Struttura del DNA: caratteristiche, schema. Qual è la struttura della molecola del DNA?

Il DNA è una fonte universale e custode delle informazioni ereditarie, che viene registrato utilizzando una speciale sequenza di nucleotidi, determina le proprietà di tutti gli organismi viventi.

Si assume che il peso molecolare medio di un nucleotide sia 345 e che il numero di residui di nucleotidi possa raggiungere diverse centinaia, migliaia e persino milioni. Il DNA nella sua massa è nei nuclei delle cellule. Alcuni si trovano nei cloroplasti e nei mitocondri. Tuttavia, il DNA del nucleo di una cellula non è una molecola. Consiste di molte molecole che sono distribuite su diversi cromosomi, il cui numero varia a seconda dell'organismo. Queste sono le caratteristiche strutturali del DNA.

Storia di scoperta del DNA

La struttura e le funzioni del DNA sono state scoperte da James Watson e Francis Crick, e nel 1962 sono stati addirittura insigniti del premio Nobel.

Ma prima scoperto acidi nucleici Scienziato svizzero Friedrich Johann Miescher, che ha lavorato in Germania. Nel 1869, studiò cellule animali - leucociti. Per ottenerli, ha usato bende con pus, che ha ricevuto dagli ospedali. Mister lavò i leucociti dal pus e ne estrasse la proteina. Nel corso di questi studi, lo scienziato è stato in grado di stabilire che nei leucociti, oltre alle proteine, c'è qualcos'altro, una sostanza sconosciuta in quel momento. Era un sedimento filamentoso o flocculante, che si distingue, se si crea un ambiente acido. Il precipitato si dissolse immediatamente dopo l'aggiunta di alcali.

Uno scienziato che utilizza un microscopio ha scoperto che quando i leucociti vengono lavati acido cloridrico dalle cellule rimane il nucleo. Poi ha concluso che nel nucleo c'è una sostanza sconosciuta, che ha chiamato nucleina (la parola nucleo significa nucleo).

Dopo aver condotto un'analisi chimica, Misher ha scoperto che una nuova sostanza contiene carbonio, idrogeno, ossigeno e fosforo. A quel tempo non si sapeva molto dei composti organofosforici, perciò Federico decise che aveva scoperto una nuova classe di composti trovati nel nucleo della cellula.

Così, nel XIX secolo, fu scoperta l'esistenza di acidi nucleici. Tuttavia, a quel tempo nessuno poteva nemmeno pensare al ruolo importante che gli appartiene.

Sostanza dell'eredità

La struttura del DNA fu continuata per essere investigata, e nel 1944 un gruppo di batteriologi sotto la guida di Oswald Avery ottenne la prova che questa molecola merita seria attenzione. Uno scienziato per molti anni impegnato nello studio di pneumococchi, organismi che hanno causato polmonite o malattia polmonare. Avery ha condotto esperimenti mescolando gli pneumococchi causando malattie con quelli che sono sicuri per gli organismi viventi. In primo luogo, le cellule della malattia sono state uccise e quindi sono state aggiunte a quelle che non causano la malattia.

I risultati della ricerca hanno colpito tutti. C'erano cellule viventi che, dopo aver interagito con i morti, avevano imparato a causare la malattia. Lo scienziato ha scoperto la natura della sostanza che è coinvolta nel processo di trasferimento delle informazioni alle cellule viventi dai morti. Molecola di DNA e si è rivelato essere questa sostanza.

struttura

Quindi, è necessario capire la struttura della molecola del DNA. La scoperta della sua struttura divenne un evento significativo, che portò alla formazione della biologia molecolare - una nuova branca della biochimica. Il DNA in grandi quantità si trova nei nuclei delle cellule, ma la dimensione e il numero delle molecole dipendono dal tipo di organismo. È stato stabilito che i nuclei delle cellule dei mammiferi contengono molte di queste cellule, sono distribuiti sui cromosomi, ce ne sono 46.

Studiando la struttura del DNA, nel 1924, Felgen stabilì per prima la sua localizzazione. Le prove ottenute durante gli esperimenti hanno dimostrato che il DNA si trova nei mitocondri (1-2%). In altri luoghi, queste molecole possono essere trovate nelle infezioni virali, nei corpi basali e nelle uova di alcuni animali. È noto che più un organismo è complesso, maggiore è la massa del DNA. Il numero di molecole nella cellula dipende dalla funzione e di solito è 1-10%. Il minimo di questi è nei miociti (0,2%), più - nelle cellule germinali (60%).

La struttura del DNA ha dimostrato che nei cromosomi degli organismi superiori sono associati a semplici proteine ​​- albumina, istoni e altri, che insieme formano il DNP (desossiribonucleoproteina). Di solito, una grande molecola è instabile e, affinché possa rimanere intatta e invariata nel corso dell'evoluzione, viene creato un cosiddetto sistema di riparazione, costituito da enzimi - ligasi e nucleasi responsabili della "riparazione" della molecola.

Struttura chimica del DNA

Il DNA è un polimero, un polinucleotide costituito da un numero enorme (fino a decine di migliaia di milioni) di mononucleotidi. La struttura del DNA è la seguente: mononucleotidi contengono basi azotate - citosina (C) e timina (T) - da derivati ​​della pirimidina, adenina (A) e guanina (G) - da derivati ​​delle purine. Oltre alle basi azotate, la molecola dell'uomo e degli animali contiene la 5-metilcitosina, una base pirimidinica minore. C acido fosforico e desossiribosio legano basi azotate. La struttura del DNA è mostrata sotto.

Regole di Chargaff

La struttura e il ruolo biologico del DNA sono stati studiati da E. Chargaff nel 1949. Nel corso della sua ricerca, ha rivelato i modelli che si osservano nella distribuzione quantitativa delle basi azotate:

1. ΣT + C = ΣA + G (ovvero, il numero di basi di pirimidina è uguale al numero di purine).
2. La quantità di residui di adenina è sempre uguale alla quantità di residui di timina e la quantità di guanina è uguale alla citosina.
3. Il coefficiente di specificità ha la formula: G + C / A + T. Ad esempio, negli umani è 1.5, in un toro - 1.3.
4. La somma di "A + C" è uguale alla somma di "G + T", cioè l'adenina e la citosina sono tanto quanto la guanina e la timina.

Modello di struttura del DNA

È stato creato da Watson e Creek. Residui di fosfato e deossiribosi si trovano lungo il dorso di due catene polinucleotidiche a spirale. È stato determinato che le strutture planari delle basi pirimidina e purinica sono localizzate perpendicolarmente all'asse della catena e formano, per così dire, gradini della scala sotto forma di spirale. È stato anche stabilito che A è sempre connesso a T con l'aiuto di due legami di idrogeno, e G è collegato a C da tre legami simili. A questo fenomeno è stato dato il nome di "principio di selettività e complementarietà".

Livelli di organizzazione strutturale

Una catena polinucleotidica a spirale curva è una struttura primaria che ha uno specifico insieme qualitativo e quantitativo di mononucleotidi legati da un legame 3 ', 5'-fosfodiestere. Pertanto, ciascuna delle catene ha un'estremità 3 '(desossiribosio) e un'estremità 5' (fosfato). I siti che contengono informazioni genetiche sono chiamati geni strutturali.

Una doppia elica è una struttura secondaria. Inoltre, le sue catene polinucleotidiche sono antiparalleli e sono collegate da legami idrogeno tra le basi complementari delle catene. È stato stabilito che in ogni giro di questa elica ci sono 10 residui di nucleotidi, la sua lunghezza è di 3,4 nm. Questa struttura è supportata anche dalle forze di interazione di van der Waals che si osservano tra le basi di una catena, compresi i componenti repulsivi e attrattivi. Queste forze sono spiegate dall'interazione degli elettroni negli atomi vicini. L'interazione elettrostatica stabilizza anche la struttura secondaria. Si verifica tra molecole istoniche caricate positivamente e un filamento di DNA caricato negativamente.

La struttura terziaria è l'avvolgimento di catene di DNA su istoni o superavvolgimento. Sono descritti cinque tipi di istoni: H1, H2A, H2B, H3 e H4.

La deposizione dei nucleosomi nella cromatina è una struttura quaternaria, quindi una molecola di DNA lunga diversi centimetri può piegarsi fino a 5 nm.

Funzioni del DNA

Le principali funzioni del DNA sono:

1. Conservazione di informazioni ereditarie. La sequenza di amminoacidi in una molecola proteica è determinata dall'ordine in cui i residui nucleotidici si trovano nella molecola del DNA. Inoltre, crittografa tutte le informazioni relative alle proprietà e ai segni del corpo.
2. Il DNA è in grado di trasmettere informazioni ereditarie alla generazione successiva. Ciò è possibile grazie alla capacità di replicare - auto-duplicazione. Il DNA è in grado di dividersi in due catene complementari e ciascuna di esse (in accordo con il principio di complementarità) ripristina la sequenza nucleotidica originale.
3. Con l'aiuto del DNA è la biosintesi di proteine, enzimi e ormoni.

conclusione

La struttura del DNA consente di essere il custode delle informazioni genetiche, oltre a trasmetterle alle generazioni future. Quali sono le caratteristiche di questa molecola?

1. Stabilità. Ciò è possibile grazie ai legami glicosidici, idrogeno e fosfodiestere, nonché al meccanismo di riparazione del danno indotto e spontaneo.
2. Capacità di replica Questo meccanismo consente cellule somatiche mantenere il numero diploide dei cromosomi.
3. L'esistenza di un codice genetico. Usando i processi di traduzione e trascrizione, la sequenza di basi trovate nel DNA viene convertita in una sequenza di amminoacidi nella catena polipeptidica.
4. La capacità di ricombinazione genetica. Allo stesso tempo, si formano nuove combinazioni di geni che sono collegati.

Quindi, la struttura e le funzioni del DNA gli permettono di svolgere un ruolo inestimabile negli organismi degli esseri viventi. È noto che la lunghezza delle 46 molecole di DNA in ogni cellula umana è di quasi 2 m, e il numero di coppie nucleotidiche è di 3,2 miliardi.