Будова ДНК: особливості, схема. Яку будову має молекула ДНК?

ДНК є універсальним джерелом та зберігачем спадкової інформації, яка записана за допомогою спеціальної послідовності нуклеотидів, вона визначає властивості всіх живих організмів.

Середня молекулярна маса нуклеотиду приймається рівною 345, а кількість нуклеотидних залишків може досягати кількох сотень, тисяч і навіть мільйонів. ДНК в своїй основній масі знаходиться в ядрах клітин. Трохи міститься у хлоропластах та мітохондріях. Проте ДНК ядра клітини – це одна молекула. Вона складається з безлічі молекул, які розподілені за різними хромосомами, їх кількість змінюється залежно від організму. Це і є особливості будови ДНК.

Історія відкриття ДНК

Будова та функції ДНК були відкриті Джеймсом Вотсоном та Френсісом Криком, їм навіть була вручена Нобелівська премія у 1962 році.

Але вперше виявив нуклеїнові кислоти швейцарський вчений Фрідріх Йоган Мішер, який працював у Німеччині. У 1869 році він вивчав тваринні клітини – лейкоцити. Для їхнього одержання використовував пов'язки з гноєм, які діставалися йому з лікарень. З гною Мішер вимивав лейкоцити, та якщо з них виділяв білок. У ході цих досліджень вченому вдалося встановити, що в лейкоцитах крім білків є ще щось, якесь невідоме на той момент речовина. Воно являло собою ниткоподібний або пластівцевий осад, який виділявся, якщо створити кисле середовище. Осад відразу розчинявся при додаванні лугу.

Вчений з допомогою мікроскопа виявив, що з відмиванні лейкоцитів з допомогою соляної кислоти від клітин залишаються ядра.Тоді він зробив висновок, що в ядрі є невідома речовина, яку він назвав нуклеїном (слово nucleus в перекладі означає ядро).

Провівши хімічний аналіз, Мішер з'ясував, що нова речовина у своєму складі має вуглець, водень, кисень та фосфор. Тоді фосфорорганічних сполук було відомо небагато, тому Фрідріх вирішив, що виявив новий клас сполук, що у ядрі клітини.

Таким чином, у ХІХ столітті було відкрито існування нуклеїнових кислот. Однак тоді ніхто не міг навіть подумати про те, яка важлива роль їм належить.

Речовина спадковості

Будова ДНК продовжували досліджувати, і в 1944 році група бактеріологів під керівництвом Освальда Евері отримала докази того, що ця молекула заслуговує на серйозну увагу. Вчений протягом багатьох років займався вивченням пневмококів, організмів, які викликали пневмонію чи захворювання легень. Евері проводив досліди, змішуючи пневмококи, що викликають захворювання, з тими, що безпечні для живих організмів. Спочатку хвороботворні клітини вбивали, а потім додавали до них ті, що захворювань не викликають.

Результати досліджень вразили всіх. Були такі живі клітини, які після взаємодії з мертвими навчалися викликати хворобу. Вчений з'ясував природу речовини, яка бере участь у передачі інформації живим клітинам від мертвих. Молекула ДНК і виявилася цією речовиною.

Будова

Отже, потрібно розібратися про те, яку будову має молекула ДНК. Відкриття її структури стало значним подією, це призвело до утворення молекулярної біології – нова галузь біохімії. ДНК у великих кількостях знаходиться в ядрах клітин, проте розміри та кількість молекул залежать від виду організму.Встановлено, що ядра клітин ссавців містять багато цих клітин, вони розподілені за хромосомами, їх налічується 46.

Вивчаючи будову ДНК, в 1924 році Фельген вперше встановив її локалізацію. також у яйцеклітинах деяких тварин. Відомо, що чим складніше організм, тим більше ДНК. молекул, що у клітині, залежить від функції і становить зазвичай 1-10% Найменше їх у міоцитах (0,2%), більше – у статевих клітинах (60%).

Будова ДНК показала, що в хромосомах вищих організмів вони пов'язані з простими білками - альбумінами, гістонами та іншими, які всі разом утворюють ДНП (дезоксирибонуклеопротеїд). звана репаруюча система, що складається з ферментів – лігаз та нуклеаз, які відповідають за «ремонт» молекули.

Хімічна будова ДНК

ДНК є полімером, полінуклеотидом, що складається з величезного числа (до десятків тисяч мільйонів) мононуклеотидів. Г) - з похідних пурину. Крім азотистих основ, у складі молекули людини і тварин. є 5-метилцитозин - мінорна піримідинова основа.

Правила Чаргафа

Будова та біологічна роль ДНК вивчалися Е. Чаргаффом у 1949 році.У ході досліджень він виявив закономірності, які спостерігаються у кількісному розподілі азотистих основ:

1. ∑Т + Ц = ∑А + Г (тобто число піримідинових основ дорівнює числу пуринових).
2. Завжди кількість залишків аденіну дорівнює кількості залишків тиміну, а кількість гуаніну дорівнює цитозину.
3. Коефіцієнт специфічності має формулу: Г+Ц/А+Т. Наприклад, у людини вона дорівнює 1,5, у бика – 1,3.
4. Сума "А + Ц" дорівнює сумі "Г + Т", тобто аденіну та цитозину є стільки ж, скільки гуаніну та тиміну.

Модель будови ДНК

Її створили Вотсон та Крик. Залишки фосфатів та дезоксирибоз розташовуються по хребту двох закручених спіралеподібним чином полінуклеотидних ланцюгів. Визначено, що площинні структури піримідинових і пуринових основ розташовуються перпендикулярно до осі ланцюга і утворюють як би ступені сходів у вигляді спіралі. Встановлено також, що завжди з'єднується з Т за допомогою двох водневих зв'язків, а Г прикріплено до Ц вже трьома такими ж зв'язками. Цьому явищу дали назву "принцип вибірковості та комплементарності".

рівні структурної організації

Вигнутий як спіраль полінуклеотидний ланцюг – це первинна структура, яка має певний якісний та кількісний набір мононуклеотидів, пов'язаних 3',5'-фосфодіефірним зв'язком. Таким чином, кожен з ланцюгів має 3'-кінець (дезоксирибозу) і 5'-кінець (фосфатний). Ділянки, які містять генетичну інформацію, названі структурними генами.

Двоспіральна молекула – це вторинна структура. Причому її полінуклеотидні ланцюги антипаралельні та зв'язуються водневими зв'язками між комплементарними основами ланцюгів. Встановлено, що у кожному витку цієї спіралі міститься 10 нуклеотидних залишків, довжина її дорівнює 3,4 нм.Цю структуру підтримують також Ван-дер-Ваальсові сили взаємодії, які спостерігаються між основами одного ланцюга, що включають відштовхувальні та притягуючі компоненти. Ці сили пояснюються взаємодією електронів у сусідніх атомах. Електростатична взаємодія також стабілізує вторинну структуру. Воно виникає між позитивно зарядженими молекулами гістонів і зарядженою негативно ниткою ДНК.

Третинна структура – ​​це намотування ланцюгів ДНК на гістони чи суперспіралізація. Описано п'ять видів гістонів: Н1, Н2А, Н2В, Н3, Н4.

Укладання нуклеосом у хроматин – це четвертинна структура, тому молекула ДНК, що має довжину кілька сантиметрів, може складатися до 5 нм.

Функції ДНК

Основними функціями ДНК є:

1. Зберігання спадкової інформації. Послідовність амінокислот, що у молекулі білка, визначається порядком, у якому розташовані нуклеотидні залишки в молекулі ДНК. Також у ній зашифрована вся інформація про властивості та ознаки організму.
2. ДНК здатна передавати спадкову інформацію наступному поколінню. Це можливо через здатність до реплікації – самоподвоєння. ДНК здатна розпадатися на два комплементарні ланцюжки, і на кожному з них (відповідно до принципу комплементарності) відновлюється вихідна послідовність нуклеотидів.
3. За допомогою ДНК відбувається біосинтез білків, ферментів та гормонів.

Висновок

Будова ДНК дозволяє їй бути зберігачем генетичної інформації, а також передавати її наступним поколінням. Які особливості у цієї молекули?

1. Стабільність. Це можливо завдяки глікозидним, водневим та фосфодіефірним зв'язкам, а також механізму репарації індукованих та спонтанних ушкоджень.
2. Можливість реплікації.Цей механізм дозволяє у соматичних клітинах зберігати диплоїдну кількість хромосом.
3. Існування генетичного коду. За допомогою процесів трансляції та транскрипції послідовність основ, що знаходяться в ДНК, перетворюється на послідовність амінокислот, що знаходяться в поліпептидному ланцюзі.
4. Здатність до генетичної рекомбінації. При цьому утворюються нові поєднання генів, які зчеплені між собою.

Таким чином, будова та функції ДНК дозволяють їй відігравати неоціненну роль в організмах живих істот. Відомо, що довжина 46 молекул ДНК, що знаходяться в кожній клітині людини, дорівнює майже 2 м, а число нуклеотидних пар становить 3,2 млрд.

Практ. 2

а) матрицю: молекула ДНК;
б) субстрати: молекула ДНК;
в) фермент, що забезпечує з'єднання дезоксирибонуклеотидів в біополімер: ДНК-полімераза;
г) локалізацію в клітині: ядро, ядерце;
д) фазу клітинного циклу, у якій відбувається цей процес: синтетична (S-фаза).

2. Фрагмент одного ланцюга молекули ДНК має таку послідовність нуклеотидів: ЦГТ ГАТ ТТТ ГГТ ТГТ АГГ. Якою буде структура молекул ДНК після реплікації?

ГЦА ЦТА ААА ЦЦА АЦА ТЦЦ

3. Ділянка одного з ланцюгів молекули ДНК має наступний склад нуклеотидів:

…АГТ АЦГ ГЦА ТГЦ АТТ АЦА ТГЦ ЦГГ АЦГ ТОВТ… Запишіть нуклеотидний склад дочірніх ДНК, що утворилися внаслідок реплікації вихідного фрагмента молекули. Вкажіть, який із полінуклеотидних ланцюгів є старим, який — новим.

• Вихідна ДНК: АГТАЦГГЦАТГЦАТТАЦАТГЦЦГГАЦГТААТ.
• Дочірня ДНК: ТЦАТГЦЦГТАЦГТААТГТАЦГГЦЦТГЦАТТА.

4. Скільки та яких видів вільних нуклеотидів знадобиться при реплікації молекули ДНК, у якій кількість цитозину дорівнює 600 000, тиміну – 2 400 000?

Потрібно 600 000 гуаніну та 2 400 000 аденіну.

5. Загальна маса всіх молекул ДНК у 46 хромосомах однієї соматичної клітини людини становить $6 · 10^$ мг. Чому дорівнюватиме маса молекул ДНК після реплікації?

Реплікація ДНК - подвоєння молекули, тому логічно, що маса молекул ДНК після реплікації дорівнюватиме $12 · 10^$ мг.

6. Ферменти, які здійснюють реплікацію ДНК, рухаються зі швидкістю 0,6 мкм/хв. Скільки часу знадобиться для подвоєння ДНК у хромосомі, що має 500 репліконів (одиниць реплікації), якщо довжина кожного реплікону 60 мкм?

• $ 60 · 500 = 30 000 $ мкм (загальна довжина репліконів);
• Складемо пропорцію: $ dfrac = \ dfrac (за одну хвилину подвоюється $ 0.6 $ реплікону);
• Тоді $ x = \ dfrac = 50 000 $ (хвилин знадобиться для подвоєння ДНК у хромосомі).

7. У молекулі ДНК з 960 пуринових основ 420 становить гуанін. Визначте, скільки аденіну, гуаніну, тиміну і цитозину потрібно для синтезу нуклеотидів, щоб забезпечити реплікацію даної молекули.

А і Г - пуринові основи, значить:

Т = $ 960 - 420 = 540, $ А = Т = $ 540;
Г = Ц = $ 420.

8. Припустимо, що ДНК у клітинах кишкової палички синтезується зі швидкістю 100 000 нуклеотидів за хвилину та для реплікації хромосоми потрібно 10 хв. Яка довжина хромосоми кишкової палички у парах нуклеотидів? Яка довжина мм цієї двоспіральної молекули хромосоми?

• Довжина одного нуклеотиду $0.34$ нм
• $ 10 \, хв · 100 000 = 1 \, млн $ (нуклеотидів потрібно для реплікації хромосоми);
• $ 1 000 000 · 0.34 \, нм = 340 000 \, нм $ (довжина однієї спіралі хромосоми);
• $340 000 · 2 = 680 000 $ нм (довжина двоспіральної молекули хромосоми).

9. Молекула ДНК має відносну молекулярну масу 69 000, у тому числі 8625 припадає на частку аденілових нуклеотидів.Знайдіть кількість аденілових, тимілових, гуанілових та цитидилових нуклеотидів, що міститься в молекулах ДНК після реплікації вихідної молекули. Відносна молекулярна маса одного нуклеотиду загалом становить 345.

$ dfrac = 200 $ (загальна кількість нуклеотидів в ДНК);
$ dfrac = 25 $ (аденілових нуклеотидів в ДНК), А = Т = $ 25;
Г = Ц, $ 200 - (25 + 25) = 150, $ означає Г = Ц = $ 75.

10. Довжина фрагмента молекули ДНК становить 720 нм; частку цитидиловых нуклеотидів у цьому фрагменті припадає 15 %. Визначте відносну молекулярну масу відповідного фрагмента обох молекул ДНК після реплікації вихідної молекули, а також відсотковий вміст та сумарну кількість усіх нуклеотидів, що входять до складу фрагментів цих молекул ДНК.

1 нм = 2 нуклеотиди.
В одному ланцюзі ДНК:
720*2=1440

У двох ланцюгах ДНК:
1440 * 2 = 2880 нуклеотидів.

Mr двох молекул ДНК:
Mr = 2880 * 345 = 993600

Знаходимо нуклеотиди:
Правило комплементарності.
Ц=Г
Т=А.
Значить:
Ц = Р = 15%
Ц+Г= 30% (Сума Ц та Г нуклеотидів)
100%-30% = 70% (Сума А і Т нуклеотидів)
А = Т = 35%

Сума всіх нуклеотидів:
Г+Ц+А+Т = 30%+70% = 100%

Визначення середньої довжини та середньої молекулярної маси ДНК

Завдання 103.
Обчисліть масу (у грамах) подвійної спіралі ДНК, що має довжину, що дорівнює відстані від Землі до Місяця (384 000 км).
Рішення:
молекулярна маса одного нуклеотиду – 345 г/моль;
один крок - це повний виток спіралі ДНК - поворот на 360 ° С;
один крок становлять 10 пар нуклеотидів;
довжина одного кроку – 3,4 нм;
відстань між двома нуклеотидами – 0,34 нм;
за 1 м = 10 9 нм;
за 1 км = 10 11 нм;
384 000 = 384 . 10 14 нм.

Кількість нуклеотидів в одній спіралі ДНК складатиме:

кількість нуклеотидів = (384 . 10 14) / 0,34 = 112941176470588220 або 1,13 . 10 17 шт.

маса 1 спіралі ДНК буде складати:

маса спіралі ДНК = (1,13 . 10 17 ) . 345 = 38964705882352935000 або 3,9 . 10 19 р.

Маса ДНК = (3,9 . 10 19 ) . 2 = 77929411764705870000 або 7,8 . 10 19 р.

Відповідь: 7,8 . 10 19 р.

Завдання 104.
У молекулі ДНК 30% гуанілових нуклеотидів. Визначте відсотковий вміст Ц, Т, А та довжину молекули ДНК, якщо в ній лише 600 нуклеотидів.
Рішення:
Відповідно до принципу комплементарності кількість Р дорівнює кількості Ц, тобто. Р = Ц = 30%. Тоді їхня спільна кількість: Г + Ц = 60%, а кількість
А + Т = 100 - 60 = 40%, а окремо А = Т = 40: 2 = 20%. Довжина молекули ДНК визначається кількістю нуклеотидів в одному ланцюгу (тобто кількістю пар нуклеотидів) помноженим на довжину нуклеотиду. У ДНК 600 нуклеотидів (шт.) або 300 пар, відстань між сусідніми парами 0,34 нм, отже довжина молекули ДНК буде:

Відповідь: Р = 30%, Ц = 30%, А = 20%, Т = 20%; Довжина ДНК 102 нм.

Завдання 105.
Обчисліть середню довжину (у нанометрах) та середню молекулярну масу генів, що координують: а) тРНК (90 мононуклеотидних залишків); б) рибонуклеазу (124 амінокислотні залишки); в) міозин (1800 амінокислотних залишків).
Рішення:
Відстань між двома нуклеотидами – 0,34 нм;
молекулярна маса одного нуклеотиду – 345 г/моль.

а) тРНК (90 мононуклеотидних залишків)

Ген, що контролює тРНК, містить вдвічі більше мононуклеотидних залишків, отже, кількість нуклеотидів буде 180 (90 • 2 = 180).

Довжина гена = 180 . 0,34 = 61,2 нм.
Середня молекулярна маса гена = 180 . 345 = 62100 г/моль.

б) рибонуклеазу (124 амінокислотні залишки)

Кожну амінокислоту контролює кодон, що складається із трьох нуклеотидів. Тому ділянка однієї спіралі ДНК складатиметься з 372 нуклеотидів (124 . 3 = 372), а ген, з урахуванням того, що ДНК складається з двох спіралей, міститиме 744 нуклеотиди (372 . 2 = 744).

Довжина гена = 744 . 0,34 = 252,96 нм.

Середня молекулярна маса гена = 744 . 345 = 256 680 г/моль.

в) міозин (1800 амінокислотних залишків)

Кожну амінокислоту контролює кодон, що складається із трьох нуклеотидів. Тому іРНК складатиметься з 5400 нуклеотидів (1800 . 3 = 5400), а ген, з урахуванням того, що ДНК складається з двох спіралей, міститиме 10800 нуклеотиду (5400) . 2 = 10800).

Довжина гена = 10800 . 0,34 = 3672 нм.

Середня молекулярна маса гена = 10800 . 345 = 3726000 г/моль.

Визначення первинної структури поліпептиду за кодуючим ланцюгом ДНК

Завдання 106.
На ділянці лівого (умовно) ланцюга ДНК нуклеотиди розташовані в такій послідовності: АТАГТТАААТТТАЦЯ. Яку первинну структуру має поліпептид, якщо кодуючим є правий ланцюг ДНК? Що станеться із білком, якщо випаде п'ятий нуклеотид?
Рішення:
1. Первинна структура білка

1-й ланцюг ДНК: АТАГТТАААТТТАЦЯ
2-й ланцюг ДНК: ТАТЦААТТТАААТГТ

іРНК: АУА ГУУ ААА УУУ АЦА
поліпептид: Іле-Вал-Ліз-Фен-Тре

2. Первинна структура поліпептиду після випадання 5-го нуклеотиду

2-й ланцюг ДНК: ТАТ ЦАТ ТТА ААТ ГТ
іРНК: АУА ГУА ААУ УУА ЦА
поліпептид: Іле-Вал-Асп-Лей

• Ви тут:
• Головна
• Завдання
• Цитологія
• Довжина та маса молекули ДНК. Завдання 103 - 106