DNA Logic бол ДНХ-ийн тооцооллын технологи бөгөөд өнөөдөр дөнгөж эхэлж байгаа боловч ирээдүйд маш их найдаж байна. Амьд организмд суулгасан биологийн нанокомпьютерийг бид гайхалтай, бодит бус зүйл гэж үздэг. Гэвч өнөөдөр бодитой бус зүйл бол маргааш нь энгийн бөгөөд байгалийн зүйл болж хувирах тул өнгөрсөн үед үүнгүйгээр яаж хийхийг төсөөлөхөд хэцүү байх болно.

Тиймээс ДНХ-ийн тооцоолол нь молекулын биологи ба компьютерийн шинжлэх ухааны зааг дахь молекулын тооцооллын салбарын нэг салбар юм. ДНХ-ийн тооцооллын гол санаа нь шинэ парадигмыг бий болгох, ДНХ молекулын бүтэц, үйл ажиллагааны талаархи мэдлэг, янз бүрийн ферментүүдийг ашиглан ДНХ-ийн молекулууд дээр амьд эсэд хийгддэг үйлдлийн талаархи шинэ тооцооллын алгоритмуудыг бий болгох явдал юм. ДНХ-ийн тооцооллын хэтийн төлөв нь хэд хэдэн микрометрийн эзэлхүүнтэй терабайт мэдээллийг хадгалах чадвартай биологийн нанокомпьютер бүтээх явдал юм. Ийм компьютерийг амьд организмын эсэд суулгаж болох бөгөөд түүний гүйцэтгэл нь секундэд хэдэн тэрбум үйлдэл хийх бөгөөд эрчим хүчний хэрэглээ нь ваттын нэг тэрбумаас илүүгүй байх болно.

Компьютерийн технологийн ДНХ-ийн ашиг тус

Цахиурыг орчин үеийн процессор, микро схемд барилгын материал болгон ашигладаг. Гэхдээ цахиурын боломжууд хязгааргүй биш бөгөөд эцэст нь бид процессоруудын боловсруулах хүчин чадлын цаашдын өсөлт дуусах цэгт хүрнэ. Тиймээс хүн төрөлхтөн ирээдүйд цахиурыг орлох шинэ технологи, материалыг олох хурц асуудалтай аль хэдийн нүүр тулаад байна.

ДНХ-ийн молекулууд нь цахиурын транзисторыг хоёртын логикоор солих материал болж хувирч магадгүй юм. Ердөө нэг фунт (453 гр) ДНХ молекул нь орчин үеийн бүх цахим мэдээлэл хадгалах системийн нийт багтаамжаас давсан мэдээлэл хадгалах багтаамжтай бөгөөд дусал хэмжээтэй ДНХ процессорын боловсруулах хүчин чадал нь хамгийн их байх болно гэдгийг хэлэхэд хангалттай. орчин үеийн хүчирхэг супер компьютер.

10 триллион гаруй ДНХ молекул ердөө 1 см3 эзэлхүүнтэй. Гэхдээ энэ тооны молекулууд нь секундэд 10 триллион үйлдэл хийх чадвартай байхад 10 TB мэдээлэл хадгалахад хангалттай.

Энгийн цахиурын процессортой харьцуулахад ДНХ процессоруудын бас нэг давуу тал нь бүх тооцооллыг дэс дарааллаар бус зэрэгцээ гүйцэтгэх чадвартай байдаг нь хамгийн төвөгтэй математик тооцооллыг хэдхэн минутын дотор шууд утгаар нь гүйцэтгэх боломжийг олгодог. Уламжлалт компьютерууд ийм тооцоолол хийхэд хэдэн сар, жил шаардагдана.

ДНХ молекулын бүтэц

Та бүхний мэдэж байгаагаар орчин үеийн компьютерууд хоёртын логикоор ажилладаг бөгөөд энэ нь логик тэг ба нэг гэсэн хоёр төлөв байгааг илтгэнэ. Хоёртын код, өөрөөр хэлбэл тэг ба нэгийн дарааллыг ашиглан та ямар ч мэдээллийг кодлох боломжтой. ДНХ-ийн молекулуудад дөрвөн үндсэн суурь байдаг: аденин (A), гуанин (G), цитозин (C) ба тимин (T) нь хоорондоо гинжин хэлхээнд холбогдсон байдаг. Өөрөөр хэлбэл, ДНХ молекул (нэг хэлхээ) нь жишээлбэл, дараах хэлбэртэй байж болно: ATTTACGGCC - хоёртын биш, харин дөрөвдөгч логикийг энд ашигладаг. Хоёртын логикт аливаа мэдээллийг нэг ба тэгийн дарааллаар кодлодог шиг ДНХ-ийн молекулуудад аливаа мэдээллийг үндсэн суурийг нэгтгэн кодлох боломжтой.

ДНХ молекул дахь суурийн суурь нь бие биенээсээ 0.34 нанометрийн зайд байрладаг бөгөөд энэ нь тэдний асар их мэдээллийн багтаамжийг тодорхойлдог - шугаман нягтрал нь 18 Mbps юм. Хэрэв бид гадаргуугийн мэдээллийн нягтын талаар ярих юм бол суурь суурь тутамд 1 квадрат нанометр талбайтай гэж үзвэл энэ нь нэг квадрат инч тутамд сая гигабитаас илүү байна. Харьцуулбал орчин үеийн хатуу дискний гадаргуугийн бичлэгийн нягтрал нь ойролцоогоор 7 Гб / инч 2 байна.

ДНХ молекулуудын өөр нэг чухал шинж чанар нь ердөө 2 нм диаметртэй ердийн давхар мушгиа хэлбэртэй байж чаддаг явдал юм. Ийм мушгиа нь хоёр гинжээс (үндсэн суурийн дараалал) бүрддэг бөгөөд эхний гинжин хэлхээний агуулга нь хоёр дахь гинжний агуулгатай яг тохирч байна.

Энэхүү захидал харилцаа нь бие бие рүүгээ чиглэсэн хоёр хэлхээний суурийн хооронд устөрөгчийн холбоо байгаатай холбоотой юм - хос G ба C эсвэл A ба T. Давхар мушгиагийн энэ шинж чанарыг тайлбарлахдаа молекулын биологичид ДНХ-ийн хэлхээ нь нэмэлт шинж чанартай байдаг. GC ба AT хос үүсэх.

Жишээлбэл, S дарааллыг ATTACGTCG гэж бичсэн бол түүнийг нөхөж байгаа S' дараалал нь TAATGCAGC хэлбэртэй байна.

ДНХ-ийн хоёр дан хэлхээг нэмэлт суурийг ердийн хос мушгиа болгон холбох үйл явцыг ренатураци гэж нэрлэдэг ба урвуу процессыг, өөрөөр хэлбэл давхар хэлхээг салгаж, хоёр дан хэлхээ олж авахыг денатураци гэж нэрлэдэг (Зураг 1). .

Цагаан будаа. 1. Ренатураци ба денатурацийн үйл явц

ДНХ-ийн молекулуудын бүтцийн нэмэлт шинж чанарыг ДНХ-ийн тооцоололд ашиглаж болно. Жишээлбэл, бие биенээ нөхөж буй дараалал дээр үндэслэн та RAID 1-р түвшний өгөгдөл толин тусгал хийх технологийг санагдуулдаг хүчирхэг алдаа засах механизмыг хэрэгжүүлж болно.

ДНХ молекулын үндсэн үйлдлүүд

ДНХ-ийн молекулуудыг янз бүрийн аргаар боловсруулахын тулд янз бүрийн фермент (фермент) ашигладаг. Орчин үеийн микропроцессорууд нэмэх, шилжүүлэх, логик үйлдлүүд БА, ЭСВЭЛ, БИШ НОР гэх мэт үндсэн үйлдлүүдтэй байдагтай адил ДНХ-ийн молекулууд ферментийн нөлөөн дор огтлох, хуулах, буулгах гэх мэт үндсэн үйлдлүүдийг хийж чаддаг. ДНХ-ийн молекулууд дээрх үйлдлүүдийг зэрэгцээ, бусад үйлдлээс үл хамааран хийж болно, жишээлбэл, ДНХ-ийн гинжийг нэмэх нь анхны молекулыг фермент - полимеразуудад үзүүлэх замаар гүйцэтгэдэг. Полимеразыг ажиллуулахын тулд нэмэлт гинжийг нөхөх зарчмын дагуу тодорхойлдог нэг судалтай молекул (загвар), праймер (жижиг хоёр судалтай бүс), уусмал дахь чөлөөт нуклеотид байх шаардлагатай. ДНХ-ийн гинжийг дуусгах үйл явцыг Зураг дээр үзүүлэв. 2.

Цагаан будаа. 2. ДНХ-ийн хэлхээг дуусгах үйл явц
анхны полимеразын молекулд өртөх үед

ДНХ-ийн гинжийг сунгахад загвар шаарддаггүй полимеразууд байдаг. Жишээлбэл, терминал трансфераза нь давхар судалтай молекулын хоёр төгсгөлд ДНХ-ийн нэг хэлхээ нэмж өгдөг. Ийм байдлаар дур мэдэн ДНХ-ийн хэлхээ үүсгэж болно (Зураг 3).

Цагаан будаа. 3. ДНХ-ийн гинжин сунах үйл явц

Нуклеаз гэж нэрлэгддэг ферментүүд нь ДНХ-ийн молекулуудыг богиносгож, таслах үүрэгтэй. Эндонуклеаз ба экзонуклеазууд байдаг. Сүүлийнх нь нэг ба хоёр судалтай молекулуудыг нэг буюу хоёр төгсгөлөөс богиносгож чаддаг (Зураг 4), харин эндонуклеазууд зөвхөн төгсгөлөөс нь богиносгож чаддаг.

Цагаан будаа. 4. Молекулыг богиносгох үйл явц
Экзонуклеазын нөлөөн дор ДНХ

ДНХ-ийн молекулуудыг нуклеотидын дараалал (таних газар) -аар кодлогдсон тодорхой газарт таслах тусгай эндонуклеазууд - хязгаарлах ферментийн нөлөөн дор таслах боломжтой. Зүсэлт нь шулуун эсвэл тэгш бус байж болох ба таних талбайн дагуу эсвэл түүний гадна талд дамждаг. Эндонуклеазууд нь ДНХ-ийн молекул дахь дотоод холбоог устгадаг (Зураг 5).

Цагаан будаа. 5. ДНХ молекулыг таслах
хязгаарлалтын нөлөөн дор

Cross-linking - огтлохын эсрэг үйлдэл нь фермент - ligases-ийн нөлөөн дор явагддаг. "Наалдамхай үзүүрүүд" хоорондоо нийлж устөрөгчийн холбоо үүсгэдэг. Лигазууд нь ховилыг хаах, өөрөөр хэлбэл зөв газарт фосфодиэстерийн холбоо үүсэхийг дэмжиж, суурийг нэг гинжин хэлхээнд холбодог (Зураг 6).

Цагаан будаа. 6. Лигазын нөлөөгөөр ДНХ-ийн молекулуудын хөндлөн холбоос

Үндсэн гэж ангилж болох ДНХ-ийн молекулууд дээр хийх өөр нэг сонирхолтой ажиллагаа бол өөрчлөлт юм. Энэ нь хязгаарлах ферментийг тодорхой цэгийг олж, молекулыг устгахаас урьдчилан сэргийлэхэд ашиглагддаг. Өөрчлөлтийн хэд хэдэн төрлийн ферментүүд байдаг - метилаза, фосфатаза гэх мэт.

Метилаза нь харгалзах хязгаарлах ферменттэй адил таних газартай. Хүссэн молекул олдвол метилаза нь тухайн талбайтай сайтыг өөрчилдөг тул хязгаарлалтын фермент энэ молекулыг таних боломжгүй болно.

ДНХ молекулыг хуулбарлах буюу хуулбарлах нь полимеразын гинжин урвал (Полимеразын гинжин урвал, ПГУ) үед хийгддэг - зураг. 7. Хуулбарлах процессыг хэд хэдэн үе шатанд хувааж болно: денатураци, праймер, сунгалт. Энэ нь цасан нуранги шиг болдог. Эхний шатанд нэг молекулаас хоёр молекул, хоёрдугаарт хоёр молекулаас дөрвөн молекул, n-алхмын дараа 2n молекул гарч ирнэ.

Цагаан будаа. 7. ДНХ молекулыг хуулбарлах үйл явц

ДНХ-ийн молекулууд дээр хийж болох өөр нэг ажиллагаа бол дараалал тогтоох, өөрөөр хэлбэл ДНХ-ийн нуклеотидын дарааллыг тодорхойлох явдал юм. Янз бүрийн урттай гинжийг дараалалд оруулахын тулд янз бүрийн аргыг ашигладаг. Праймерын тусламжтайгаар алхах аргыг ашиглан нэг алхамаар 250-350 нуклеотидын дарааллыг тогтоох боломжтой. Хязгаарлалтын ферментийг нээсний дараа урт дарааллыг хэсэг хэсгээр нь эрэмбэлэх боломжтой болсон.

За, бидний хэлэх хамгийн сүүлийн процедур бол ДНХ молекулуудыг уртаар нь салгахад ашигладаг гель электрофорез юм. Хэрэв молекулуудыг гель дотор байрлуулж, тогтмол цахилгаан орон үүсгэвэл богино молекулууд илүү хурдан хөдөлж, анод руу шилжих болно. Энэ үзэгдлийг ашиглан ДНХ-ийн молекулуудыг уртаар нь ангилах ажлыг хэрэгжүүлэх боломжтой.

ДНХ-ийн тооцоолол

ДНХ-ийн молекулууд нь өвөрмөц бүтэцтэй, зэрэгцээ тооцоолол хийх чадвартай байдаг нь компьютерийн тооцооллын асуудлыг өөрөөр харах боломжийг бидэнд олгодог. Уламжлалт процессорууд програмуудыг дараалан гүйцэтгэдэг. Олон процессорын системүүд, олон цөмт процессорууд, параллелизмын түвшинг нэмэгдүүлэхэд чиглэсэн янз бүрийн технологиуд байгаа хэдий ч үндсэндээ фон Нейманы архитектур дээр суурилсан бүх компьютерууд нь дараалсан заавар гүйцэтгэх горимтой төхөөрөмжүүд юм. Орчин үеийн бүх процессорууд дараах тушаал, өгөгдөл боловсруулах алгоритмыг хэрэгжүүлдэг: санах ойноос тушаал, өгөгдлийг татаж авах, сонгосон өгөгдөл дээр зааврыг гүйцэтгэх. Энэ мөчлөг олон удаа давтагдаж, маш их хурдтай байдаг.

ДНХ-ийн тооцоолол нь огт өөр, зэрэгцээ архитектур дээр суурилдаг бөгөөд зарим тохиолдолд тэд фон Нейманы архитектур дээр суурилсан компьютерт шийдвэрлэхэд олон жил шаардагдах ажлуудыг хялбархан тооцоолох боломжтой байдаг.

Эдлманы туршилт

ДНХ-ийн тооцооллын түүх 1994 оноос эхэлдэг. Тэр үед л Леонард М.Адлеман маш өчүүхэн математикийн асуудлыг огт улиг болоогүй аргаар буюу ДНХ-ийн тооцоолол ашиглан шийдэхийг оролдсон юм. Үнэн хэрэгтээ энэ нь ДНХ-ийн тооцоололд суурилсан биологийн компьютерийн анхны загвар байсан юм.

Эдлманы ДНХ тооцоолол ашиглан хийхээр сонгосон асуудал нь графикаас Гамильтоны замыг олох эсвэл аяллын маршрутыг сонгох (аялагч худалдагчийн асуудал) гэж нэрлэгддэг. Үүний утга нь дараах байдалтай байна: Таны зочлох шаардлагатай хэд хэдэн хот байдаг бөгөөд та хот болгонд зөвхөн нэг удаа очиж болно.

Хөдөлгөөний цэг ба эцсийн цэгийг мэдэхийн тулд аяллын маршрутыг (хэрэв байгаа бол) тодорхойлох шаардлагатай. Үүний зэрэгцээ маршрутыг янз бүрийн нислэгийн боломжит нислэг, холболтыг харгалзан боловсруулсан болно.

Тэгэхээр Атланта (Атланта), Бостон (Бостон), Детройт (Детройт), Чикаго (Чикаго) гэсэн дөрвөн хот л байна гэж бодъё (Эдлеманы туршилтад долоон хот ашигласан). Аялагч Атлантагаас Детройт руу хүрэх замыг сонгох үүрэгтэй бөгөөд хот болгонд ганц удаа зочилдог. Хотуудын хоорондох боломжит харилцааны схемийг зурагт үзүүлэв. найм.

Цагаан будаа. 8. Боломжит мессежүүдийн схемүүд
хотуудын хооронд

Атланта - Бостон - Чикаго - Детройт гэсэн цорын ганц боломжит зам (Гамилтоны зам) гэдгийг харахад амархан (үүнийг хийхэд хэдхэн секунд шаардлагатай).

Үнэн хэрэгтээ цөөн тооны хотуудтай бол ийм маршрутыг эмхэтгэх нь маш энгийн зүйл юм. Гэвч тэдний тоо нэмэгдэхийн хэрээр асуудлыг шийдэх нарийн төвөгтэй байдал нь экспоненциалаар нэмэгдэж, зөвхөн хүнд төдийгүй компьютерт хэцүү болдог.

Тиймээс, зурагт. 9-д долоон оройн графикийг харуулсан бөгөөд тэдгээрийн хоорондох шилжилтийг харуулж байна. Жирийн хүн Гамильтоны замыг олоход нэг минутаас илүүгүй хугацаа шаардагдана. Эдлманы туршилтанд энэ графикийг ашигласан. Зураг дээр. Зураг 10-д 12 оройн графикийг үзүүлэв - энэ тохиолдолд Гамильтоны замыг олох нь тийм ч амар ажил байхаа больсон. Ерөнхийдөө графын оройнуудын тоо нэмэгдэх тусам Гамильтоны замыг олох асуудлыг шийдэх төвөгтэй байдал нь экспоненциалаар нэмэгддэг. Жишээлбэл, 10 оройтой графикийн хувьд 106 боломжит зам байдаг; 20 оройтой графикийн хувьд - 1012, 100 оройтой графикийн хувьд - 10100 сонголт. Сүүлчийн тохиолдолд бүх боломжит замыг үүсгэж, шалгах нь орчин үеийн супер компьютерт ч гэсэн асар их цаг хугацаа шаардагдах нь тодорхой байна.

Цагаан будаа. 9. Аяллын хамгийн сайн замыг олох

Цагаан будаа. 10. 12 оройноос бүрдэх график

Тиймээс, дөрвөн хотын жишээн дээр Гамильтоны замыг олох жишээ рүүгээ буцъя (8-р зургийг үз).

ДНХ-ийн тооцоолол ашиглан энэ асуудлыг шийдэхийн тулд Эдлман хот бүрийн нэрийг ДНХ-ийн нэг хэлхээ болгон кодлосон бөгөөд тус бүр нь 20 үндсэн суурьтай. Энгийн болгохын тулд бид хот бүрийг найман суурьтай ДНХ-ийн хэлхээгээр кодлох болно. Хотуудын ДНХ кодыг Хүснэгтэнд үзүүлэв. 1. Зөвхөн дөрвөн хотыг кодлоход найман үндсэн суурийн мөр нь илүүдэхгүй гэдгийг анхаарна уу.

Хүснэгт 1. Хотуудын ДНХ код

Нэг ДНХ-ийн хэлхээг тодорхойлсон хотын ДНХ код бүрийн хувьд нэмэлт хэлхээ, өөрөөр хэлбэл хотын ДНХ код байдаг бөгөөд хотын ДНХ код болон нэмэлт код хоёулаа туйлын тэнцүү гэдгийг анхаарна уу.

Цаашилбал, нэг ДНХ-ийн гинжийг ашиглан бүх боломжит нислэгийг (Атланта - Бостон, Бостон - Детройт, Чикаго - Детройт гэх мэт) кодлох шаардлагатай. Үүний тулд дараахь аргыг ашигласан. Сүүлийн дөрвөн суурийн суурийг явах хотын нэрээс, эхний дөрвөн суурийг ирэх хотын нэрээс авсан.

Жишээлбэл, Атланта - Бостон нислэг нь дараах дарааллаар явагдана: GCAG TCGG (Зураг 11).

Цагаан будаа. 11. Хот хоорондын нислэгийг кодлох

Бүх боломжит нислэгийн ДНХ кодчилолыг Хүснэгтэнд үзүүлэв. 2.

Хүснэгт 2. Бүх боломжит нислэгийн ДНХ код

Тиймээс, хотуудын кодууд болон тэдгээрийн хоорондох нислэгүүд бэлэн болсны дараа та Гамильтоны замын тооцоог шууд үргэлжлүүлж болно. Тооцооллын процесс нь дөрвөн үе шатаас бүрдэнэ.

1. Бүх боломжит маршрутуудыг үүсгэ.
2. Атлантагаас эхэлж Детройтоор дуусах маршрутуудыг сонго.
3. Урт нь хотын тоотой тохирч байгаа маршрутуудыг сонго (манай тохиолдолд маршрутын урт нь дөрвөн хот).
4. Хот бүрд зөвхөн нэг удаа байх маршрутуудыг сонго.

Тиймээс эхний алхамд бид бүх боломжит маршрутуудыг гаргах ёстой. Зөв маршрут нь Атланта - Бостон - Чикаго - Детройт нислэгтэй тохирч байгааг санаарай. Энэ зам нь ДНХ молекул GCAG TCGG ACTG GGCT ATGT CCGA-тай тохирч байна.

Боломжит бүх замыг бий болгохын тулд шаардлагатай, урьдчилан бэлтгэсэн бүх найрлагыг туршилтын хоолойд, өөрөөр хэлбэл бүх боломжит нислэгт тохирсон ДНХ молекулууд, бүх хотод тохирох ДНХ молекулуудыг оруулахад хангалттай. Гэхдээ хотуудын нэрэнд тохирсон ДНХ-ийн дан хэлхээг ашиглахын оронд тэдгээрийг нөхөх ДНХ-ийн хэлхээг ашиглах шаардлагатай, өөрөөр хэлбэл Атлантад тохирох ДНХ-ийн ACTT GCAG хэлхээний оронд бид нэмэлт ДНХ-ийн хэлхээг TGAA CGTC гэх мэтийг ашиглах болно. ., учир нь хотын ДНХ код болон нэмэлт код нь туйлын тэнцүү юм.

Дараа нь бид эдгээр бүх молекулуудыг (шууд утгаараа 1014 өөр молекул агуулсан чимх) усанд хийж, ligases нэмж, шившлэг хийж, хэдхэн секундын дотор бид бүх боломжит замыг олж авдаг.

Янз бүрийн замд тохирсон ДНХ-ийн гинж үүсэх үйл явц дараах байдлаар явагдана. Жишээлбэл, Атланта - Бостон нислэгийг хариуцдаг GCAG TCGG сүлжээг авч үзье. Янз бүрийн молекулуудын өндөр концентрациас шалтгаалан энэ хэлхээ нь Бостонд тохирох ДНХ-ийн нэмэлт хэлхээтэй AGCC TGAC-тай уулзах нь гарцаагүй. TCGG болон AGCC бүлгүүд бие биенээ нөхдөг тул устөрөгчийн холбоо үүссэний улмаас эдгээр гинж нь хоорондоо холбогдоно (Зураг 12).

Цагаан будаа. 12. Холбох гинжийг харгалзах
Атланта - Бостон, Бостон нислэг

Одоо үүссэн гинж нь Бостон-Чикагогийн нислэгт тохирох ACTG GGCT ДНХ-ийн гинжтэй зайлшгүй уулзах бөгөөд ACTG бүлэг (энэ гинжин хэлхээний эхний дөрвөн суурь) нь TGAC бүлэгт (Бостоны нэмэлт дөрвөн суурь) нэмэлт юм. код), ACTG GGCT ДНХ-ийн гинж нь аль хэдийн үүссэн гинжин хэлхээнд нэгдэх болно. Цаашилбал, Чикаго хотод харгалзах ДНХ-ийн гинж (нэмэлт код) энэ гинжин хэлхээнд нэгдэж, дараа нь Чикаго-Детройт агаарын нислэгийн гинжин хэлхээнд орно. Маршрут үүсгэх үйл явцыг Зураг дээр үзүүлэв. арван гурав.

Цагаан будаа. 13. Замд тохирсон ДНХ-ийн гинж үүсэх үйл явц
Атланта - Бостон - Чикаго - Детройт

Бид зөвхөн нэг маршрут үүссэн жишээг авч үзсэн (мөн энэ нь яг Гамильтоны зам юм). Бусад бүх боломжит маршрутуудыг ижил төстэй аргаар олж авсан (жишээлбэл, Атланта - Бостон - Атланта - Детройт). Бүх маршрутыг нэгэн зэрэг, өөрөөр хэлбэл зэрэгцээ үүсгэх нь чухал юм. Түүгээр ч зогсохгүй 10 эсвэл 20 хотын асуудалд бүх боломжит маршрутыг бий болгоход шаардагдах хугацаа нь яг адилхан (хэрэв анхны ДНХ молекулууд хангалттай байсан бол). Үнэн хэрэгтээ ДНХ-ийн тооцооллын зэрэгцээ алгоритм нь фон Нейманы архитектуртай харьцуулахад гол давуу тал юм.

Тиймээс туршилтын хоолойд бүх боломжит замд тохирсон ДНХ молекулууд үүсдэг. Гэсэн хэдий ч энэ нь асуудлыг шийдэж чадаагүй байна - бид Гамильтоны замыг хариуцдаг цорын ганц ДНХ молекулыг тусгаарлах хэрэгтэй. Тиймээс дараагийн алхам бол Атлантагаас эхлээд Детройтоор дуусах замд тохирох молекулуудыг сонгох явдал юм.

Үүний тулд полимеразын гинжин урвал (ПГУ) ашигладаг бөгөөд үүний үр дүнд зөвхөн Атланта кодоор эхэлж, Детройт кодоор төгссөн ДНХ-ийн хэлхээний олон хуулбарыг бий болгодог.

Полимеразын гинжин урвалыг хэрэгжүүлэхийн тулд GCAG ба GGCT гэсэн хоёр праймерыг ашигладаг. Атлантагийн ДНХ кодоос эхлээд Детройт хотын ДНХ код хүртэл дуусдаг ДНХ-ийн хэв маягийг хуулбарлах үйл явцыг Зураг дээр үзүүлэв. 14.

Цагаан будаа. 14. ПГУ-ын урвалын үед ДНХ молекулыг хуулбарлах үйл явц

Анхны GCAG ба GGCT байгаа тохиолдолд Атлантагийн ДНХ кодоор эхэлдэг, гэхдээ Детройтийн ДНХ кодоор төгсдөггүй ДНХ молекулууд (үндсэн GCAG-ийн нөлөөн дор), мөн ДНХ-ийн молекулууд нь Атлантагийн ДНХ-ийн кодоор төгсдөг болохыг анхаарна уу. ДНХ код Детройт, гэхдээ Атлантагийн ДНХ кодоор эхэлж болохгүй (Үндсэн GGCT-ийн нөлөөн дор). Ийм молекулуудын хуулбарлах хурд нь Атлантагийн ДНХ кодоос эхлээд Детройтийн ДНХ код хүртэл дуусдаг ДНХ молекулуудын хуулбарлах хурдаас хамаагүй бага байх нь ойлгомжтой. Тиймээс ПГУ-ын урвалын дараа бид ДНХ-ийн молекулуудын давамгайлсан тоог Атлантагаас эхэлж Детройтод дуусдаг замд тохирсон ердийн давхар спираль хэлбэрээр авах болно.

Дараагийн шатанд шаардлагатай урттай молекулуудыг, өөрөөр хэлбэл яг дөрвөн хотын ДНХ кодыг агуулсан молекулуудыг тусгаарлах шаардлагатай. Үүний тулд гель электрофорезыг ашигладаг бөгөөд энэ нь молекулуудыг уртаар нь ангилах боломжийг олгодог. Үүний үр дүнд бид Атлантагийн кодоос эхлээд Детройтийн код хүртэл шаардлагатай урттай (яг дөрвөн хот) молекулуудыг авдаг.

Одоо бид сонгосон молекулуудад хот бүрийн код нэг л удаа байгаа эсэхийг шалгах хэрэгтэй. Энэ үйл ажиллагаа нь ойр дотно байдлын цэвэршилт гэж нэрлэгддэг процессыг ашиглан хийгддэг.

Энэ үйл ажиллагааны хувьд ойролцоогоор нэг микрон диаметртэй микроскоп соронзон бөмбөгийг ашигладаг. Энэ эсвэл бусад хотын нэмэлт ДНХ кодууд түүнд татагддаг бөгөөд энэ нь дээжийн үүргийг гүйцэтгэдэг. Жишээлбэл, хэрэв та судалж буй ДНХ-ийн гинжин хэлхээнд Бостон хотын код байгаа эсэхийг шалгахыг хүсвэл эхлээд соронзон бөмбөгийг Бостоны ДНХ кодтой тохирох ДНХ молекул бүхий туршилтын хоолойд хийх хэрэгтэй. Үүний үр дүнд бид шаардлагатай дээжээр бүрхэгдсэн соронзон бөмбөг авах болно. Дараа нь энэ бөмбөгийг судалсан ДНХ-ийн гинж бүхий туршилтын хоолойд хийнэ - үр дүнд нь нэмэлт Бостоны код агуулсан ДНХ-ийн гинж түүнд татагдах болно (нэмэлт бүлгүүдийн хооронд устөрөгчийн холбоо үүссэний улмаас). Дараа нь ангилсан молекулууд бүхий бөмбөгийг гаргаж аваад шинэ уусмалд хийж, дараа нь гаргаж авдаг (температур нэмэгдэхэд ДНХ молекулууд бөмбөгнөөс унадаг). Энэ процедур (ангилах) нь хот бүрийн хувьд дараалан давтагддаг бөгөөд үүний үр дүнд бид зөвхөн бүх хотуудын ДНХ кодыг агуулсан молекулуудыг олж авдаг бөгөөд ингэснээр Гамильтоны замд тохирох маршрутуудыг олж авдаг. Үнэн хэрэгтээ асуудал шийдэгдсэн - зөвхөн хариултыг тооцоолоход л үлддэг.

Дүгнэлт

Эдлман зөвхөн долоон хотыг жишээ болгон Гамильтоны замыг олох асуудлын шийдлийг харуулсан бөгөөд үүнд долоо хоног зарцуулсан. Энэ нь ДНХ-ийн тооцооллын чадварыг харуулсан анхны туршилт байв. Үнэн хэрэгтээ Эдлман ДНХ-ийн тооцооллыг ашиглан тооллогын асуудлыг үр дүнтэй шийдвэрлэх боломжтой гэдгийг баталж, дараа нь зэрэгцээ шүүлтүүрийн загварыг бий болгох үндэс болсон техникийг тодорхойлсон.

Гэсэн хэдий ч олон судлаачид биологийн компьютерын ирээдүйг өөдрөгөөр төсөөлдөггүй. Энд зөвхөн нэг жижиг жишээ байна. Хэрэв 200 оройноос бүрдэх графикаас Гамильтоны замыг олохын тулд ижил төстэй аргыг ашиглах шаардлагатай байсан бол манай гаригийнхтай харьцуулж болохуйц жинтэй ДНХ молекулуудын тоо шаардлагатай болно! Энэ үндсэн хязгаарлалт нь мэдээжийн хэрэг нэг төрлийн мухардал юм. Тиймээс олон судалгааны лабораториуд (жишээлбэл, IBM) нүүрстөрөгчийн нано хоолой, квант компьютер гэх мэт өөр компьютерийн бусад санаануудад анхаарлаа хандуулахаар сонгосон.

Эдлманы туршилтаас хойш ДНХ-ийн тооцооллын боломжуудын талаар өөр олон судалгаа хийгдсэн. Жишээлбэл, Э.Шапирогийн туршлагыг санаж болно: түүнд хязгаарлагдмал автомат машин хэрэгжсэн бөгөөд энэ нь S0 ба S1 гэсэн хоёр төлөвт байж болох бөгөөд асуултанд хариулдаг: оролтын дараалалд тэгш эсвэл сондгой тооны тэмдэгт агуулагдсан байна. дүрүүдийн.

Өнөөдөр ДНХ-ийн тооцоолол нь лабораторийн судалгааны түвшинд ирээдүйтэй технологиудаас өөр зүйл биш бөгөөд тэдгээр нь нэг жилээс илүү хугацаанд энэ байдалд байх болно. Чухамдаа хөгжлийн өнөөгийн үе шатанд ДНХ-ийн тусламжтайгаар ямар ангиллын асуудлыг шийдэж болох вэ, хэрэгжүүлэх болон ашиглахад тохиромжтой ДНХ-ийн тооцооллын ерөнхий загварыг бий болгох боломжтой юу гэсэн асуултад хариулах шаардлагатай байна.

ДНХ молекулын орон зайн загварыг 1953 онд Америкийн судлаач, генетикч Жеймс Ватсон (1928 онд төрсөн), физикч Фрэнсис Крик (1916 онд төрсөн) нар санал болгосон. Энэхүү нээлтэд оруулсан онцгой хувь нэмэрийнхээ төлөө тэд 1962 онд физиологи, анагаах ухааны салбарт Нобелийн шагнал хүртжээ.

Дезоксирибонуклеины хүчил (ДНХ) нь мономер нь нуклеотид болох биополимер юм. Нуклеотид бүр нь дезоксирибоз бүхий элсэн чихэртэй холбогдсон фосфорын хүчлийн үлдэгдэлээс бүрддэг бөгөөд энэ нь эргээд азотын суурьтай холбогддог. ДНХ молекулд аденин, тимин, гуанин, цитозин гэсэн дөрвөн төрлийн азотын суурь байдаг.

ДНХ-ийн молекул нь спираль хэлбэрээр сүлжсэн хоёр урт гинжээс бүрддэг бөгөөд ихэнхдээ баруун гартай байдаг. Үл хамаарах зүйл бол нэг хэлхээтэй ДНХ агуулсан вирус юм.

Нуклеотидын нэг хэсэг болох фосфорын хүчил ба элсэн чихэр нь спираль хэлбэрийн босоо суурийг бүрдүүлдэг. Азотын суурь нь перпендикуляр байрладаг бөгөөд мушгиа хооронд "гүүр" үүсгэдэг. Нэг гинжин хэлхээний азотын суурь нь нөгөө гинжин хэлхээний азотын суурьтай нэмэлт буюу захидал харилцааны зарчмын дагуу холбогддог.

Нэмэлт байх зарчим. ДНХ молекул дахь аденин нь зөвхөн тиминтэй, гуанин нь зөвхөн цитозинтэй нийлдэг.

Азотын суурь нь бие биендээ хамгийн тохиромжтой. Аденин ба тимин нь хоёр устөрөгчийн холбоо, гуанин, цитозин гурван холбоогоор холбогддог. Тиймээс гуанин-цитозины холбоог таслахад илүү их энерги шаардагдана. Ижил хэмжээтэй тимин ба цитозин нь аденин ба гуанинаас хамаагүй бага байдаг. Тимин-цитозины хос хэтэрхий жижиг, аденин-гуанины нүх хэт том, ДНХ-ийн мушгиа нугалж болно.

Устөрөгчийн холбоо нь эмзэг байдаг. Тэд амархан урагдаж, амархан сэргээгддэг. Давхар мушгиа гинж нь ферментийн нөлөөн дор эсвэл өндөр температурт цахилгаан товч шиг салж болно.

5. РНХ молекул Рибонуклеины хүчил (РНХ)

Рибонуклеины хүчил (РНХ) молекул нь мөн биополимер бөгөөд дөрвөн төрлийн мономер буюу нуклеотидуудаас бүрддэг. РНХ молекулын мономер бүр нь фосфорын хүчлийн үлдэгдэл, рибозын сахар, азотын суурь агуулдаг. Түүгээр ч зогсохгүй азотын гурван суурь нь ДНХ-ийнхтэй адил байдаг - аденин, гуанин, цитозин, харин РНХ-д тимины оронд үүнтэй ойролцоо бүтэцтэй урацил байдаг. РНХ нь нэг хэлхээтэй молекул юм.

Ямар ч төрлийн эс дэх ДНХ молекулын тоон агууламж бараг тогтмол боловч РНХ-ийн хэмжээ ихээхэн ялгаатай байж болно.

РНХ-ийн төрлүүд

Гүйцэтгэсэн бүтэц, үйл ажиллагаанаас хамааран гурван төрлийн РНХ ялгагдана.

1. Дамжуулах РНХ (tRNA).Дамжуулах РНХ нь гол төлөв эсийн цитоплазмд байдаг. Тэд амин хүчлийг рибосом дахь уургийн нийлэгжилтийн талбайд хүргэдэг.

2. Рибосомын РНХ (рРНХ).Рибосомын РНХ нь зарим уурагтай холбогдож, уураг нийлэгждэг органелл болох рибосомыг үүсгэдэг.

3. Элч РНХ (мРНХ), эсвэл элч РНХ (мРНХ).Элч РНХ нь уургийн бүтцийн талаарх мэдээллийг ДНХ-ээс рибосом руу дамжуулдаг. mRNA молекул бүр нь нэг уургийн молекулын бүтцийг кодлодог ДНХ-ийн тодорхой хэсэгтэй тохирдог. Тиймээс эсэд нийлэгждэг мянга мянган уураг тус бүрд өөрийн гэсэн тусгай мРНХ байдаг.

Мономер холбоосууд нь нуклиатидууд юм.

ДНХ гэж юу вэ?

Аливаа амьд организмын бүтэц, үйл ажиллагааны талаархи бүх мэдээлэл нь генетикийн материалд кодлогдсон хэлбэрээр агуулагддаг. Организмын генетикийн материалын үндэс нь дезоксирибонуклеины хүчил (ДНХ).

ДНХихэнх организмд энэ нь урт, хоёр судалтай полимер молекул юм. Дараалал мономер нэгжүүд (дезоксирибонуклеотидууд) түүний нэг хэлхээнд ( нэмэлт) бусад руу дезоксирибонуклеотидын дараалал. Нэмэлт байх зарчимДНХ-ийн шинэ молекулуудыг хуулбарлах үед анхныхтай ижил нийлэгжилтийг баталгаажуулдаг ( хуулбарлах).

Тодорхой шинж чанарыг кодлодог ДНХ молекулын хэсэг ген.

Генүүд- Эдгээр нь нуклеотидын нарийн дараалалтай, организмын тодорхой шинж чанарыг кодлодог бие даасан генетикийн элементүүд юм. Тэдний зарим нь уураг, зарим нь зөвхөн РНХ молекулуудыг кодлодог.

Уургийг (бүтцийн ген) кодлодог генүүдэд агуулагдах мэдээллийг дараалсан хоёр процессын явцад тайлдаг.

• РНХ-ийн нийлэгжилт (транскрипт): ДНХ-ийн тодорхой хэсэгт матрицын нэгэн адил нийлэгждэг элч РНХ (мРНХ).
• уургийн синтез (орчуулга):оролцоотой олон бүрэлдэхүүн хэсэгтэй системийн зохицуулалттай ажлын явцад тээвэрлэх РНХ (тРНХ), мРНХ, ферментүүдболон янз бүрийн уургийн хүчин зүйлүүдявуулсан уургийн нийлэгжилт.

Эдгээр бүх үйл явц нь ДНХ-д шифрлэгдсэн генетикийн мэдээллийг нуклеотидын хэлнээс амин хүчлийн хэл рүү зөв орчуулахыг баталгаажуулдаг. Уургийн молекулын амин хүчлийн дараалалтүүний бүтэц, чиг үүргийг тодорхойлдог.

ДНХ-ийн бүтэц

ДНХ- тэр шугаман органик полимер. Түүний - нуклеотидууд, энэ нь эргээд дараахь зүйлээс бүрдэнэ.

Энэ тохиолдолд фосфатын бүлгийг хавсаргана 5'-нүүрстөрөгчийн атоммоносахаридын үлдэгдэл, органик суурь нь - to 1'-атом.

ДНХ-д хоёр төрлийн суурь байдаг:

ДНХ молекул дахь нуклеотидын бүтэц

В ДНХмоносахарид танилцуулсан 2'-дезоксирибоззөвхөн агуулсан 1 гидроксил бүлэг (OH), болон дотор РНХ - рибоз, байгаа 2 гидроксил бүлэг (Өө).

Нуклеотидууд хоорондоо холбогддог фосфодиэфирийн холбоо, харин фосфатын бүлэг 5'-нүүрстөрөгчийн атомхолбоотой нэг нуклеотид 3'-OH-бүлэг дезоксирибоззэргэлдээх нуклеотид (Зураг 1). Полинуклеотидын гинжин хэлхээний нэг төгсгөлд байдаг Z'-OH-бүлэг (Z'-төгсгөл),нөгөө талаас - 5'-фосфатын бүлэг (5'-төгсгөл).

ДНХ-ийн бүтцийн түвшин

ДНХ-ийн бүтцийн 3 түвшинг ялгах нь заншилтай байдаг.

• анхан шатны;
• хоёрдогч;
• дээд.

ДНХ-ийн анхдагч бүтэцнь ДНХ-ийн полинуклеотидын гинжин хэлхээний нуклеотидын дараалал юм.

ДНХ-ийн хоёрдогч бүтэцЭнэ нь нэмэлт суурийн хосуудын хооронд тогтворжиж, нэг тэнхлэгийг тойрон баруун тийш мушгисан хоёр эсрэг параллель гинжний давхар мушгиа юм.

Спираль ерөнхий ороомог 3.4нм, гинж хоорондын зай 2нм.

ДНХ-ийн гуравдагч бүтэц нь ДНХ-ийн хэт ороомог юм.ДНХ-ийн давхар мушгиа нь зарим бүс нутагт нэмэлт мушгиадаж, супер ороомог эсвэл нээлттэй цагираг хэлбэрийг үүсгэдэг бөгөөд энэ нь ихэвчлэн тэдгээрийн нээлттэй төгсгөлүүдийн ковалент холбооноос үүсдэг. ДНХ-ийн хэт ороомог бүтэц нь хромосом дахь маш урт ДНХ молекулыг хэмнэлттэй савлах боломжийг олгодог. Тиймээс уртасгасан хэлбэрээр ДНХ молекулын урт байна 8 см, мөн superhelix хэлбэрээр багтдаг 5 нм.

Чаргаффын дүрэм

Э.Чаргаффын дүрэм- энэ нь ДНХ молекул дахь азотын суурийн тоон агууламжийн тогтмол байдал юм.

1. ДНХ дээр молийн фракцуудпурин ба пиримидины суурь тэнцүү байна: A+Г = C+ Т эсвэл (A +Г)/(C + T)=1.
2. ДНХ-д амин бүлэгтэй суурийн тоо (A +C) тэнцүү байна кето бүлэгтэй суурийн тоо (Г+ T):A+C= Г+ Т эсвэл (A +C)/(Г+ T) = 1
3. Эквивалентийн дүрэм, өөрөөр хэлбэл: A=T, G=C; A/T = 1; G/C=1.
4. ДНХ-ийн нуклеотидын найрлагаТөрөл бүрийн бүлгийн организмд өвөрмөц, тодорхойлогддог өвөрмөц байдлын коэффициент: (G+C)/(A+T).Өндөр ургамал, амьтанд өвөрмөц байдлын коэффициент 1-ээс бага, бага зэрэг хэлбэлздэг: -аас 0,54 өмнө 0,98 , бичил биетэнд 1-ээс их байна.

Ватсон-Крик ДНХ-ийн загвар

Б 1953 Жеймс Ватсонболон Фрэнсис хашгирах, ДНХ-ийн талстуудын рентген туяаны дифракцийн шинжилгээний мэдээлэлд үндэслэн ийм дүгнэлтэд хүрсэн. уугуул ДНХдавхар мушгиа үүсгэдэг хоёр полимер гинжээс бүрдэнэ (Зураг 3).

Полинуклеотидын гинж нь нэг нэгнийхээ дээр байрладаг устөрөгчийн холбооэсрэг гинжний нэмэлт суурийн хооронд үүссэн (Зураг 3). Хаана аденинзөвхөн хослодог тимин, a гуанин- Хамт цитозин. суурь хос А-Ттогтворжуулдаг хоёр устөрөгчийн холбоо, мөн хос Г-С - гурав.

Давхар хэлхээтэй ДНХ-ийн уртыг ихэвчлэн нэмэлт нуклеотидын хосуудын тоогоор хэмждэг. П.n.). Хэдэн мянга эсвэл сая суурь хосоос бүрдэх ДНХ молекулуудын хувьд нэгжийг хүлээн зөвшөөрдөг кбитболон m.p.s.тус тус. Жишээлбэл, хүний ​​1-р хромосомын ДНХ нь нэг давхар спираль урттай 263 м.б.с..

Молекулын сахар-фосфатын нуруу, энэ нь фосфатын бүлгүүд ба дезоксирибозын үлдэгдэлтэй холбогдсон 5'-3'-фосфодиэфирийн холбоо, "спираль шатны хажуугийн ханыг" үүсгэдэг ба хос сууриуд А-Тболон Г-С- түүний алхамууд (Зураг 3).

Зураг 3: Ватсон-Крик ДНХ-ийн загвар

ДНХ молекулын гинж эсрэг параллель: тэдний нэг нь чиглэлтэй 3'→5', бусад 5'→3'. -ын дагуу харилцан нөхөх зарчимхэрэв гинжний аль нэг нь нуклеотидын дарааллыг агуулж байвал 5-TAGGCAT-3′, дараа нь энэ газарт нэмэлт гинжин хэлхээнд дараалал байх ёстой 3'-ATCCGTA-5'. Энэ тохиолдолд давхар судалтай хэлбэр дараах байдалтай байна.

• 5'-TAGGCAT-3'
• 3-ATCCGTA-5'.

Ийм бичлэгт 5'-дээд хэлхээний төгсгөлүргэлж зүүн талд байрладаг 3′ төгсгөл- баруун талд.

Удамшлын мэдээлэл тээвэрлэгч нь хоёр үндсэн шаардлагыг хангасан байх ёстой. өндөр үнэнчээр хуулбарлах (хуулбарлах).болон уургийн молекулуудын нийлэгжилтийг тодорхойлох (кодлох)..

Ватсон-Крик ДНХ-ийн загварЭдгээр шаардлагыг бүрэн хангасан, учир нь:

• нэмэлт зарчмын дагуу ДНХ-ийн хэлхээ бүр нь шинэ нэмэлт хэлхээ үүсэх загвар болж чаддаг. Тиймээс нэг тойргийн дараа хоёр охин молекул үүсдэг бөгөөд тэдгээр нь тус бүр нь анхны ДНХ молекултай ижил нуклеотидын дараалалтай байдаг.
• бүтцийн генийн нуклеотидын дараалал нь түүний кодлодог уургийн амин хүчлийн дарааллыг өвөрмөц байдлаар тодорхойлдог.

1. Хүний ДНХ-ийн нэг молекул нь ойролцоогоор агуулдаг 1.5 гигабайт мэдээлэл. Үүний зэрэгцээ хүний ​​биеийн бүх эсийн ДНХ нь 60 тэрбум терабайт эзэлдэг бөгөөд энэ нь 150-160 грамм ДНХ дээр хадгалагддаг.
2. Олон улсын ДНХ-ийн өдөр 4-р сарын 25-нд тэмдэглэв. 1953 оны энэ өдөр Жеймс Ватсонболон Фрэнсис Криксэтгүүлд нийтлэгдсэн Байгальгарчигтай түүний нийтлэл "Нуклейн хүчлийн молекулын бүтэц" , ДНХ молекулын давхар мушгиа дүрсэлсэн.

Ном зүй: Молекул биотехнологи: зарчим ба хэрэглээ, Б.Глик, Ж.Пастернак, 2002

Эцэг эхийн зарим шинж чанарууд (жишээлбэл, нүдний өнгө, үс, нүүрний хэлбэр гэх мэт) яагаад хүүхдэд дамждаг болохыг олон хүмүүс үргэлж сонирхож ирсэн. Шинжлэх ухаан нь удамшлын материал буюу ДНХ-ээс шалтгаална гэдгийг шинжлэх ухаан нотолсон.

ДНХ гэж юу вэ?

Нуклеотид

Дээр дурдсанчлан дезоксирибонуклеины хүчлийн үндсэн бүтцийн нэгж нь нуклеотид юм. Энэ бол цогц боловсрол юм. ДНХ-ийн нуклеотидын найрлага нь дараах байдалтай байна.

Нуклеотидын төвд таван бүрэлдэхүүн хэсэгтэй сахар байдаг (РНХ-ээс ялгаатай нь ДНХ-д рибоз агуулдаг). Түүнд азотын суурь наалддаг бөгөөд үүнээс 5 төрлийг ялгадаг: аденин, гуанин, тимин, урацил, цитозин. Үүнээс гадна нуклеотид бүр нь фосфорын хүчлийн үлдэгдэл агуулдаг.

ДНХ-ийн найрлагад зөвхөн эдгээр бүтцийн нэгжийг агуулсан нуклеотидууд орно.

Бүх нуклеотидууд гинжин хэлхээнд байрладаг бөгөөд бие биенээ дагадаг. Гурвалсан бүлэгт (тус бүр гурван нуклеотид) хуваагддаг бөгөөд тэдгээр нь гурвалсан бүр нь тодорхой амин хүчилтэй тохирч байх дарааллыг бүрдүүлдэг. Үр дүн нь гинж юм.

Тэдгээр нь азотын суурийн хоорондох холбоогоор холбогддог. Зэрэгцээ гинжин хэлхээний нуклеотидын хоорондох гол холбоо нь устөрөгч юм.

Нуклеотидын дараалал нь генийн үндэс болдог. Тэдний бүтцийг зөрчих нь уургийн нийлэгжилт, мутацийн илрэлийг зөрчихөд хүргэдэг. ДНХ-ийн найрлагад бараг бүх хүмүүст тодорхойлогддог ижил генүүд багтдаг бөгөөд тэдгээрийг бусад организмаас ялгадаг.

Нуклеотидын өөрчлөлт

Зарим тохиолдолд тодорхой шинж чанарыг илүү тогтвортой шилжүүлэхийн тулд азотын суурийн өөрчлөлтийг ашигладаг. ДНХ-ийн химийн найрлага нь метилийн бүлэг (CH3) нэмснээр өөрчлөгддөг. Ийм өөрчлөлт (нэг нуклеотид дээр) нь генийн илэрхийлэл, шинж чанарыг охин эсүүдэд шилжүүлэхийг тогтворжуулах боломжийг олгодог.

Молекулын бүтцийг ийм "сайжруулах" нь азотын суурийн холбоонд ямар ч байдлаар нөлөөлдөггүй.

Энэ өөрчлөлтийг мөн X хромосомыг идэвхгүйжүүлэхэд ашигладаг. Үүний үр дүнд Барр биеүүд үүсдэг.

Хорт хавдар үүсгэгчийг сайжруулснаар ДНХ-ийн шинжилгээ нь нуклеотидын гинжин хэлхээ нь олон суурь дээр метилизацид өртсөн болохыг харуулж байна. Хийсэн ажиглалтаар мутацийн эх үүсвэр нь ихэвчлэн метилжүүлсэн цитозин байдаг болохыг тэмдэглэжээ. Ихэвчлэн хавдрын процессын үед деметиляци нь үйл явцыг зогсооход тусалдаг боловч нарийн төвөгтэй байдлаас шалтгаалан энэ урвал явагддаггүй.

ДНХ-ийн бүтэц

Молекулын бүтцэд хоёр төрлийн бүтцийг ялгаж үздэг. Эхний төрөл нь нуклеотидын үүсгэсэн шугаман дараалал юм. Тэдний бүтээн байгуулалт нь тодорхой хууль тогтоомжид захирагддаг. ДНХ-ийн молекул дээрх нуклеотидын бичиглэл 5' төгсгөлөөс эхэлж 3' төгсгөлд төгсдөг. Эсрэг талд байрлах хоёр дахь гинж нь ижил аргаар баригдсан бөгөөд зөвхөн орон зайн харилцаанд молекулууд нь нөгөөгийнхөө эсрэг байрладаг бөгөөд нэг гинжний 5' төгсгөл нь хоёр дахь 3' төгсгөлийн эсрэг байрладаг.

ДНХ-ийн хоёрдогч бүтэц нь мушгиа юм. Энэ нь бие биенийхээ эсрэг байрлах нуклеотидын хооронд устөрөгчийн холбоо байдгаас үүсдэг. Нэмэлт азотын суурийн хооронд устөрөгчийн холбоо үүсдэг (жишээлбэл, эхний гинжин хэлхээний аденины эсрэг зөвхөн тимин, гуанины эсрэг цитозин эсвэл урацил байж болно). Ийм нарийвчлал нь хоёр дахь гинжийг барих нь эхнийх нь үндсэн дээр явагддаг тул азотын суурийн хооронд яг тохирч байгаатай холбоотой юм.

Молекулын нийлэгжилт

ДНХ молекул хэрхэн үүсдэг вэ?

Түүний үүсэх мөчлөгийн хувьд гурван үе шатыг ялгадаг.

• Гинжийг салгах.
• Синтезийн нэгжийг аль нэгэн гинжин хэлхээнд хавсаргах.
• Нэмэлт зарчмын дагуу хоёр дахь хэлхээг дуусгах.

Молекулыг салгах үе шатанд гол үүргийг ферментүүд гүйцэтгэдэг - ДНХ гираза. Эдгээр ферментүүд нь гинж хоорондын устөрөгчийн холбоог устгахад чиглэгддэг.

Гинжүүд салсны дараа үндсэн синтезийн фермент болох ДНХ полимераз ажиллаж эхэлдэг. Түүний хавсралтыг 5'-р хэсэгт ажиглав. Цаашилбал, энэ фермент нь 3' төгсгөл рүү шилжиж, шаардлагатай нуклеотидыг холбогдох азотын суурьтай нэгэн зэрэг холбодог. 3' төгсгөлд тодорхой цэгт (терминатор) хүрсний дараа полимераз анхны гинжээс салгагдана.

Охин гинж үүссэний дараа суурийн хооронд устөрөгчийн холбоо үүсч, шинээр үүссэн ДНХ-ийн молекулыг нэгтгэдэг.

Энэ молекулыг хаанаас олж болох вэ?

Хэрэв та эс, эд эсийн бүтцийг судлах юм бол ДНХ нь ихэвчлэн шинэ, охин эс эсвэл тэдгээрийн клон үүсэх үүрэгтэй болохыг харж болно. Үүний зэрэгцээ, түүний дотор байх үед энэ нь шинээр үүссэн эсүүдийн хооронд жигд хуваагддаг (клонууд үүсдэг) ​​эсвэл хэсэг хэсгээр нь (энэ үзэгдлийг мейозын үед ихэвчлэн ажиглаж болно). Цөмийн ялагдал нь шинэ эд эс үүсэхийг зөрчихөд хүргэдэг бөгөөд энэ нь мутацид хүргэдэг.

Үүнээс гадна митохондрид удамшлын тусгай төрөл байдаг. Тэдгээрийн дотор ДНХ нь цөмөөс арай өөр байдаг (митохондрийн дезоксирибонуклеины хүчил нь цагираг хэлбэртэй бөгөөд арай өөр үүрэг гүйцэтгэдэг).

Молекулыг өөрөө биеийн аль ч эсээс тусгаарлаж болно (судалгааны хувьд хацрын дотор талын т рхэц эсвэл цусыг ихэвчлэн ашигладаг). Зөвхөн гуужуулагч хучуур эд болон зарим цусны эсүүдэд (эритроцит) генетикийн материал байдаггүй.

Функцүүд

ДНХ-ийн молекулын бүтэц нь түүний үеэс үед мэдээлэл дамжуулах чиг үүргийн гүйцэтгэлийг тодорхойлдог. Энэ нь нэг буюу өөр генотип (дотоод) эсвэл фенотипийн (гадна - жишээлбэл, нүд, үсний өнгө) шинж тэмдгийг үүсгэдэг тодорхой уургийн нийлэгжилтээс үүдэлтэй юм.

Мэдээллийн дамжуулалтыг генетикийн кодоос хэрэгжүүлэх замаар гүйцэтгэдэг. Удамшлын кодонд шифрлэгдсэн мэдээлэлд үндэслэн тодорхой мэдээллийн, рибосомын болон дамжуулагч РНХ үүсдэг. Тэд тус бүр нь тодорхой үйлдлийг хариуцдаг - элч РНХ нь уураг нийлэгжүүлэхэд ашиглагддаг, рибосомын РНХ нь уургийн молекулуудыг нэгтгэхэд оролцдог бөгөөд тээврийн РНХ нь холбогдох уураг үүсгэдэг.

Тэдний ажилд гарсан аливаа бүтэлгүйтэл, бүтцийн өөрчлөлт нь гүйцэтгэсэн функцийг зөрчих, хэвийн бус шинж тэмдгүүд (мутаци) үүсэхэд хүргэдэг.

ДНХ-ийн эцэг тогтоох тест нь хүмүүсийн хооронд холбоотой шинж чанарууд байгаа эсэхийг тодорхойлох боломжийг олгодог.

Генетикийн шинжилгээ

Одоогийн байдлаар генетикийн материалыг судлахад ямар зорилгоор ашиглаж болох вэ?

ДНХ-ийн шинжилгээ нь олон хүчин зүйл эсвэл биеийн өөрчлөлтийг тодорхойлоход ашиглагддаг.

Юуны өмнө судалгаа нь төрөлхийн, удамшлын өвчин байгаа эсэхийг тодорхойлох боломжийг олгодог. Ийм өвчинд Даун синдром, аутизм, Марфаны хам шинж орно.

Мөн гэр бүлийн холбоог тодорхойлохын тулд ДНХ-г шалгаж болно. Эцэг тогтоох тест нь олон, ялангуяа хууль эрх зүйн процессуудад өргөн хэрэглэгдэж ирсэн. Энэхүү судалгаа нь хууль бус хүүхдүүдийн генетикийн харилцааг тодорхойлоход зориулагдсан болно. Ихэнхдээ өв залгамжлах өргөдөл гаргагчид эрх баригчдаас асуулт гарч ирэх үед энэ шалгалтыг өгдөг.

ДНХ-ийн химийн найрлага ба түүний макромолекулын зохион байгуулалт. ДНХ-ийн мушгиа хэлбэрийн төрлүүд. ДНХ-ийн рекомбинаци, репликаци, засварын молекулын механизмууд. Нуклеаз ба полимеразын тухай ойлголт. ДНХ-ийн хуулбар нь удамшлын мэдээллийг үр удамд шилжүүлэх нөхцөл юм. Хуулбарлах үйл явцын ерөнхий шинж чанар. Репликацын салаагаар хийгддэг үйлдлүүд. Теломерын хуулбар, теломераза. Хөгшрөлтийн механизм дахь хромосомын төгсгөлийн хэсгүүдийн дутуу репликацын ач холбогдол. Хуулбарлах алдаа засах систем. ДНХ полимеразын залруулгын шинж чанарууд. Гэмтсэн ДНХ-ийг нөхөн сэргээх механизмууд. ДНХ засах өвчний тухай ойлголт. Генетикийн ерөнхий рекомбинацын молекулын механизм. Сайтын тусгай дахин нэгтгэх. Генийн хувиргалт.

1865 онд Грегор Мендел генийг нээсэн бөгөөд түүний орчин үеийн Фридрих Мишер 1869 онд. илрүүлсэн нуклейн хүчлүүд (идээт эсүүд болон хулд эр бэлгийн эсийн цөмд). Гэсэн хэдий ч удаан хугацааны туршид эдгээр нээлтүүд хоорондоо холбоогүй, удамшлын бодисын бүтэц, мөн чанарыг удаан хугацаанд мэддэггүй байв. NK-ийн генетикийн үүрэг нь хувирал (1928, Ф.Гриффитс; 1944, О.Эвери), трансдукц (1951, Ледерберг, Зиндер), бактериофагийн нөхөн үржихүй (1951, А.Херши, M. Chase).

Бактериофагийн хувирал, дамжуулалт, нөхөн үржихүй нь ДНХ-ийн генетикийн үүргийг баттай нотолсон. РНХ агуулсан вируст (ДОХ, гепатит В, томуу, TMV, хулганы лейкеми гэх мэт) энэ үүргийг РНХ гүйцэтгэдэг.

Нуклейн хүчлүүдийн бүтэц. NK - генетикийн мэдээллийг хадгалах, дамжуулахад оролцдог биополимерууд. NA мономерууд нь азотын суурь, моносахарид ба нэг буюу хэд хэдэн фосфатын бүлгээс бүрдэх нуклеотидууд юм. NA дахь бүх нуклеотидууд нь монофосфатууд юм. Фосфатын бүлэггүй нуклеотидыг нуклеозид гэж нэрлэдэг. NC-ийн нэг хэсэг болох элсэн чихэр нь рибоз эсвэл 2-дезоксирибозын D-изомер ба β-аномер юм. Рибоз агуулсан нуклеотидуудыг рибонуклеотид гэж нэрлэдэг бөгөөд РНХ мономерууд бөгөөд нуклеотидууд - дезоксирибозын деривативууд нь дезоксирибонуклеотидууд бөгөөд ДНХ нь тэдгээрээс бүрддэг. Хоёр төрлийн азотын суурь байдаг: пурин - аденин, гуанин ба пиримидин - цитозин, тимин, урацил. РНХ ба ДНХ-ийн найрлагад аденин, гуанин, цитозин орно; Урацил нь зөвхөн РНХ-д, тимин нь зөвхөн ДНХ-д байдаг.

Зарим тохиолдолд дигидроуридин, 4-тиуридин, инозин гэх мэт ховор жижиг нуклеотидууд NA-д байдаг.Тэдний олон янз байдал нь ялангуяа тРНХ-д өндөр байдаг. Бага зэргийн нуклеотидууд нь полимер гинж үүссэний дараа үүсдэг NA суурийн химийн хувирлын үр дүнд үүсдэг. Төрөл бүрийн метилжүүлсэн деривативууд нь РНХ ба ДНХ-д маш түгээмэл байдаг: 5-метилуридин, 5-метилцитидин, l-N-метиладенозин, 2-Н-метилгуанозин. РНХ-д рибозын үлдэгдлийн 2'-гидрокси бүлгүүд мөн метилжих боломжтой бөгөөд энэ нь 2'-О-метилцитидин эсвэл 2'-О-метилгуанозин үүсэхэд хүргэдэг.

Рибонуклеотид ба дезоксирибонуклеотидын нэгжүүд нь нэг нуклеотидын 5'-гидроксил бүлгийг дараагийн 3'-гидроксил бүлэгтэй холбодог фосфодиэфир гүүр ашиглан хоорондоо холбогддог. Иймээс ердийн нуруу нь фосфат ба рибозын үлдэгдэлээр үүсдэг бөгөөд хажуугийн бүлгүүд нь уурагт наалддагтай адил суурь нь сахартай холбогддог. Гинжин дагуух суурийн дарааллыг NC-ийн анхдагч бүтэц гэж нэрлэдэг. Суурийн дарааллыг ихэвчлэн 5 "- 3" - пентозын нүүрстөрөгчийн атомын чиглэлд уншдаг.

ДНХ-ийн бүтэц.Давхар спираль хэлбэрийн ДНХ-ийн бүтцийн загварыг 1953 онд Ватсон, Крик нар санал болгосон (Зураг 7).

Энэхүү гурван хэмжээст загварын дагуу ДНХ-ийн молекул нь эсрэг чиглэлд чиглэсэн хоёр полинуклеотидын гинжээс бүрдэх ба тэдгээр нь нэг тэнхлэгт баруун гар талын мушгиа үүсгэдэг. Азотын суурь нь давхар мушгиа дотор байх ба тэдгээрийн хавтгай нь үндсэн тэнхлэгт перпендикуляр байрладаг бол элсэн чихэр-фосфатын үлдэгдэл нь гадагшаа ил гардаг. Суурийн хооронд өвөрмөц H-бонд үүсдэг: аденин - тимин (эсвэл урацил), гуанин - цитозин нь Ватсон-Крикийн хослол гэж нэрлэгддэг. Үүний үр дүнд их хэмжээний пуринууд үргэлж жижиг пиримидинуудтай харилцан үйлчилдэг тул нурууны геометрийг оновчтой болгодог. Давхар мушгиагийн эсрэг параллель гинж нь суурийн дараалал эсвэл нуклеотидын найрлагад ижил биш боловч дээрх суурийн хооронд тусгай устөрөгчийн холбоо байдаг тул бие биенээ нөхдөг.

ДНХ-г хуулбарлахад (репликаци) нэмэлт нь маш чухал юм. ДНХ-ийн янз бүрийн суурийн тооны хоорондын хамаарлыг илрүүлсэн

Зураг 7. B - ДНХ-ийн хэлбэр

Чарграфф нар. 1950-иад онд ДНХ-ийн бүтцийг бий болгоход ихээхэн ач холбогдолтой байсан: организмаас үл хамааран ДНХ-ийн гинжин хэлхээний суурь дахь аденины үлдэгдлийн тоо нь тимины үлдэгдлийн тоотой тэнцүү болохыг харуулсан. гуанины үлдэгдэл нь цитозины үлдэгдлийн тоотой тэнцүү байна. Эдгээр тэгш байдал нь үндсэн суурь хосолсон сонголтын үр дүн юм (Зураг 8).

Давхар мушгиа геометрийн хувьд зэргэлдээ суурь хосууд бие биенээсээ 0.34 нм зайд байрладаг бөгөөд мушгиа тэнхлэгийг тойрон 36 ° эргэдэг. Тиймээс мушгиа нэг эргэлтэнд 10 суурь хос байх ба мушгиа 3.4 нм байна. Давхар мушгиа диаметр нь 20 нм бөгөөд дотор нь том, жижиг гэсэн хоёр ховил үүсдэг. Энэ нь сахар-фосфатын нуруу нь азотын суурьтай харьцуулахад мушгиа тэнхлэгээс хол байрладагтай холбоотой юм.

ДНХ-ийн бүтцийн тогтвортой байдал нь харилцан үйлчлэлийн янз бүрийн төрлөөс шалтгаалдаг бөгөөд тэдгээрийн гол нь суурь хоорондын H-бонд ба хавтгай хоорондын харилцан үйлчлэл (овоолгын) юм. Сүүлчийн ачаар атомуудын хоорондын ван дер Ваальсийн таатай холбоог хангаад зогсохгүй

Зураг 8. ДНХ-ийн хэлхээний нэмэлт ба эсрэг параллелизмын зарчим

зэрэгцээ суурийн атомуудын р-орбиталууд давхцаж байгаагаас нэмэлт тогтворжилт. Тогтворжилтыг мөн усан орчинтой шууд харьцахаас бага туйлттай суурийг хамгаалахад илэрдэг таатай гидрофобик нөлөөгөөр хангадаг. Үүний эсрэгээр, элсэн чихэр-фосфатын нуруу нь туйлын болон ионжсон бүлгүүдтэй хамт ил гарч, бүтцийг тогтворжуулдаг.

ДНХ-ийн хувьд дөрвөн полиморф хэлбэрийг мэддэг: A, B, C, Z. Ердийн бүтэц нь B-ДНХ бөгөөд үндсэн хосын хавтгай нь давхар мушгиа тэнхлэгт перпендикуляр байдаг (Зураг 7.). A-ДНХ-д үндсэн хосуудын хавтгай нь хэвийнээс баруун давхар мушгиа тэнхлэг рүү ойролцоогоор 20 ° эргэлддэг; мушгиа нэг эргэлтэнд 11 суурь хос байна. С-ДНХ-д спираль нэг эргэлтэнд 9 хос суурь байдаг. Z-ДНХ нь эргэлт тутамд 12 суурь хос бүхий зүүн гар талын мушгиа; суурийн хавтгай нь мушгиа тэнхлэгт ойролцоогоор перпендикуляр байна. Эсийн ДНХ нь ихэвчлэн В хэлбэртэй байдаг ч түүний зарим хэсэг нь A, Z, эсвэл бүр өөр хэлбэртэй байж болно.

ДНХ-ийн давхар мушгиа нь хөлдсөн формац биш, байнгын хөдөлгөөнтэй байдаг.

гинжин хэлхээний холболтууд гажигтай;

Нэмэлт суурь хосууд нээгдэж, хаагддаг

ДНХ нь уурагтай харилцан үйлчилдэг

хэрэв молекулын хурцадмал байдал өндөр байвал энэ нь орон нутагт тайлагдана;

Баруун мушгиа нь зүүн тийшээ ордог.

ДНХ-ийн 3 фракц байдаг:

1. Байнга давтагддаг (хиймэл дагуул) - 106 хүртэлх генийн хуулбар (хулганад 10%). Энэ нь уургийн нийлэгжилтэнд оролцдоггүй; генийг ялгадаг; кроссовер өгдөг; транспозон агуулдаг.

2. Сул давтагдах чадвартай - 102 - 103 генийн хуулбар (хулганад 15%). Т-РНХ-ийн синтезийн ген, рибосомын уураг, хроматин уургийн нийлэгжилтийн генийг агуулдаг.

3. Өвөрмөц (давтагдахгүй) - хулганад 75% (хүнд 56%). Бүтцийн генээс бүрдэнэ.

ДНХ-ийн нутагшуулалт: ДНХ-ийн 95% нь хромосомын цөмд (шугаман ДНХ), 5% нь митохондри, пластид, эсийн төвд дугуй хэлбэртэй ДНХ хэлбэрээр байршдаг.

ДНХ-ийн үйл ажиллагаа: мэдээллийг хадгалах, дамжуулах; засвар; хуулбарлах.

Генийн бүс дэх ДНХ-ийн хоёр хэлхээ нь функциональ үүргээрээ эрс ялгаатай: тэдгээрийн нэг нь кодлох буюу мэдрэхүй, хоёр дахь нь матриц юм.

Энэ нь генийг "унших" явцад (мРНХ-ийн өмнөх транскрипци эсвэл синтез) ДНХ-ийн загвар хэлхээ нь загвар болж ажилладаг гэсэн үг юм. Энэ үйл явцын бүтээгдэхүүн болох пре-мРНХ нь кодлогч ДНХ-ийн гинжин хэлхээтэй нуклеотидын дарааллаар давхцдаг (тимин суурийг урацилаар сольсон).

Ийнхүү транскрипц хийх явцад ДНХ-ийн загвар гинжин хэлхээний тусламжтайгаар кодлогч ДНХ-ийн гинжин хэлхээний генетикийн мэдээллийг РНХ-ийн бүтцэд нөхөн төлжүүлдэг болох нь харагдаж байна.

Бүх амьд организмд байдаг матрицын гол үйл явц нь ДНХ-ийн хуулбар, транскрипци, орчуулга юм.

хуулбарлах- эх ДНХ молекулын суурийн дарааллаар кодлогдсон мэдээллийг охин ДНХ-д хамгийн өндөр нарийвчлалтайгаар дамжуулах үйл явц. Хагас консерватив репликацийн үед эхний үеийн охин эсүүд эцэг эхээсээ ДНХ-ийн нэг хэлхээ хүлээн авдаг бөгөөд хоёр дахь хэлхээ нь шинээр нийлэгждэг. Уг процесс нь трансферазын ангилалд хамаарах ДНХ полимеразуудын оролцоотойгоор явагддаг. Загварын үүргийг эхийн хоёр судалтай ДНХ-ийн салангид гинж гүйцэтгэдэг бөгөөд субстрат нь дезоксирибонуклеозид-5'-трифосфатууд юм.

Транскрипци- генетикийн мэдээллийг ДНХ-ээс РНХ руу шилжүүлэх үйл явц. Бүх төрлийн РНХ - мРНХ, рРНХ ба тРНХ нь загвар болж үйлчилдэг ДНХ-ийн суурийн дарааллын дагуу нийлэгждэг. ДНХ-ийн зөвхөн нэг "+" хэлхээг хуулбарладаг. Процесс нь РНХ полимеразуудын оролцоотойгоор явагддаг. Субстрат нь рибонуклеозид-5'-трифосфатууд юм.

Прокариот ба эукариотуудад хуулбарлах, транскрипц хийх үйл явц нь үүсэх хурд болон бие даасан механизмаар ихээхэн ялгаатай байдаг.

Нэвтрүүлэг- мРНХ-ийн декодчилох үйл явц, үүний үр дүнд мРНХ-ийн үндсэн дарааллын хэлнээс мэдээлэл уургийн амин хүчлийн дарааллын хэл рүү хөрвүүлэгддэг. Орчуулга нь рибосом дээр явагддаг бөгөөд субстрат нь аминоацил-тРНХ юм.

ДНХ полимеразаар катализлагдсан загвар ДНХ-ийн синтез нь хоёр үндсэн үүргийг гүйцэтгэдэг: ДНХ-ийн репликаци - шинэ охин гинжний нийлэгжилт, энэ гинжин хэлхээний гэмтсэн хэсгүүдийг нуклеазаар тайрсны үр дүнд үүссэн гинжний аль нэг дэх тасархай хоёр хэлхээтэй ДНХ-ийг засах. . Прокариот ба эукариотуудад гурван төрлийн ДНХ полимераз байдаг. I, II, III полимеразуудыг прокариотуудаас тусгаарлаж, poll, polll, pol III гэж тодорхойлсон. Сүүлийнх нь өсөн нэмэгдэж буй гинжин хэлхээний нийлэгжилтийг хурдасгадаг, пол нь ДНХ боловсрох үйл явцад чухал үүрэг гүйцэтгэдэг бөгөөд polll-ийн үүрэг бүрэн ойлгогдоогүй байна. Эукариот эсүүдэд ДНХ полимераз ά нь хромосомын репликаци, ДНХ полимераз β нь засварын ажилд оролцдог ба γ төрөл нь митохондрийн ДНХ-ийг хуулбарладаг фермент юм. Эдгээр ферментүүд нь репликаци явагддаг эсийн төрлөөс үл хамааран 5'→3 чиглэлд ургадаг ДНХ-ийн хэлхээний аль нэгний 3' төгсгөлд байрлах OH бүлэгт нуклеотидыг хавсаргадаг. Иймд эдгээр F нь 5'→3' полимеразын идэвхжилтэй гэж үздэг. Нэмж дурдахад эдгээр нь бүгд 3'→5' чиглэлд нуклеотидуудыг задлах замаар ДНХ-ийг задлах чадварыг харуулдаг, өөрөөр хэлбэл тэдгээр нь 3'→5'-экзонуклеазууд юм.

1957 онд Meselson, Stahl нар E. coli-г судалж байхдаа чөлөөт гинж бүр дээр ДНХ-ийн полимеразын фермент нь шинэ нэмэлт гинж үүсгэдэг болохыг тогтоожээ. Энэ бол хуулбарлах хагас консерватив арга юм: нэг гинж нь хуучин, нөгөө нь шинэ!

Ихэвчлэн репликаци нь ори (репликацийн гарал үүсэл) гэж нэрлэгддэг хатуу тодорхойлогдсон газруудаас эхэлдэг бөгөөд эдгээр сайтуудаас хоёр чиглэлд тархдаг. Орийн бүсүүдийн өмнө ДНХ-ийн эх хэлхээний салаалсан цэгүүд байдаг. Салбарын цэгийн зэргэлдээх хэсгийг хуулбарлах салаа гэж нэрлэдэг (Зураг 9). Синтезийн явцад хуулбарлах сэрээ нь молекулын дагуу хөдөлдөг бол эцэг эхийн ДНХ-ийн шинэ хэсгүүд нь салаа төгсгөлийн цэгт хүрэх хүртэл мушгиа тайлагддаг. Гинжийг тусгаарлах нь тусгай F - helicases (топоизомераза) тусламжтайгаар хийгддэг. Үүнд шаардлагатай энерги нь ATP-ийн гидролизийн явцад ялгардаг. Хеликазууд полинуклеотидын гинжин хэлхээний дагуу хоёр чиглэлд хөдөлдөг.

ДНХ-ийн синтезийг эхлүүлэхийн тулд праймер хэрэгтэй. Праймерын үүргийг богино РНХ (10-60 нуклеотид) гүйцэтгэдэг. Энэ нь примазын оролцоотойгоор ДНХ-ийн тодорхой хэсэгт нэмэлтээр нийлэгждэг. Праймер үүссэний дараа ДНХ полимеразыг ажилд оруулна. Геликазуудаас ялгаатай нь ДНХ полимеразууд нь зөвхөн загварын төгсгөлийн 3'-аас 5' хүртэл хөдөлж чаддаг. Иймээс давхар судалтай эхийн ДНХ задрах үед өсөн нэмэгдэж буй хэлхээний суналт нь зөвхөн загварын нэг хэлхээний дагуу, репликацын салаа 3"-аас 5" төгсгөл хүртэл хөдөлдөг нэг хэлхээний дагуу үргэлжилж болно. Тасралтгүй нийлэгжсэн хэлхээг тэргүүлэх хэлхээ гэж нэрлэдэг. Хоцрогдсон судал дээрх синтез нь мөн праймер үүсэхээс эхэлж, хуулбарлах салаанаас эхлээд тэргүүлэх хэлхээний эсрэг чиглэлд явагддаг. Хуулбарлах салаа нь примазын хамаарал бүхий загварыг гаргахад л праймер үүсдэг тул хоцрогдсон хэлхээ нь хэсгүүдэд (оказаки хэлтэрхий хэлбэрээр) нийлэгждэг. Оказаки хэлтэрхийнүүд нэг гинж үүсэх замаар холбосон (холбох) үйл явцыг боловсорч гүйцэх процесс гэж нэрлэдэг.

Тууз боловсорч гүйцсэний дараа РНХ праймерыг тэргүүлэх хэлхээний 5" төгсгөл ба Оказаки хэлтэрхийний 5" төгсгөлөөс салгаж, эдгээр хэлтэрхийнүүд хоорондоо нийлдэг. Үрийг зайлуулах ажлыг 3" → 5" экзонуклеазын оролцоотойгоор гүйцэтгэдэг. Устгасан РНХ-ийн оронд ижил F нь 5" → 3" полимеразын идэвхийг ашиглан дезоксинуклеотидуудыг холбодог. Энэ тохиолдолд "буруу" нуклеотидыг хавсаргасан тохиолдолд "засах засвар" -ыг нэмэлт бус хос үүсгэдэг суурийг арилгана. Энэ процесс нь 109 үндсэн хос тутамд нэг алдаатай тэнцэх маш өндөр хуулбарлах үнэнч байдлыг хангадаг.

Зураг 9. ДНХ-ийн хуулбар:

1 - хуулбарлах салаа, 2 - ДНХ полимераз (пол I - боловсорч гүйцсэн);

3 - ДНХ полимераз (пол III - "засвар унших"); 4-геликаз;

5-гираза (топоизомераза); 6-давхар мушгиа тогтворгүй болгодог уураг.

Залруулга нь өсөн нэмэгдэж буй гинжин хэлхээний 3 "төгсгөлд "буруу" нуклеотид нэмж, загвартай шаардлагатай устөрөгчийн холбоог үүсгэж чадахгүй байгаа тохиолдолд хийгддэг. Пол III нь буруу суурийг буруу хавсаргасан тохиолдолд түүний 3" - " 5" экзонуклеазын идэвхжил "асаагдсан" ба энэ суурь нь нэн даруй арилж, дараа нь полимеразын идэвхжил сэргээгддэг. Пол III нь зөвхөн туйлын зөв суурь хосолсон ДНХ-ийн хос мушгиа дээр полимеразын үүрэг гүйцэтгэх чадвартай тул энэхүү энгийн механизм ажилладаг. .

РНХ-ийн хэсгүүдийг зайлуулах өөр нэг механизм нь RNase H гэж нэрлэгддэг тусгай рибонуклеазын эсүүдэд байдагт суурилдаг. Энэ F нь нэг рибонуклеотид ба нэг дезоксирибонуклеотидын гинжин хэлхээнээс бүтсэн давхар судалтай бүтцэд зориулагдсан бөгөөд тэдгээрийн эхнийхийг нь гидролиз болгодог.

RNase H нь мөн РНХ праймерыг арилгах чадвартай бөгөөд дараа нь ДНХ полимеразын эвдрэлийг засах боломжтой. Фрагмент угсралтын эцсийн шатанд ДНХ-ийн лигаза нь шаардлагатай дарааллаар үйлчилж, фосфодиэфирийн холбоо үүсэхийг идэвхжүүлдэг.

Эукариот хромосом дахь ДНХ-ийн давхар спираль хэсгийг спираль хэлбэрээр задлах нь бүтцийн бусад хэсгийг хэт ороомог болгоход хүргэдэг бөгөөд энэ нь хуулбарлах үйл явцын хурдад зайлшгүй нөлөөлдөг. ДНХ-ийн топоизомераза нь супер ороомогоос сэргийлдэг.

Иймээс ДНХ полимеразаас гадна ДНХ-ийн репликаци нь олон тооны Ps-ийг хамардаг: helicase, primase, RNase H, DNA ligase, topoisomerase. Загварын ДНХ-ийн биосинтезд оролцдог F ба уургуудын энэхүү жагсаалт дуусахаас хол байна. Гэсэн хэдий ч энэ үйл явцад оролцогчдын ихэнх нь ойлгомжгүй хэвээр байна.

Хуулбарлах явцад "засах засвар" явагддаг - шинээр нийлэгжсэн ДНХ-д орсон буруу (нэмэлт бус хос үүсгэх) суурийг арилгах. Энэ процесс нь 109 үндсэн хос тутамд нэг алдаатай тэнцэх маш өндөр хуулбарлах үнэнч байдлыг хангадаг.

Теломерууд. 1938 онд генетикийн сонгодог эрдэмтэн Б.МакКлинтон, Г.Мөллер нар хромосомын төгсгөлд теломер (биеийн төгсгөл, мерос-хэсэг) гэж нэрлэдэг тусгай бүтэц байдгийг нотолсон.

Эрдэмтэд рентген туяанд өртөхөд зөвхөн теломерууд эсэргүүцэл үзүүлдэг болохыг тогтоожээ. Эсрэгээр, төгсгөлийн хэсгүүдгүй, хромосомууд нэгдэж эхэлдэг бөгөөд энэ нь удамшлын ноцтой гажиг үүсгэдэг. Тиймээс теломерууд нь хромосомын бие даасан байдлыг хангадаг. Теломерууд нь өтгөн (гетерохроматин) бөгөөд ферментүүд (теломераза, метилаза, эндонуклеаз гэх мэт) нэвтэрдэггүй.

Теломерын функцууд.

1. Механик: a) S-фазын дараа эгч хроматидын төгсгөлүүдийн холболт; б) хромосомыг цөмийн мембранд бэхлэх, энэ нь гомологуудын нэгдлийг баталгаажуулдаг.

2. Тогтворжуулах: a) ДНХ-ийн генетикийн ач холбогдолтой хэсгүүдийн дутуу хуулбарлахаас хамгаалах (теломерууд хуулбарлагдаагүй); б) хугарсан хромосомын төгсгөлийг тогтворжуулах. α - глобины генийн α - талассеми өвчтэй өвчтөнүүдэд 16d хромосомын эвдрэл үүсч, гэмтсэн төгсгөлд теломер давталт (TTAGGG) нэмэгддэг.

3. Генийн илэрхийлэлд үзүүлэх нөлөө. Теломерийн ойролцоо байрлах генийн идэвхжил буурдаг. Чимээгүй байдлын энэ илрэл нь транскрипцийн чимээгүй байдал юм.

4. "Тоолох функц". Теломерууд нь эсийн хуваагдлын тоог тоолох цагийн механизмын үүрэг гүйцэтгэдэг. Хэсэг бүр нь теломеруудыг 50-65 bp-ээр богиносгодог. Хүний үр хөврөлийн эс дэх тэдний нийт урт нь 10-15 мянган bp байна.

Теломерийн ДНХ саяхан биологичдын анхаарлыг татсан. Судалгааны эхний объектууд нь нэг эсийн эгэл биетүүд юм - хэдэн арван мянган маш жижиг хромосом, тиймээс нэг эсэд олон теломер агуулсан цилиар цилиат (тетрахимена) (өндөр эукариотууд нэг эсэд 100-аас бага теломер агуулдаг).

Цирмэгийн теломер ДНХ-д 6 нуклеотидын үлдэгдэл блокууд олон удаа давтагддаг. Нэг ДНХ-ийн хэлхээнд 2-р блок тимин - 4 гуанин (TTGGGG - G-гинж), нэмэлт гинж нь 2 аденин - 4 цитозин (AACCCC - C-гинж) агуулдаг.

Хүний теломерийн ДНХ нь цилиатаас ганц үсгээр ялгаатай бөгөөд 2 тимин-аденин-3 гуанин (TTAGGG) блок үүсгэдэг болохыг олж мэдээд эрдэмтдийн гайхшрал юу байв. Түүгээр ч барахгүй бүх хөхтөн амьтад, хэвлээр явагчид, хоёр нутагтан, шувууд, загасны теломерууд (G - гинж) нь TTAGGG - блокоос бүтээгдсэн байдаг.

Гэсэн хэдий ч энд гайхах зүйл алга, учир нь теломерийн ДНХ-д ямар ч уураг кодлогддоггүй (энэ нь ген агуулдаггүй). Бүх организмд теломерууд дээр дурдсан бүх нийтийн үүргийг гүйцэтгэдэг. Теломер ДНХ-ийн маш чухал шинж чанар нь тэдгээрийн урт юм. Хүний хувьд энэ нь 2-20 мянган суурь хосын хооронд хэлбэлздэг бөгөөд зарим төрлийн хулганад хэдэн зуун мянган суурь хос хүрдэг. Теломеруудын ойролцоо тэдний ажлыг хангаж, теломерыг бүтээхэд оролцдог тусгай уураг байдаг нь мэдэгдэж байна.

Хэвийн үйл ажиллагааны хувьд шугаман ДНХ бүр хоёр теломертэй байх ёстой нь батлагдсан: төгсгөлд нь нэг теломер.

Прокариотуудад теломер байдаггүй - тэдний ДНХ нь цагирагт хаалттай байдаг.