج می شود. بدیهی است که این جسم موتور، قلب کشتی است. پس لیتل! در کف دست شما جای می گیرد و همه چیز را کنترل می کند! شما در حال تلاش برای شروع آن هستید. و سپس معلوم می شود که بدون "پرکننده" بشقاب پرنده نمی خواهد پرواز کند. گرانول ها را دوباره داخل می ریزید - و بشقاب دوباره پرواز می کند! بنابراین، معلوم می شود که "پرکننده" بالاخره کاری انجام می دهد؟ یا نه؟ چگونه فیلر می تواند کاری انجام دهد؟ خطا مشخص است. ما انتظار داشتیم یک موتور را ببینیم - چیزی براق، سیمی، خطی و کامل در ساختارش - و آن را پیدا کردیم. چیزی که به نظر ما "پرکننده" یا "بسته بندی" بود، بلافاصله دور انداختیم. آیا می دانید نظارت چیست و استعاره چیست؟

معلوم شد شوخی است. DNA از سه میلیارد قسمت تشکیل شده است که اکثر آنها هیچ کاری انجام نمی دهند! فقط چهار درصد ناچیز همه کار را انجام می دهند! چه بیمعنی! ما می دانیم که طبیعت بسیار منطقی است. ما می توانیم تکامل موجودات زنده را حتی در طول یکی از زندگی خود مشاهده کنیم و درک می کنیم که ماهیت چقدر هدفمند است. اگر ماهی ها در غار زیرزمینی حبس شوند، پس از ده سال یا بیشتر، چشمان آنها ناپدید می شود. طبیعت هر چیزی را که لازم نیست از بین می برد و ما آن را همه جا می بینیم. با این حال، 96 درصد از DNA ما فقط آشغال است! آیا ما، اوج تکامل، 96 درصد زباله هستیم؟ این با هر چیزی که ما در طبیعت مشاهده می کنیم در تضاد است، اما این دقیقاً همان چیزی است که اتفاق افتاده است. بخش‌هایی از DNA که برای پروتئین‌ها کد نمی‌کنند، حتی بهترین ذهن‌ها آن را «بی مصرف» اعلام کرده‌اند.مناطق کد کننده غیر پروتئینی تصادفی بودند، هیچ تقارن یا هدف ظاهری نداشتند و بی فایده به نظر می رسیدند.

با متفکران غیر سه بعدی آشنا شوید

بیایید سعی کنیم با ایده های جدید به بشقاب پرنده خود نزدیک شویم. شاید این «پرکننده» به ظاهر آشفته اصلاً بخشی از موتور نباشد. شاید نقشه باشد! بالاخره کشتی باید بداند به کجا می رود. سپس فکر می کنید که این نوع دیگری از کارت است. شاید در حالت کوانتومی کشتی به نقشه کوانتومی نیاز داشته باشد؟ چه می تواند باشد؟ اینکه باید چیزی وجود داشته باشد که به او اجازه دهد در یک دنیای خطی وجود داشته باشد، اما بتواند به یک موتور براق کوچک دستور دهد تا کشتی را در سه بعدی کنترل کند. در این صورت می دانیم که کشتی دارای ویژگی های چند بعدی است زیرا می تواند جرم خود را کنترل کند. ما همچنین از فیزیک کوانتومی خود می دانیم که وقتی به دنیای چندبعدی حرکت می کنیم، زمان و مکان همانطور که می شناسیم دیگر وجود ندارند. این دو مفهوم جای خود را به پتانسیل‌ها و انبوهی کاملاً غیرخطی و گیج‌کننده از «قوانین رویداد» داده‌اند، که در بعد سوم برای ما بسیار کم معنا هستند. بنابراین "پرکننده" عجیب و آشفته به هیچ وجه بی نظم نیست - فقط برای موجودات سه بعدی (شما، من و دانشمندان) چنین به نظر می رسد! باید دقیقاً همان جایی باشد که موتور توانایی حرکت کشتی را داشته باشد. می توان گفت که "پرکننده" یک اصلاح کننده موتور است و باید به مقدار قابل توجهی وجود داشته باشد زیرا چیزهای زیادی برای "گفتن" به موتور در مورد نحوه حرکت چند بعدی دارد.

سال‌ها اصطلاح «DNA ناخواسته» را تحمل کردیم. با این حال، ناگهان ما شروع به تفکر متفاوت کردیم. "چه می شود اگر،- یکی گفت، - هیچ کدی در زباله وجود ندارد، زیرا نباید آنجا باشد؟ چه می‌شود اگر آن 96 درصد DNA به نحوی حاوی قوانین کوانتومی غیرخطی باشد که بر بخش‌های رمزگذاری‌شده حاکم است؟ این یک مفهوم کاملاً جدید و بحث برانگیز است - اما حداقل از منطق محدود سه بعدی فراتر می رود!

در اینجا پیامی از دانشگاه کالیفرنیا در سن دیگو در 13 ژوئیه 2007، همانطور که در CBS News گزارش شده است:

دانشمندان آمریکایی می گویند که به اصطلاح "DNA ناخواسته" - 96 درصد از ژنوم انسان که به نظر بی فایده به نظر می رسد - ممکن است نقش مهمتری نسبت به نام آن داشته باشد. یک تیم بین المللی از دانشمندان کشف کرده اند که برخی از DNA ناخواسته ممکن است برای ایجاد چارچوبی مفید باشد که به سازماندهی مناسب 4 درصد باقی مانده کمک کند. ویکتوریا لونیاک، یکی از محققان دانشگاه KUSD، یکی از نویسندگان این نظریه، می‌گوید: «برخی از DNA ناخواسته را می‌توان علامت‌های نقطه‌گذاری، کاما و نقطه در نظر گرفت که به درک معنای بخش‌های رمزگذاری‌شده ژنوم کمک می‌کند.

من فکر می کنم که ما شروع به دیدن جنبه چند بعدی زیست شناسی خود کرده ایم، که آشکارا بسیار بزرگ است! چه می شود اگر 96 درصد از DNA ما مجموعه ای از دستورالعمل ها برای 4 درصد دیگر باشد؟سپس این بخش به هیچ وجه آشفته نیست، فقط برای تفکر سه بعدی چنین به نظر می رسد. آیا علائم نگارشی می توانند حروف الفبا باشند؟ خیر بعدش چیه؟ آیا تقارن دارند؟ آیا آنها به نوعی تلفظ می شوند؟ خیر اگر به علائم نگارشی در زبان ما نگاه کنید، ممکن است به نظر برسد که آنها به ترتیب تصادفی قرار گرفته اند. به عنوان مثال، اگر بدون دانستن چیزی در مورد زبان و ساختار آن، به این صفحه نگاه کنید، علائم نگارشی به نظر شما بی معنی می شود. تقارن ندارند. اگر این صفحه را از طریق یک ابر رایانه اجرا کنید، در نهایت کلمات و معنای احتمالی آنها را شناسایی می کند، اما نه علائم نگارشی.

در مورد آن فکر کنید. موتوری که در بشقاب پرنده به دنبال آن بودیم در واقع آنجا بود. این بخش کد کننده پروتئین 4٪ به عنوان "موتور درخشان" عمل می کند. و "زباله" 96٪ است، مشابه پرکننده دانه ای. اکنون ما گمان می کنیم که چیز کاملاً متفاوتی در حال وقوع است و 96٪ ممکن است در واقع یک الگوی سازنده چند بعدی باشد و 4٪ صرفاً موتوری باشد که از طراحی آن پیروی می کند.

به نظر شما این نسبت جالب نیست؟ طبق آموزه های کریون، تنها 8 درصد از DNA در بعد سوم قرار دارد و 92 درصد از DNA بقیه را کنترل می کند.

ممکن است شاهد درک تدریجی این باشیم که DNA بسیار متفاوت از آنچه انتظار داشتیم عمل می‌کند و پیچیده‌تر از رمزی است که بتوان آن را به صورت شیمیایی خواند.

گزیده ای از کتاب کریون و لی کارول، "دوازده لایه DNA"

(به همراه RNA) که پلیمرها یا به طور دقیق تر پلی نوکلئوتیدها (مونومر - نوکلئوتید) هستند.

DNA مسئول ذخیره و انتقال کد ژنتیکی در طول تقسیم سلولی است. از طریق مولکول های DNA است که وراثت و تغییرپذیری تحقق می یابد. همه انواع RNA از DNA سنتز می شوند. علاوه بر این، انواع مختلف RNA به طور مشترک سنتز پروتئین های سلولی را تضمین می کنند، یعنی اطلاعات ژنتیکی را پیاده سازی می کنند.

در سلول های یوکاریوتی، اکثریت قریب به اتفاق DNA در هسته یافت می شود، جایی که با پروتئین های خاص کمپلکس می شود تا کروموزوم ها را تشکیل دهند. در سلول های پروکاریوتی یک مولکول DNA بزرگ دایره ای (یا خطی) وجود دارد (همچنین در کمپلکس با پروتئین ها). علاوه بر این، سلول‌های یوکاریوتی دارای DNA خاص خود در میتوکندری و کلروپلاست هستند.

در مورد DNA، هر نوکلئوتید شامل 1) یک باز نیتروژن است که می تواند آدنین، گوانین، سیتوزین یا تیمین، 2) دئوکسی ریبوز، 3) اسید فسفریک باشد.

توالی نوکلئوتیدها در یک زنجیره DNA ساختار اولیه مولکول را تعیین می کند. DNA با ساختار ثانویه مولکول به شکل یک مارپیچ دوتایی (اغلب راست دست) مشخص می شود. در این حالت دو رشته DNA توسط پیوندهای هیدروژنی تشکیل شده بین بازهای نیتروژنی مکمل به یکدیگر متصل می شوند.

آدنین مکمل تیمین و گوانین مکمل سیتوزین است. دو پیوند هیدروژنی بین آدنین و تیمین و سه پیوند بین گوانین و سیتوزین تشکیل می شود. بنابراین، گوانین و سیتوزین کمی محکم تر به یکدیگر متصل می شوند (اگرچه پیوندهای هیدروژنی در اصل ضعیف هستند). تعداد پیوندها با ویژگی های ساختاری مولکول ها تعیین می شود.

آدنین و گوانین پورین هستند و از دو حلقه تشکیل شده اند. تیمین و سیتوزین بازهای پیریمیدین تک حلقه ای هستند. بنابراین، بین ستون فقرات (متشکل از متناوب دئوکسی ریبوز و اسید فسفریک) دو زنجیره DNA، برای هر جفت نوکلئوتید از زنجیره های مختلف، همیشه سه حلقه وجود دارد (زیرا یک پورین دو حلقه همیشه فقط مکمل یک حلقه منفرد خاص است. پیریمیدین). این اجازه می دهد تا عرض بین رشته های مولکول DNA در کل یکسان بماند (تقریباً 2.3 نانومتر).

تقریباً 10 نوکلئوتید در یک دور مارپیچ وجود دارد. طول یک نوکلئوتید تقریباً 0.34 نانومتر است. طول مولکول های DNA معمولاً بسیار زیاد است و از میلیون ها نوکلئوتید فراتر می رود. بنابراین، برای اینکه DNA فشرده‌تر در هسته سلول قرار گیرد، تحت درجات مختلفی از «ابر پیچیدگی» قرار می‌گیرد.

هنگام خواندن اطلاعات از DNA (یعنی سنتز RNA روی آن، این فرآیند نامیده می شود رونویسی) despiralization رخ می دهد (فرآیند معکوس مارپیچ)، دو زنجیره تحت عمل یک آنزیم خاص از هم جدا می شوند. پیوندهای هیدروژنی ضعیف هستند، بنابراین جداسازی و متعاقب آن پیوند متقابل زنجیره‌ها با مصرف انرژی کم اتفاق می‌افتد. RNA بر اساس همان اصل مکمل بودن از DNA سنتز می شود. فقط به جای تیمین در RNA، اوراسیل مکمل آدنین است.

کد ژنتیکی که روی مولکول‌های DNA نوشته شده است از سه‌قلوها (توالی از سه نوکلئوتید) تشکیل شده است که یک اسید آمینه (مونومر پروتئین) را نشان می‌دهند. با این حال، بیشتر DNA برای پروتئین کد نمی کند. اهمیت چنین بخش هایی از مولکول متفاوت است و تا حد زیادی به طور کامل درک نشده است.

قبل از تقسیم سلول، مقدار DNA همیشه دو برابر می شود. این فرآیند نامیده می شود همانند سازی. ماهیت آن نیمه محافظه‌کار است: زنجیره‌های یک مولکول DNA از هم جدا می‌شوند و هر یک با زنجیره مکمل جدید خود تکمیل می‌شود. در نتیجه، از یک مولکول DNA دو رشته ای، دو DNA دو رشته ای مشابه با اولی بدست می آید.

در DNA، زنجیره های پلی نوکلئوتیدی چند جهته هستند، یعنی جایی که یک زنجیره دارای انتهایی 5 اینچی است (باقی مانده اسید فسفریک به پنجمین اتم کربن دئوکسی ریبوز متصل است)، دیگری دارای انتهای 3 اینچی (کربن عاری از اسید فسفریک) است.

در طول همانندسازی و رونویسی، سنتز همیشه در جهت از انتهای 5 اینچی به انتهای 3 اینچ پیش می‌رود، زیرا نوکلئوتیدهای جدید فقط می‌توانند به اتم کربن 3 اینچی آزاد بچسبند.

ساختار و نقش DNA به عنوان یک ماده مسئول اطلاعات ارثی در دهه 40-50 قرن بیستم روشن شد. در سال 1953، D. Watson و F. Crick ساختار دو رشته ای DNA را تعیین کردند. پیش از این، E. Chargaff دریافت که در DNA مقدار تیمین همیشه با آدنین و مقدار گوانین با سیتوزین مطابقت دارد.

به اسیدهای نوکلئیکشامل ترکیبات با پلیمر بالا است که در طی هیدرولیز به بازهای پورین و پیریمیدین، پنتوز و اسید فسفریک تجزیه می شوند. اسیدهای نوکلئیک حاوی کربن، هیدروژن، فسفر، اکسیژن و نیتروژن هستند. دو دسته از اسیدهای نوکلئیک وجود دارد: اسیدهای ریبونوکلئیک (RNA)و اسیدهای دئوکسی ریبونوکلئیک (DNA).

ساختار و عملکرد DNA

DNA- پلیمری که مونومرهای آن دئوکسی ریبونوکلئوتید هستند. مدلی از ساختار فضایی مولکول DNA به شکل یک مارپیچ دوگانه در سال 1953 توسط جی واتسون و اف. کریک پیشنهاد شد (برای ساخت این مدل از کارهای ام. ویلکینز، آر. فرانکلین، ای. شارگاف استفاده کردند. ).

مولکول DNAتشکیل شده توسط دو زنجیره پلی نوکلئوتیدی، که به صورت مارپیچی به دور یکدیگر و با هم حول یک محور خیالی پیچیده شده اند، یعنی. یک مارپیچ دوگانه است (با این استثنا که برخی از ویروس های حاوی DNA دارای DNA تک رشته ای هستند). قطر مارپیچ دوگانه DNA 2 نانومتر، فاصله بین نوکلئوتیدهای مجاور 0.34 نانومتر است و در هر چرخش مارپیچ 10 جفت نوکلئوتید وجود دارد. طول مولکول می تواند به چندین سانتی متر برسد. وزن مولکولی - ده ها و صدها میلیون. طول کل DNA در هسته یک سلول انسانی حدود 2 متر است.

مونومر DNA - نوکلئوتید (دئوکسی ریبونوکلئوتید)- متشکل از بقایای سه ماده است: 1) یک باز نیتروژن، 2) یک مونوساکارید پنج کربنه (پنتوز) و 3) اسید فسفریک. بازهای نیتروژنی اسیدهای نوکلئیک متعلق به کلاس های پیریمیدین ها و پورین ها هستند. بازهای پیریمیدین DNA(یک حلقه در مولکول آنها وجود دارد) - تیمین، سیتوزین. پایه های پورینی(دارای دو حلقه) - آدنین و گوانین.

مونوساکارید نوکلئوتید DNA دئوکسی ریبوز است.

نام یک نوکلئوتید از نام باز مربوطه گرفته شده است. نوکلئوتیدها و بازهای نیتروژنی با حروف بزرگ نشان داده می شوند.

زنجیره پلی نوکلئوتیدی در نتیجه واکنش های تراکم نوکلئوتیدی تشکیل می شود. در این مورد، بین 3 اینچ کربن باقیمانده دئوکسی ریبوز یک نوکلئوتید و باقی مانده اسید فسفریک یک نوکلئوتید دیگر، پیوند فسفوستری(از دسته پیوندهای کووالانسی قوی است). یک سر زنجیره پلی نوکلئوتیدی با کربن 5 اینچی (که انتهای 5 اینچی نامیده می شود) به پایان می رسد، سر دیگر با کربن 3 اینچی (انتهای 3 اینچی) به پایان می رسد.

در مقابل یک رشته از نوکلئوتیدها یک رشته دوم قرار دارد. آرایش نوکلئوتیدها در این دو زنجیره تصادفی نیست، اما کاملاً تعریف شده است: تیمین همیشه در مقابل آدنین یک زنجیره در زنجیره دیگر قرار دارد و سیتوزین همیشه در مقابل گوانین قرار دارد، دو پیوند هیدروژنی بین آدنین و تیمین ایجاد می‌شود و سه پیوندهای هیدروژنی بین گوانین و سیتوزین ایجاد می شود. الگویی که بر اساس آن نوکلئوتیدهای زنجیره های مختلف DNA به طور دقیق مرتب می شوند (آدنین - تیمین، گوانین - سیتوزین) و به طور انتخابی به یکدیگر متصل می شوند. اصل مکمل بودن. لازم به ذکر است که جی واتسون و اف. کریک پس از آشنایی با آثار ای.چارگاف به اصل مکمل بودن پی بردند. E. Chargaff، با مطالعه تعداد زیادی نمونه از بافت ها و اندام های موجودات مختلف، دریافت که در هر قطعه DNA، محتوای باقی مانده گوانین همیشه دقیقاً با محتوای سیتوزین و آدنین با تیمین مطابقت دارد. "قانون چارگاف") اما او نتوانست این واقعیت را توضیح دهد.

از اصل مکمل بودن نتیجه می شود که توالی نوکلئوتیدی یک زنجیره، توالی نوکلئوتیدی زنجیره دیگر را تعیین می کند.

رشته های DNA ضد موازی (چند جهتی) هستند، یعنی. نوکلئوتیدهای زنجیره های مختلف در جهات مخالف قرار دارند و بنابراین، در مقابل انتهای 3 اینچی یک زنجیره، انتهای 5 اینچی زنجیره دیگر قرار دارد. مولکول DNA گاهی اوقات با یک پلکان مارپیچ مقایسه می شود. "نرده" این راه پله ستون فقرات قند فسفات (بقایای متناوب دئوکسی ریبوز و اسید فسفریک) است. "گام ها" پایه های نیتروژنی مکمل هستند.

عملکرد DNA- ذخیره و انتقال اطلاعات ارثی.

تکثیر DNA (تکثیر)

- فرآیند خود تکراری، ویژگی اصلی مولکول DNA. همانندسازی متعلق به دسته واکنش های سنتز ماتریکس است و با مشارکت آنزیم ها اتفاق می افتد. تحت تأثیر آنزیم‌ها، مولکول DNA از هم باز می‌شود و یک زنجیره جدید در اطراف هر زنجیره ساخته می‌شود که طبق اصول مکمل و ضد موازی بودن به عنوان یک الگو عمل می‌کند. بنابراین، در هر DNA دختر، یک رشته، رشته مادر است و رشته دوم تازه سنتز شده است. این روش سنتز نامیده می شود نیمه محافظه کار.

"مواد ساختمانی" و منبع انرژی برای تکثیر هستند تری فسفات های دئوکسی ریبونوکلئوزید(ATP، TTP، GTP، CTP)، حاوی سه باقیمانده اسید فسفریک. هنگامی که تری فسفات های دئوکسی ریبونوکلئوزیدی در یک زنجیره پلی نوکلئوتیدی ادغام می شوند، دو باقی مانده اسید فسفریک انتهایی جدا می شوند و انرژی آزاد شده برای تشکیل یک پیوند فسفودی استری بین نوکلئوتیدها استفاده می شود.

آنزیم های زیر در همانندسازی نقش دارند:

هلیکازها (DNA "باز کردن")؛
پروتئین های بی ثبات کننده؛
توپوایزومرازهای DNA (DNA برش خورده)؛
DNA پلیمرازها (تری فسفات های دئوکسی ریبونوکلئوزیدی را انتخاب کنید و به طور مکمل آنها را به رشته الگوی DNA متصل کنید).
پریمازهای RNA (پرایمرهای RNA را تشکیل می دهند).
لیگازهای DNA (قطعات DNA را به یکدیگر پیوند می دهند).

با کمک هلیکازها، DNA در بخش های خاصی باز می شود، بخش های تک رشته ای DNA توسط پروتئین های بی ثبات کننده متصل می شوند و چنگال تکثیر. با واگرایی 10 جفت نوکلئوتیدی (یک دور مارپیچ)، مولکول DNA باید یک چرخش کامل حول محور خود انجام دهد. برای جلوگیری از این چرخش، DNA توپوایزومراز یک رشته از DNA را قطع می کند و به آن اجازه می دهد تا به دور رشته دوم بچرخد.

DNA پلیمراز می تواند یک نوکلئوتید را فقط به کربن 3 اینچی دئوکسی ریبوز نوکلئوتید قبلی متصل کند، بنابراین این آنزیم قادر است در امتداد DNA الگو تنها در یک جهت حرکت کند: از انتهای 3 اینچی تا انتهای 5 اینچی این DNA الگو. از آنجایی که در DNA مادر زنجیره ها ضد موازی هستند، در زنجیره های مختلف آن، زنجیره های پلی نوکلئوتیدی به طور متفاوت و در جهت مخالف اتفاق می افتند زنجیر دختر نامیده می شود; منتهی شدن. در یک زنجیره 5 "-3" - به طور متناوب، در قطعات ( تکه هایی از اوکازاکی) که پس از اتمام تکثیر، توسط لیگازهای DNA به یک رشته دوخته می شوند. این زنجیر کودک نامیده خواهد شد عقب ماندن (عقب ماندن).

ویژگی خاص DNA پلیمراز این است که می تواند کار خود را فقط با آن آغاز کند "دانه" (آغازگر). نقش "پرایمرها" توسط توالی های RNA کوتاه تشکیل شده توسط آنزیم RNA پریماز و جفت شده با DNA الگو انجام می شود. پرایمرهای RNA پس از اتمام مونتاژ زنجیره های پلی نوکلئوتیدی حذف می شوند.

همانندسازی در پروکاریوت ها و یوکاریوت ها به طور مشابه انجام می شود. سرعت سنتز DNA در پروکاریوتها یک مرتبه بزرگتر (1000 نوکلئوتید در ثانیه) نسبت به یوکاریوتها (100 نوکلئوتید در ثانیه) است. همانندسازی به طور همزمان در چندین بخش از مولکول DNA آغاز می شود. قطعه ای از DNA از یک مبدا همانند سازی به دیگری یک واحد همانندسازی را تشکیل می دهد - replicon.

همانندسازی قبل از تقسیم سلولی اتفاق می افتد. به لطف این توانایی DNA، اطلاعات ارثی از سلول مادر به سلول های دختر منتقل می شود.

ترمیم ("تعمیر")

غرامتفرآیند از بین بردن آسیب به توالی نوکلئوتیدی DNA است. توسط سیستم های آنزیمی خاص سلول ( آنزیم های ترمیم کننده). در فرآیند بازیابی ساختار DNA، مراحل زیر قابل تشخیص است: 1) نوکلئازهای ترمیم DNA ناحیه آسیب دیده را شناسایی و حذف می کنند، در نتیجه شکافی در زنجیره DNA ایجاد می شود. 2) DNA پلیمراز این شکاف را پر می کند و اطلاعات را از رشته دوم ("خوب") کپی می کند. 3) DNA لیگاز، نوکلئوتیدها را "پیوند متقاطع" می کند و تعمیر را تکمیل می کند.

سه مکانیسم ترمیم بیشتر مورد مطالعه قرار گرفته است: 1) ترمیم نوری، 2) ترمیم برش، یا قبل از تکرار، 3) تعمیر پس از تکرار.

تغییرات در ساختار DNA به طور مداوم تحت تأثیر متابولیت های فعال، اشعه ماوراء بنفش، فلزات سنگین و نمک های آنها و غیره در سلول رخ می دهد. بنابراین نقص در سیستم های ترمیم سرعت فرآیندهای جهش را افزایش می دهد و باعث بیماری های ارثی می شود (زیرودرما پیگمنتوزوم، پروگریا، و غیره.).

ساختار و عملکرد RNA

- پلیمری که مونومرهای آن هستند ریبونوکلئوتیدها. بر خلاف DNA، RNA نه توسط دو، بلکه توسط یک زنجیره پلی نوکلئوتیدی تشکیل می شود (با این استثنا که برخی از ویروس های حاوی RNA دارای RNA دو رشته ای هستند). نوکلئوتیدهای RNA قادر به ایجاد پیوند هیدروژنی با یکدیگر هستند. زنجیره های RNA بسیار کوتاه تر از زنجیره های DNA هستند.

مونومر RNA - نوکلئوتید (ریبونوکلئوتید)- متشکل از بقایای سه ماده است: 1) یک باز نیتروژن، 2) یک مونوساکارید پنج کربنه (پنتوز) و 3) اسید فسفریک. بازهای نیتروژنی RNA نیز از دسته پیریمیدین ها و پورین ها هستند.

بازهای پیریمیدین RNA اوراسیل و سیتوزین و بازهای پورینی آدنین و گوانین هستند. مونوساکارید نوکلئوتید RNA ریبوز است.

برجسته سه نوع RNA: 1) اطلاعاتی(پیام رسان) RNA - mRNA (mRNA)، 2) حمل و نقل RNA - tRNA، 3) ریبوزومی RNA - rRNA.

همه انواع RNA پلی نوکلئوتیدهای بدون انشعاب هستند، ترکیب فضایی خاصی دارند و در فرآیندهای سنتز پروتئین شرکت می کنند. اطلاعات مربوط به ساختار همه انواع RNA در DNA ذخیره می شود. فرآیند سنتز RNA روی یک الگوی DNA را رونویسی می نامند.

انتقال RNA هامعمولاً حاوی 76 (از 75 تا 95) نوکلئوتید است. وزن مولکولی - 25000-30000 tRNA حدود 10٪ از کل محتوای RNA در سلول را تشکیل می دهد. توابع tRNA: 1) انتقال اسیدهای آمینه به محل سنتز پروتئین، به ریبوزوم، 2) واسطه ترجمه. حدود 40 نوع tRNA در یک سلول یافت می شود که هر کدام دارای یک توالی نوکلئوتیدی منحصر به فرد هستند. با این حال، همه tRNA ها چندین ناحیه مکمل درون مولکولی دارند، به همین دلیل tRNA ها ترکیبی شبیه برگ شبدر به دست می آورند. هر tRNA دارای یک حلقه برای تماس با ریبوزوم (1)، یک حلقه آنتی کدون (2)، یک حلقه برای تماس با آنزیم (3)، یک ساقه پذیرنده (4) و یک آنتی کدون (5) است. اسید آمینه به انتهای 3 اینچی ساقه پذیرنده اضافه می شود. آنتی کدون- سه نوکلئوتید که کدون mRNA را "شناسایی" می کنند. باید تاکید کرد که یک tRNA خاص می تواند یک اسید آمینه کاملاً تعریف شده مربوط به آنتی کدون خود را منتقل کند. ویژگی ارتباط بین اسید آمینه و tRNA به دلیل خواص آنزیم aminoacyl-tRNA سنتتاز به دست می آید.

RNA ریبوزومیحاوی 3000-5000 نوکلئوتید؛ وزن مولکولی - 1,000,000-1,500,000 rRNA 80-85 درصد از کل محتوای RNA در سلول را تشکیل می دهد. در ترکیب با پروتئین های ریبوزومی، rRNA ریبوزوم ها را تشکیل می دهد - اندامک هایی که سنتز پروتئین را انجام می دهند. در سلول های یوکاریوتی، سنتز rRNA در هسته اتفاق می افتد. توابع rRNA: 1) یک جزء ساختاری ضروری ریبوزوم ها و در نتیجه تضمین عملکرد ریبوزوم ها. 2) اطمینان از تعامل ریبوزوم و tRNA. 3) اتصال اولیه ریبوزوم و کدون آغازگر mRNA و تعیین چارچوب خواندن، 4) تشکیل مرکز فعال ریبوزوم.

RNA های پیام رساناز نظر محتوای نوکلئوتید و وزن مولکولی (از 50000 تا 4000000) متفاوت است. mRNA تا 5 درصد از کل محتوای RNA در سلول را تشکیل می دهد. توابع mRNA: 1) انتقال اطلاعات ژنتیکی از DNA به ریبوزوم، 2) ماتریس برای سنتز یک مولکول پروتئین، 3) تعیین توالی اسید آمینه ساختار اولیه یک مولکول پروتئین.

ساختار و عملکردهای ATP

آدنوزین تری فسفریک اسید (ATP)- منبع جهانی و ذخیره کننده اصلی انرژی در سلول های زنده. ATP در تمام سلول های گیاهی و جانوری یافت می شود. مقدار ATP به طور متوسط 0.04٪ (از وزن مرطوب سلول) است، بیشترین مقدار ATP (0.2-0.5٪) در عضلات اسکلتی یافت می شود.

ATP از باقی مانده ها تشکیل شده است: 1) یک باز نیتروژن دار (آدنین)، 2) یک مونوساکارید (ریبوز)، 3) سه اسید فسفریک. از آنجایی که ATP حاوی نه یک، بلکه سه باقی مانده اسید فسفریک است، به ریبونوکلئوزید تری فسفات ها تعلق دارد.

بیشتر کارهایی که در سلول ها انجام می شود از انرژی هیدرولیز ATP استفاده می کند. در این حالت، زمانی که باقیمانده نهایی اسید فسفریک حذف می شود، ATP به ADP (آدنوزین دی فسفریک اسید) تبدیل می شود و هنگامی که باقی مانده اسید فسفریک دوم حذف می شود، به AMP (آدنوزین مونوفسفریک اسید) تبدیل می شود. بازده انرژی آزاد پس از حذف هر دو باقی مانده نهایی و دوم اسید فسفریک 30.6 کیلوژول است. حذف گروه سوم فسفات تنها با آزاد شدن 13.8 کیلوژول همراه است. پیوندهای بین باقیمانده های انتهایی و دوم، دوم و اول اسید فسفریک را ماکروارژیک (پر انرژی) می نامند.

ذخایر ATP دائماً پر می شود. در سلول های همه موجودات، سنتز ATP در فرآیند فسفوریلاسیون رخ می دهد، یعنی. افزودن اسید فسفریک به ADP فسفوریلاسیون با شدت های مختلف در طول تنفس (میتوکندری)، گلیکولیز (سیتوپلاسم) و فتوسنتز (کلروپلاست) رخ می دهد.

ATP رابط اصلی بین فرآیندهای همراه با آزادسازی و انباشت انرژی و فرآیندهایی است که با مصرف انرژی رخ می دهند. علاوه بر این، ATP، همراه با سایر تری فسفات های ریبونوکلئوزیدی (GTP، CTP، UTP)، بستری برای سنتز RNA است.

رفتن به سخنرانی شماره 3"ساختار و عملکرد پروتئین ها. آنزیم ها"

رفتن به سخنرانی شماره 5"نظریه سلولی. انواع سازمان سلولی

مولکول DNA از دو رشته تشکیل شده است که یک مارپیچ دوگانه را تشکیل می دهند. ساختار آن برای اولین بار توسط فرانسیس کریک و جیمز واتسون در سال 1953 رمزگشایی شد.

در ابتدا، مولکول DNA، متشکل از یک جفت زنجیره نوکلئوتیدی که به دور یکدیگر پیچ خورده اند، باعث ایجاد سؤالاتی در مورد اینکه چرا این شکل خاص را دارد، ایجاد شد. دانشمندان این پدیده را مکملی می نامند، به این معنی که فقط نوکلئوتیدهای خاصی را می توان در مقابل یکدیگر در رشته های آن یافت. به عنوان مثال، آدنین همیشه در مقابل تیمین قرار دارد و گوانین همیشه در مقابل سیتوزین قرار دارد. این نوکلئوتیدهای مولکول DNA مکمل نامیده می شوند.

به طور شماتیک به این صورت نشان داده شده است:

تی - الف

ج - جی

این جفت ها یک پیوند نوکلئوتیدی شیمیایی تشکیل می دهند که ترتیب اسیدهای آمینه را تعیین می کند. در مورد اول کمی ضعیف تر است. ارتباط بین C و G قوی تر است. نوکلئوتیدهای غیر مکمل با یکدیگر جفت تشکیل نمی دهند.

در مورد ساختمان

بنابراین، ساختار مولکول DNA خاص است. به دلایلی این شکل را دارد: واقعیت این است که تعداد نوکلئوتیدها بسیار زیاد است و فضای زیادی برای قرار دادن زنجیره های بلند مورد نیاز است. به همین دلیل است که زنجیره ها با پیچش مارپیچی مشخص می شوند. این پدیده مارپیچی نامیده می شود، این اجازه می دهد تا نخ ها حدود پنج تا شش برابر کوتاه شوند.

بدن از برخی مولکول‌های این نوع بسیار فعال استفاده می‌کند و برخی دیگر به ندرت. دومی، علاوه بر مارپیچ، همچنین تحت چنین "بسته بندی فشرده" مانند superspiralization قرار می گیرد. و سپس طول مولکول DNA 25-30 برابر کاهش می یابد.

"بسته بندی" یک مولکول چیست؟

فرآیند ابرپیچ شدن شامل پروتئین های هیستون است. آنها ساختار و ظاهر یک قرقره یا میله نخ را دارند. نخ های مارپیچی روی آنها پیچیده می شود، که بلافاصله "به طور فشرده" بسته بندی می شوند و فضای کمی را اشغال می کنند. هنگامی که نیاز به استفاده از یک یا آن نخ وجود دارد، از یک قرقره، به عنوان مثال، یک پروتئین هیستون، باز می شود و مارپیچ به دو زنجیره موازی باز می شود. زمانی که مولکول DNA در این حالت قرار دارد، می توان داده های ژنتیکی لازم را از روی آن خواند. با این حال، یک شرط وجود دارد. به دست آوردن اطلاعات تنها در صورتی امکان پذیر است که ساختار مولکول DNA شکلی بدون پیچش داشته باشد. کروموزوم هایی که برای خواندن قابل دسترسی هستند، یوکروماتین نامیده می شوند، و اگر آنها ابرپیچ هستند، پس از قبل هتروکروماتین هستند.

اسیدهای نوکلئیک

اسیدهای نوکلئیک مانند پروتئین ها بیوپلیمر هستند. عملکرد اصلی ذخیره، اجرا و انتقال ارثی (اطلاعات ژنتیکی) است. آنها در دو نوع وجود دارند: DNA و RNA (دئوکسی ریبونوکلئیک و ریبونوکلئیک). مونومرهای موجود در آنها نوکلئوتیدهایی هستند که هر کدام حاوی یک باقیمانده اسید فسفریک، یک قند پنج کربنه (دئوکسی ریبوز/ریبوز) و یک باز نیتروژنی است. کد DNA شامل 4 نوع نوکلئوتید است - آدنین (A) / گوانین (G) / سیتوزین (C) / تیمین (T). آنها در پایه نیتروژنی که دارند متفاوت هستند.

در یک مولکول DNA، تعداد نوکلئوتیدها می تواند بسیار زیاد باشد - از چند هزار تا ده ها و صدها میلیون. چنین مولکول های غول پیکری را می توان از طریق میکروسکوپ الکترونی بررسی کرد. در این صورت شما قادر خواهید بود زنجیره دوگانه ای از رشته های پلی نوکلئوتیدی را مشاهده کنید که توسط پیوندهای هیدروژنی پایه های نیتروژنی نوکلئوتیدها به یکدیگر متصل شده اند.

پژوهش

در طی تحقیقات، دانشمندان دریافتند که انواع مولکول های DNA در موجودات زنده مختلف متفاوت است. همچنین مشخص شد که گوانین یک زنجیره فقط می تواند به سیتوزین و تیمین به آدنین متصل شود. آرایش نوکلئوتیدها در یک زنجیره کاملاً با زنجیره موازی مطابقت دارد. به لطف این مکمل بودن پلی نوکلئوتیدها، مولکول DNA قادر به دو برابر شدن و بازتولید خود است. اما ابتدا زنجیره های مکمل تحت تأثیر آنزیم های خاصی که نوکلئوتیدهای جفت را از بین می برند، واگرا می شوند و سپس در هر یک از آنها سنتز زنجیره گم شده آغاز می شود. این به دلیل وجود نوکلئوتیدهای آزاد در مقادیر زیاد در هر سلول است. در نتیجه به جای "مولکول مادر" دو "دختر" از نظر ترکیب و ساختار یکسان تشکیل می شود و کد DNA به کد اصلی تبدیل می شود. این فرآیند پیشروی برای تقسیم سلولی است. انتقال تمام داده های ارثی از سلول های مادر به سلول های دختر و همچنین به تمام نسل های بعدی را تضمین می کند.

کد ژن چگونه خوانده می شود؟

امروزه نه تنها جرم یک مولکول DNA محاسبه می شود - همچنین می توان داده های پیچیده تری را که قبلاً برای دانشمندان غیرقابل دسترسی بود، کشف کرد. به عنوان مثال، می توانید اطلاعاتی در مورد نحوه استفاده یک موجود زنده از سلول خود بخوانید. البته در ابتدا این اطلاعات به صورت کدگذاری شده و به شکل ماتریس خاصی است و بنابراین باید به یک حامل خاص که RNA است منتقل شود. ریبونوکلئیک اسید قادر است از طریق غشای هسته ای به داخل سلول نفوذ کند و اطلاعات رمزگذاری شده درون آن را بخواند. بنابراین، RNA حامل داده های پنهان از هسته به سلول است و تفاوت آن با DNA در این است که به جای دئوکسی ریبوز، ریبوز و به جای تیمین اوراسیل دارد. علاوه بر این، RNA تک رشته ای است.

سنتز RNA

تجزیه و تحلیل عمیق DNA نشان داده است که پس از خروج RNA از هسته، وارد سیتوپلاسم می شود، جایی که می تواند به عنوان یک ماتریکس در ریبوزوم ها (سیستم های آنزیمی خاص) ادغام شود. با هدایت اطلاعات دریافتی، آنها می توانند توالی مناسب اسیدهای آمینه پروتئین را سنتز کنند. ریبوزوم از کد سه گانه یاد می گیرد که کدام نوع ترکیب آلی باید به زنجیره پروتئینی تشکیل دهنده متصل شود. هر اسید آمینه سه گانه خاص خود را دارد که آن را رمزگذاری می کند.

پس از تکمیل تشکیل زنجیره، شکل فضایی خاصی به خود می گیرد و به پروتئینی تبدیل می شود که قادر به انجام عملکردهای هورمونی، ساختمانی، آنزیمی و سایر عملکردهای خود است. برای هر موجود زنده ای یک محصول ژنی است. از آن است که انواع کیفیت ها، خواص و مظاهر ژن ها مشخص می شود.

ژن ها

فرآیندهای توالی یابی در درجه اول برای به دست آوردن اطلاعاتی در مورد تعداد ژن های یک مولکول DNA در ساختار خود ایجاد شدند. و اگرچه تحقیقات به دانشمندان این امکان را داده است که در این زمینه پیشرفت زیادی داشته باشند، هنوز نمی توان تعداد دقیق آنها را دانست.

همین چند سال پیش فرض بر این بود که مولکول های DNA تقریباً 100 هزار ژن دارند. کمی بعد این رقم به 80 هزار کاهش یافت و در سال 1998 متخصصان ژنتیک اعلام کردند که تنها 50 هزار ژن در یک DNA وجود دارد که تنها 3٪ از کل طول DNA را تشکیل می دهد. اما آخرین نتیجه گیری ژنتیک دانان قابل توجه بود. اکنون آنها ادعا می کنند که ژنوم شامل 25-40 هزار واحد از این واحدها است. به نظر می رسد که تنها 1.5 درصد از DNA کروموزومی مسئول کدگذاری پروتئین ها است.

تحقیقات به همین جا ختم نشد. یک تیم موازی از متخصصان مهندسی ژنتیک دریافتند که تعداد ژن ها در یک مولکول دقیقاً 32 هزار است. همانطور که می بینید، هنوز نمی توان به یک پاسخ قطعی دست یافت. تناقضات بسیار زیاد است. همه محققان تنها بر نتایج خود تکیه می کنند.

آیا تکامل وجود داشت؟

با وجود این واقعیت که هیچ مدرکی دال بر تکامل مولکول وجود ندارد (از آنجایی که ساختار مولکول DNA شکننده و کوچک است)، دانشمندان هنوز یک فرض را مطرح کردند. بر اساس داده های آزمایشگاهی، آنها نسخه زیر را بیان کردند: در مرحله اولیه ظاهرش، این مولکول به شکل یک پپتید خود-تکثیر شونده ساده بود که شامل حداکثر 32 اسید آمینه موجود در اقیانوس های باستانی بود.

پس از خود همانند سازی، به لطف نیروهای انتخاب طبیعی، مولکول ها توانایی محافظت از خود را در برابر عناصر خارجی به دست آوردند. آنها شروع به زندگی طولانی تری کردند و در مقادیر بیشتری تولید مثل کردند. مولکول هایی که خود را در حباب لیپیدی یافتند، از هر فرصتی برای تولید مثل خود برخوردار بودند. در نتیجه یک سری چرخه های متوالی، حباب های چربی شکل غشای سلولی و سپس - ذرات شناخته شده را به دست آوردند. لازم به ذکر است که امروزه هر بخش از یک مولکول DNA یک ساختار پیچیده و واضح است که تمام ویژگی های آن را دانشمندان هنوز به طور کامل مطالعه نکرده اند.

دنیای مدرن

اخیراً دانشمندان اسرائیلی کامپیوتری ساخته اند که می تواند تریلیون ها عملیات را در ثانیه انجام دهد. امروز این سریعترین خودروی روی زمین است. تمام راز این است که دستگاه نوآورانه از DNA نیرو می گیرد. پروفسورها می گویند که در آینده نزدیک، چنین رایانه هایی حتی قادر به تولید انرژی خواهند بود.

یک سال پیش، متخصصان موسسه Weizmann در Rehovot (اسرائیل) از ایجاد یک ماشین محاسباتی مولکولی قابل برنامه ریزی متشکل از مولکول ها و آنزیم ها خبر دادند. آنها ریزتراشه های سیلیکونی را با آنها جایگزین کردند. تا به امروز، تیم پیشرفت بیشتری داشته است. اکنون فقط یک مولکول DNA می تواند داده های لازم و سوخت لازم را در اختیار کامپیوتر قرار دهد.

نانوکامپیوترهای بیوشیمیایی یک داستان تخیلی نیستند. اما اغلب آنها توسط مردم مدیریت نمی شوند. یک فرد هنوز نمی تواند روی ژنوم هیچ گیاهی عمل کند تا مثلاً عدد "Pi" را محاسبه کند.

ایده استفاده از DNA برای ذخیره و پردازش داده ها برای اولین بار در سال 1994 به ذهن دانشمندان رسید. در آن زمان بود که از یک مولکول برای حل یک مسئله ساده ریاضی استفاده شد. از آن زمان، تعدادی از گروه های تحقیقاتی پروژه های مختلف مرتبط با کامپیوترهای DNA را پیشنهاد کرده اند. اما در اینجا همه تلاش ها فقط بر اساس مولکول انرژی بود. شما نمی توانید چنین کامپیوتری را با چشم غیرمسلح ببینید. هیچ بخش مکانیکی در آن وجود ندارد، بلکه فقط تریلیون ها دستگاه بیومولکولی وجود دارد - و این فقط در یک قطره مایع است!

DNA انسان

مردم از نوع DNA انسان در سال 1953 آگاه شدند، زمانی که دانشمندان برای اولین بار توانستند یک مدل DNA دو رشته ای را به دنیا نشان دهند. برای این کار، کرک و واتسون جایزه نوبل را دریافت کردند، زیرا این کشف در قرن بیستم اساسی شد.

البته با گذشت زمان، آنها ثابت کردند که یک مولکول انسانی ساختار یافته می تواند نه تنها شبیه نسخه پیشنهادی باشد. پس از انجام تجزیه و تحلیل دقیق تر DNA، آن ها شکل A-، B- و چپ دستی Z- را کشف کردند. فرم A- اغلب یک استثنا است، زیرا فقط در صورت کمبود رطوبت تشکیل می شود. اما این امر تنها در مطالعات آزمایشگاهی امکان پذیر است.

شکل B کلاسیک است و به عنوان یک زنجیر راست دست دوتایی شناخته می شود، اما شکل Z نه تنها در جهت مخالف سمت چپ پیچ خورده است، بلکه ظاهر زیگزاگی بیشتری نیز دارد. دانشمندان همچنین فرم G-quadruplex را شناسایی کرده اند. ساختار آن نه 2، بلکه 4 رشته دارد. به گفته متخصصان ژنتیک، این شکل در مناطقی که مقدار بیش از حد گوانین وجود دارد رخ می دهد.

DNA مصنوعی

امروزه DNA مصنوعی وجود دارد که یک کپی مشابه از DNA واقعی است. کاملاً از ساختار مارپیچ دوگانه طبیعی پیروی می کند. اما، برخلاف پلی نوکلئوتید اصلی، پلی نوکلئوتید مصنوعی تنها دو نوکلئوتید اضافی دارد.

از آنجایی که دوبله بر اساس اطلاعات به دست آمده از مطالعات مختلف DNA واقعی ایجاد شده است، می توان آن را کپی، خود تکرار و تکامل نیز کرد. کارشناسان حدود 20 سال است که روی ایجاد چنین مولکولی مصنوعی کار می کنند. نتیجه یک اختراع شگفت انگیز است که می تواند از کد ژنتیکی همانند DNA طبیعی استفاده کند.

به چهار پایه نیتروژنی موجود، ژنتیک دانان دو پایه دیگر اضافه کردند که با اصلاح شیمیایی پایه های طبیعی ایجاد شدند. برخلاف DNA طبیعی، DNA مصنوعی کاملاً کوتاه بود. این شامل تنها 81 جفت پایه است. با این حال، آن را نیز تکثیر و تکامل می یابد.

همانندسازی یک مولکول به‌دست‌آمده به‌طور مصنوعی به لطف واکنش زنجیره‌ای پلیمراز انجام می‌شود، اما تاکنون این امر به‌طور مستقل اتفاق نمی‌افتد، بلکه از طریق مداخله دانشمندان اتفاق می‌افتد. آنها به طور مستقل آنزیم های لازم را به DNA مذکور اضافه می کنند و آن را در یک محیط مایع آماده شده مخصوص قرار می دهند.

نتیجه نهایی

فرآیند و نتیجه نهایی توسعه DNA را می توان تحت تأثیر عوامل مختلفی مانند جهش قرار داد. این امر مطالعه نمونه های ماده را ضروری می سازد تا نتیجه تجزیه و تحلیل قابل اعتماد و قابل اعتماد باشد. یک نمونه آزمایش پدری است. اما نمی‌توانیم از این که حوادثی مانند جهش نادر است خوشحال باشیم. با این وجود، نمونه‌های ماده همیشه مجدداً بررسی می‌شوند تا اطلاعات دقیق‌تری بر اساس آنالیز به دست آید.

DNA گیاهی

به لطف فناوری های توالی یابی بالا (HTS)، انقلابی در زمینه ژنومیک ایجاد شده است - جداسازی DNA از گیاهان نیز امکان پذیر است. البته بدست آوردن DNA با وزن مولکولی باکیفیت از مواد گیاهی به دلیل تعداد زیاد نسخه های DNA میتوکندری و کلروپلاست و همچنین سطح بالای پلی ساکاریدها و ترکیبات فنلی با مشکلاتی مواجه است. برای جداسازی سازه مورد نظر در این مورد از روش های مختلفی استفاده می شود.

پیوند هیدروژنی در DNA

پیوند هیدروژنی در مولکول DNA مسئول جاذبه الکترومغناطیسی ایجاد شده بین یک اتم هیدروژن با بار مثبت است که به یک اتم الکترونگاتیو متصل است. این برهمکنش دوقطبی معیار یک پیوند شیمیایی را برآورده نمی کند. اما می تواند به صورت بین مولکولی یا در قسمت های مختلف مولکول، یعنی داخل مولکولی رخ دهد.

یک اتم هیدروژن به اتم الکترونگاتیو که دهنده پیوند است می چسبد. یک اتم الکترونگاتیو می تواند نیتروژن، فلوئور یا اکسیژن باشد. این - از طریق تمرکززدایی - ابر الکترونی را از هسته هیدروژن به سمت خود جذب می کند و اتم هیدروژن را (تا حدی) بار مثبت می کند. از آنجایی که اندازه H در مقایسه با سایر مولکول ها و اتم ها کوچک است، بار نیز کوچک است.

رمزگشایی DNA

قبل از رمزگشایی یک مولکول DNA، دانشمندان ابتدا تعداد زیادی سلول را می گیرند. برای دقیق ترین و موفق ترین کار، حدود یک میلیون مورد نیاز است. نتایج به دست آمده در طول مطالعه به طور مداوم مقایسه و ثبت می شود. امروزه رمزگشایی ژنوم دیگر نادر نیست، بلکه یک روش قابل دسترس است.

البته رمزگشایی ژنوم یک سلول یک تمرین غیرعملی است. داده های به دست آمده در طول چنین مطالعاتی برای دانشمندان جالب نیست. اما درک این نکته مهم است که همه روش‌های رمزگشایی موجود، علیرغم پیچیدگی‌شان، به اندازه کافی مؤثر نیستند. آنها فقط اجازه خواندن 40-70 درصد از DNA را می دهند.

با این حال، اخیراً اساتید هاروارد روشی را اعلام کردند که از طریق آن می توان 90 درصد ژنوم را رمزگشایی کرد. این تکنیک مبتنی بر افزودن مولکول های آغازگر به سلول های جدا شده است که با کمک آن تکثیر DNA آغاز می شود. اما حتی این روش را نمی توان موفق دانست.

اسید دئوکسی ریبونوکلئیک یا DNA، بلوک ساختمانی حیات، کد حافظه بیولوژیکی است که انتقال داده های ژنتیکی از نسلی به نسل دیگر را در طول تکامل موجودات زنده تضمین می کند. DNA به شکل یک مارپیچ دوتایی ساخته می شود و همچنین حاوی اطلاعاتی در مورد ساختار انواع مختلف RNA و پروتئین است. از نظر شیمیایی، DNA یک مولکول پلیمری طولانی است که از بلوک های تکراری نوکلئوتیدها تشکیل شده است. با این حال، از دیدگاه بیولوژیکی، DNA کلید درک زندگی در ظریف ترین سطح است، راهی برای آزمایشات روی ژنوم، که امکان رمزگشایی کد DNA و آینده بشریت به عنوان طبقه ای از موجودات مستقل از طبیعت را فراهم می کند. سیر تکاملی. برای کشف ساختار DNA در سال 1953، سه دانشمند در سال 1962 جایزه نوبل فیزیولوژی یا پزشکی را دریافت کردند.

من واقعاً نمی‌خواهم کسانی را که به واقعیت نسی اعتقاد دارند (همانطور که معمولاً هیولایی که ظاهراً در دریاچه اسکاتلند زندگی می‌کند نامیده می‌شود) ناامید کنم، با این حال، از همه نسخه‌های موجود درباره اینکه واقعاً چه کسی در اعماق دریاچه زندگی می‌کند. ، این قابل قبول ترین به نظر می رسد. البته دانشمندان نمی توانند با اطمینان 100% بگویند که نسی یک مارماهی است، با این حال، آنها اکنون دلایل خوبی برای این فکر دارند. بنابراین، به احتمال زیاد، نسی چیزی بیش از تکرار داستان در مورد چهره نخواهد بود. این یکی را یادت هست؟ آنها در مورد او بسیار صحبت کردند و بعدها مشخص شد که چهره مشهور چیزی جز خلاقیت باد، آب و تخیل وحشی انسان مریخی نیست.

دانشمندان از نقاط مختلف جهان در تلاش هستند تا مرز بین موجودات مصنوعی و زنده را محو کنند تا در نهایت ربات هایی بسازند که قادر به تولید مستقل نوع خود باشند. اولین قدم برای این امر اخیراً توسط محققان دانشگاه کرنل برداشته شد - آنها مواد بیولوژیکی ایجاد کردند که سه ویژگی کلیدی موجودات زنده را نشان می دهد: خود سازماندهی، توانایی متابولیک و توسعه.

شاید خواندن آن مفید باشد: