Molecola di DNA Struttura molecolare del DNA

Una molecola di DNA è costituita da due filamenti che formano una doppia elica. La sua struttura fu decifrata per la prima volta da Francis Crick e James Watson nel 1953.

All'inizio, una molecola di DNA costituita da una coppia di filamenti nucleotidici intrecciati l'uno sull'altro sollevava interrogativi sul perché ha questa particolare forma. Gli scienziati hanno definito questo fenomeno complementarità, il che significa che solo alcuni nucleotidi possono essere trovati nei suoi fili l'uno di fronte all'altro. Ad esempio, opposto alla timina è sempre adenina, e opposto alla citosina è la guanina. Questi nucleotidi sono molecole di DNA e sono chiamati complementari.

È schematicamente rappresentato come:

T - A

C - G

Queste coppie formano un legame nucleotidico chimico che determina l'ordine degli amminoacidi. Nel primo caso, è leggermente più debole. La connessione tra C e D è più duratura. I nucleotidi non complementari non formano coppie tra loro.

A proposito della struttura

Quindi, la struttura della molecola del DNA è speciale. Ha questa forma per una ragione: il fatto è che il numero di nucleotidi è molto grande, e c'è molto spazio per ospitare le lunghe catene. È per questa ragione che la torsione a spirale è inerente alle catene. Questo fenomeno è chiamato spiralizzazione: consente alle discussioni di accorciarsi da cinque a sei volte.

L'organismo utilizza alcune molecole di un tale piano molto attivamente, altre raramente. Questi ultimi, oltre alla spiralizzazione, sono anche sottoposti a tali "imballaggi compatti" come supercoiling. E poi la lunghezza della molecola di DNA viene ridotta di 25-30 volte.

Qual è il "pacco" della molecola?

Il processo di superavvolgimento coinvolge le proteine ​​istoniche. Hanno la struttura e l'aspetto di un rocchetto di filo o di un'asta. Su di essi vengono avvolti fili spiralati che diventano immediatamente "compatti" e occupano poco spazio. Quando si presenta la necessità di usare uno o un altro filo, esso viene avvolto da una bobina, ad esempio una proteina istonica, e l'elica gira su due catene parallele. Quando la molecola del DNA si trova esattamente in questo stato, è possibile leggere i dati genetici necessari. Tuttavia, c'è una condizione. Ottenere informazioni è possibile solo se la struttura della molecola di DNA ha un aspetto promosso. I cromosomi leggibili sono chiamati euchromatine e, se sono supersipiralizzati, sono già eterocromatine.

Acidi nucleici

Acidi nucleici, come le proteine, sono biopolimeri. La funzione principale è la conservazione, l'implementazione e la trasmissione ereditaria (informazioni genetiche). Sono di due tipi: DNA e RNA (desossiribonucleico e ribonucleico). I nucleotidi agiscono come monomeri in essi, ciascuno dei quali incorpora un residuo acido fosforico, zucchero a cinque atomi di carbonio (desossiribosio / ribosio) e una base di azoto. Il codice del DNA include 4 tipi di nucleotidi - adenina (A) / guanina (G) / citosina (C) / timina (T). Differiscono nella base azotata che contengono.

In una molecola di DNA, il numero di nucleotidi può essere enorme - da poche migliaia a decine e centinaia di milioni. Considerare tali molecole giganti può avvenire attraverso un microscopio elettronico. In questo caso, sarà possibile vedere un doppio filamento di fili polinucleotidici che sono interconnessi dai legami idrogeno delle basi azotate dei nucleotidi.

ricerca

Durante la ricerca, gli scienziati hanno scoperto che i tipi di molecole di DNA in diversi organismi viventi sono diversi. Si è anche scoperto che una guanina a catena singola può legarsi solo con citosina e timina con adenina. La disposizione dei nucleotidi di una catena è strettamente parallela. A causa di tale complementarità dei polinucleotidi, la molecola del DNA è in grado di raddoppiare e auto-riprodursi. Ma prima, le catene complementari sotto l'influenza di speciali enzimi che distruggono i nucleotidi accoppiati, divergono, e quindi in ciascuna di esse inizia la sintesi della catena mancante. Ciò è dovuto all'abbondanza di nucleotidi liberi in ogni cellula. Di conseguenza, al posto della "molecola madre", si formano due "figlie", identiche per composizione e struttura, e il codice del DNA diventa l'originale. Questo processo è un precursore della divisione cellulare. Fornisce il trasferimento di tutti i dati ereditari dalle cellule madri alle cellule figlie, così come a tutte le generazioni successive.

Come viene letto il codice genetico?

Oggi non viene calcolata solo la massa della molecola di DNA: è possibile scoprire dati più complessi che non erano precedentemente disponibili per gli scienziati. Ad esempio, puoi leggere informazioni su come il corpo usa la propria cella. Naturalmente, all'inizio questa informazione è codificata e sembra una specie di matrice, e quindi deve essere trasportata a un vettore speciale, che è l'RNA. L'acido ribonucleico è in grado di penetrare nella cellula attraverso la membrana del nucleo e leggere le informazioni codificate all'interno. Quindi, l'RNA è un portatore di dati nascosti dal nucleo alla cellula e differisce dal DNA in quanto contiene ribosio invece di desossiribosio e uracile invece di timina. Inoltre, l'RNA è a singolo filamento.

Sintesi dell'RNA

L'analisi approfondita del DNA ha dimostrato che dopo che l'RNA lascia il nucleo, entra nel citoplasma, dove può essere incorporato come una matrice nei ribosomi (sistemi enzimatici speciali). Guidati dalle informazioni ottenute, possono sintetizzare la corrispondente sequenza di aminoacidi proteici. Il ribosoma impara dal codice tripletta che tipo di composto organico è necessario associare alla catena proteica emergente. Ogni amminoacido ha una sua tripletta specifica, che lo codifica.

Una volta completata la formazione della catena, acquisisce una specifica forma spaziale e si trasforma in una proteina in grado di svolgere le sue funzioni ormonali, di costruzione, enzimatica e altre. Per qualsiasi organismo, è un prodotto genetico. È da esso che vengono determinati tutti i tipi di qualità, proprietà e manifestazioni dei geni.

geni

Prima di tutto, i processi di sequenziamento sono stati sviluppati per ottenere informazioni su quanti geni ha la struttura della molecola di DNA. E, anche se la ricerca ha permesso agli scienziati di andare lontano in questa materia, non è ancora possibile scoprire il loro numero esatto.

Alcuni anni fa si ipotizza che le molecole di DNA contengano circa 100 mila geni. Poco dopo, la cifra è scesa a 80 mila e nel 1998 i genetisti hanno dichiarato che in un DNA sono presenti solo 50 mila geni, che rappresentano solo il 3% della lunghezza totale del DNA. Ma hanno colpito le ultime conclusioni dei genetisti. Ora sostengono che il genoma include 25-40 mila unità menzionate. Risulta che solo l'1,5% del DNA cromosomico è responsabile della codifica delle proteine.

Su questa ricerca non si è fermata. Un team parallelo di esperti di ingegneria genetica ha scoperto che il numero di geni in una molecola è esattamente di 32 mila. Come puoi vedere, per ottenere una risposta definitiva non è ancora possibile. Troppe contraddizioni. Tutti i ricercatori si basano solo sui loro risultati.

Si stava evolvendo?

Nonostante il fatto che non ci siano prove per l'evoluzione della molecola (poiché la struttura della molecola del DNA è fragile e di piccole dimensioni), gli scienziati hanno suggerito un suggerimento. Basandosi su dati di laboratorio, hanno espresso la seguente versione: la molecola nella fase iniziale del suo aspetto aveva l'aspetto di un semplice peptide autoreplicante, che comprendeva fino a 32 amminoacidi contenuti negli oceani antichi.

Dopo l'auto-replicazione, grazie alla forza selezione naturale, le molecole hanno la capacità di proteggersi dagli effetti di elementi esterni. Hanno cominciato a vivere più a lungo e si riproducono in grandi quantità. Le molecole che si sono trovate nella vescica lipidica, hanno tutte le possibilità di auto-riprodursi. Come risultato di una successione di cicli consecutivi, le bolle lipidiche hanno acquisito la forma delle membrane cellulari, e già oltre - particelle ben note. Va notato che oggi qualsiasi parte della molecola del DNA è una struttura complessa e ben funzionante, tutte le caratteristiche di cui gli scienziati non sono ancora pienamente compresi.

Mondo moderno

Recentemente, scienziati israeliani hanno sviluppato un computer in grado di eseguire migliaia di miliardi di operazioni al secondo. Oggi è l'auto più veloce al mondo. L'intero segreto è che l'innovativo dispositivo funziona dal DNA. I professori dicono che nel prossimo futuro, tali computer possono persino generare energia.

Gli specialisti del Weizmann Institute di Rehovot (Israele) un anno fa hanno annunciato la creazione di un computer molecolare programmabile costituito da molecole ed enzimi. Li hanno sostituiti con microchip in silicio. Finora la squadra è avanzata. Ora solo una molecola di DNA può fornire al computer i dati necessari e fornire il carburante necessario.

"Nanocomputer" biochimici - questa non è finzione, esistono già in natura e si manifestano in ogni essere vivente. Ma spesso non sono controllati dalle persone. Una persona finora non può utilizzare il genoma di alcuna pianta per calcolare, per esempio, il numero "Pi".

L'idea di usare il DNA per l'archiviazione / elaborazione dei dati ha visitato per la prima volta le menti brillanti degli scienziati nel 1994. Fu allora che una molecola fu coinvolta nella risoluzione di un semplice problema matematico. Da allora, un certo numero di gruppi di ricerca hanno proposto vari progetti relativi ai computer del DNA. Ma qui tutti i tentativi erano basati solo sulla molecola energetica. Non si può vedere un simile computer ad occhio nudo, sembra una soluzione limpida di acqua in una provetta. Non ci sono parti meccaniche al suo interno, solo trilioni di dispositivi biomolecolari - e questo è solo in una goccia di liquido!

DNA umano

Che tipo di DNA uomo, gente Divenne noto nel 1953, quando gli scienziati furono in grado di dimostrare per la prima volta al mondo un modello di DNA a doppio filamento. Per questo, Kirk e Watson hanno ricevuto il premio Nobel, poiché questa scoperta è stata fondamentale nel 20 ° secolo.

Nel corso del tempo, ovviamente, hanno dimostrato che non è solo il modo in cui la versione proposta può sembrare una molecola umana strutturata. Conducendo un'analisi più dettagliata del DNA, scoperto A-, B- e sinistra-twistato forma Z-. La forma A è spesso un'eccezione, in quanto è formata solo se c'è una mancanza di umidità. Ma questo è possibile tranne che negli studi di laboratorio, poiché l'ambiente naturale è anormale, un tale processo non può verificarsi in una cellula vivente.

La forma B- è classica ed è conosciuta come una doppia catena ritorta a destra, ma la forma Z- non solo è attorcigliata nella direzione opposta, a sinistra, ma ha anche una forma più a zig-zag. Gli scienziati hanno anche identificato la forma G-quadruplex. La sua struttura non è 2, ma 4 fili. Secondo i genetisti, c'è una tale forma in quelle aree dove c'è una quantità eccessiva di guanina.

DNA artificiale

Oggi esiste già il DNA artificiale, che è una copia identica del presente; Ripete perfettamente la struttura della doppia elica naturale. Ma, a differenza del polinucleotide primordiale, in artificiale - solo due nucleotidi aggiuntivi.

Poiché il doppiaggio è stato creato sulla base delle informazioni ottenute nel corso di vari studi sul DNA reale, può anche essere copiato, autoreplicante e in evoluzione. Gli specialisti hanno lavorato alla creazione di una tale molecola artificiale per circa 20 anni. Il risultato è un'invenzione sorprendente che può usare il codice genetico allo stesso modo del DNA naturale.

Alle quattro basi azotate esistenti, la genetica ne ha aggiunte altre due, che sono state create modificando chimicamente le basi naturali. A differenza del DNA naturale, il DNA artificiale era piuttosto corto. Contiene solo 81 coppie di basi. Tuttavia, si moltiplica e si evolve.

La replicazione di una molecola ottenuta con mezzi artificiali avviene a causa della reazione a catena della polimerasi, ma finora questo non sta accadendo indipendentemente, ma attraverso l'intervento di scienziati. Nel suddetto DNA, aggiungono autonomamente gli enzimi necessari, posizionandoli in un mezzo liquido appositamente preparato.

Risultato finale

Vari fattori possono influenzare il processo e il risultato finale dello sviluppo del DNA, ad esempio le mutazioni. Ciò porta allo studio obbligatorio di campioni di materia, in modo che il risultato dei test sia affidabile e affidabile. Un esempio è un test di paternità. Ma non può che rallegrarsi che incidenti come la mutazione sono rari. Tuttavia, i campioni di materia sono sempre ricontrollati al fine di ottenere informazioni più accurate basate sull'analisi.

DNA vegetale

Grazie alle alte tecnologie di sequenziamento (HTS), è stata fatta una rivoluzione anche nel campo della genomica: è anche possibile l'estrazione del DNA dalle piante. Naturalmente, l'ottenimento di peso molecolare del DNA di alta qualità da materiale vegetale causa alcune difficoltà a causa dell'elevato numero di copie di mitocondri e di cloroplasti di DNA, nonché di alti livelli di polisaccaridi e composti fenolici. Per evidenziare la struttura che stiamo considerando, in questo caso verranno utilizzati una varietà di metodi.

Legame idrogeno nel DNA

L'attrazione elettromagnetica, creata tra un atomo di idrogeno caricato positivamente che è collegato ad un atomo elettronegativo, è responsabile del legame idrogeno nella molecola del DNA. Questa interazione dipolo non rientra nel criterio del legame chimico. Ma può essere realizzato in modo intermolecolare o in diverse parti della molecola, cioè intramolecolare.

Un atomo di idrogeno è collegato a un atomo elettronegativo, che è il donatore di questo legame. L'atomo elettronegativo può essere azoto, fluoro, ossigeno. Mediante il decentramento, attrae una nuvola di elettroni dal nucleo dell'idrogeno e rende l'atomo di idrogeno carico (parzialmente) positivamente. Poiché la dimensione di H è piccola, rispetto ad altre molecole e atomi, anche la carica è piccola.

Decrittazione del DNA

Prima di decifrare la molecola del DNA, gli scienziati prendono prima un numero enorme di cellule. Per il lavoro più accurato e di successo hanno bisogno di circa un milione. Ottenuto nel processo di studio dei risultati vengono costantemente confrontati e registrati. Oggi, decodificare il genoma non è più una rarità, ma una procedura accessibile.

Ovviamente, decifrare il genoma di una singola cellula è un esercizio inappropriato. I dati ottenuti nel corso di tali studi non interessano gli scienziati. Ma è importante capire che tutti i metodi di decodifica attualmente esistenti, nonostante la loro complessità, non sono abbastanza efficaci. Ti permetteranno di leggere solo il 40-70% del DNA.

Tuttavia, i professori di Harvard hanno recentemente annunciato un modo per decifrare il 90% del genoma. La tecnica si basa sull'aggiunta di molecole di primer alle cellule selezionate, con l'aiuto di esse inizia Replicazione del DNA. Ma anche questo metodo non può essere considerato un successo, deve ancora essere finalizzato prima di essere usato apertamente nella scienza.