DNA Logic je računalniška tehnologija DNK, ki je trenutno v povojih, vendar ima veliko obetov za prihodnost. Biološki nanoračunalniki, vgrajeni v žive organizme, se nam še vedno zdijo nekaj fantastičnega in neresničnega. Toda tisto, kar je danes neresnično, se lahko jutri izkaže za nekaj običajnega in tako naravnega, da si bo težko predstavljati, kako je bilo mogoče brez tega nekoč.

DNK računalništvo je torej veja področja molekularnega računalništva na meji molekularne biologije in računalništva. Glavna ideja računalništva DNK je konstrukcija nove paradigme, ustvarjanje novih računalniških algoritmov, ki temeljijo na znanju o zgradbi in funkcijah molekule DNK ter operacijah, ki se izvajajo v živih celicah na molekulah DNK z uporabo različnih encimov. Obeti za računalništvo DNK vključujejo ustvarjanje biološkega nanoračunalnika, ki bo sposoben shranjevati terabajte informacij v prostornini nekaj mikrometrov. Takšen računalnik je mogoče vsaditi v celico živega organizma, njegova zmogljivost pa bo izračunana v milijardah operacij na sekundo s porabo energije največ milijarde vata.

Prednosti DNK v računalniški tehnologiji

Sodobni procesorji in čipi uporabljajo silicij kot gradbeni material. Toda možnosti silicija niso neomejene in na koncu bomo prišli do točke, ko bo nadaljnja rast računalniške moči procesorjev izčrpana. Zato se človeštvo že sooča z akutnim problemom iskanja novih tehnologij in materialov, ki bi lahko v prihodnosti nadomestili silicij.

Molekule DNK se lahko izkažejo za tisti material, ki bo kasneje nadomestil silicijeve tranzistorje z njihovo binarno logiko. Dovolj je reči, da ima samo en funt (453 g) molekule DNK zmogljivost shranjevanja podatkov, ki presega skupno zmogljivost vseh sodobnih elektronskih sistemov za shranjevanje podatkov, računalniška moč procesorja DNK v velikosti kapljice pa bo presegla najmočnejše sodobne superračunalnik.

Več kot 10 trilijonov molekul DNK zavzema prostornino le 1 cm3. Vendar je to število molekul dovolj za shranjevanje količine informacij 10 terabajtov in lahko izvedejo 10 trilijonov operacij na sekundo.

Druga prednost procesorjev DNA pred običajnimi silicijevimi procesorji je, da lahko izvajajo vse izračune ne zaporedno, ampak vzporedno, kar zagotavlja izvedbo zapletenih matematičnih izračunov v dobesedno nekaj minutah. Tradicionalni računalniki bi potrebovali mesece ali leta za izvedbo takšnih izračunov.

Zgradba molekul DNA

Kot veste, sodobni računalniki delujejo z binarno logiko, kar pomeni prisotnost samo dveh stanj: logične ničle in ena. Z uporabo binarne kode, to je zaporedja ničel in enic, lahko kodirate katero koli informacijo. Molekule DNK imajo štiri osnovne baze: adenin (A), gvanin (G), citozin (C) in timin (T), povezane v verigo. To pomeni, da ima lahko molekula DNA (enojna veriga) na primer naslednjo obliko: ATTTACGGCC - tu se ne uporablja binarna, ampak kvartarna logika. In tako kot je v binarni logiki katero koli informacijo mogoče kodirati kot zaporedje ničel in enic, je v molekulah DNK katero koli informacijo mogoče kodirati s kombinacijo osnovnih baz.

Osnovne baze v molekulah DNK se nahajajo na medsebojni razdalji 0,34 nanometra, kar določa njihovo ogromno informacijsko kapaciteto – linearna gostota je 18 Mbit/inch. Če govorimo o površinski informacijski gostoti, ob predpostavki, da obstaja površina 1 kvadratni nanometer na osnovno bazo, potem je to več kot milijon gigabitov na kvadratni palec. Za primerjavo omenimo, da je površinska gostota zapisa sodobnih trdih diskov približno 7 Gbit/palec 2.

Druga pomembna lastnost molekul DNK je, da so lahko oblikovane kot pravilna dvojna vijačnica s premerom le 2 nm. Takšna vijačnica je sestavljena iz dveh verig (zaporedij osnovnih baz), vsebina prve verige pa strogo ustreza vsebini druge.

Ta korespondenca je dosežena zaradi prisotnosti vodikovih vezi med bazami dveh verig, usmerjenih drug proti drugemu - pari G in C ali A in T. Molekularni biologi opisujejo to lastnost dvojne vijačnice, pravijo, da so verige DNK komplementarne zaradi nastanek G-C in A-T parov.

Na primer, če je zaporedje S zapisano kot ATTACGTCG, potem bo njegovo komplementarno zaporedje S' TAATGCAGC.

Postopek združevanja dveh enojnih verig DNK z vezavo komplementarnih baz v pravilno dvojno vijačnico imenujemo renaturacija, obratni proces, to je ločitev dvojne verige in nastanek dveh enojnih verig, pa denaturacija ( Slika 1).

riž. 1. Procesi renaturacije in denaturacije

Komplementarna značilnost strukture molekul DNK se lahko uporabi pri izračunih DNK. Na podlagi komplementarnih sekvenc lahko na primer implementirate zmogljiv mehanizem za popravljanje napak, ki nekoliko spominja na tehnologijo zrcaljenja podatkov RAID Level 1.

Osnovne operacije na molekulah DNA

Za različne manipulacije z molekulami DNA se uporabljajo različni encimi. In tako kot imajo sodobni mikroprocesorji nabor osnovnih operacij, kot so seštevanje, premik, logične operacije IN, ALI in NE NI, lahko molekule DNK pod vplivom encimov izvajajo tako osnovne operacije, kot so rezanje, kopiranje, lepljenje itd. In vse operacije Molekule DNA se lahko obdelujejo vzporedno in neodvisno od drugih operacij, na primer dodajanje verige DNA se izvede z delovanjem encimov - polimeraz - na prvotno molekulo. Za delovanje polimeraze je potrebno imeti enoverižno molekulo (template), ki določa dodano verigo po principu komplementarnosti, primer (majhen dvoverižni odsek) in proste nukleotide v raztopini. Postopek dodajanja verige DNK je prikazan na sl. 2.

riž. 2. Postopek dodajanja verige DNA
ko je izpostavljen originalni molekuli polimeraze

Obstajajo polimeraze, ki ne potrebujejo predlog za podaljšanje verige DNK. Na primer, terminalna transferaza doda enojno verigo DNK na oba konca dvoverižne molekule. Na ta način lahko sestavimo poljubno verigo DNK (slika 3).

riž. 3. Postopek podaljševanja verige DNK

Encimi, imenovani nukleaze, so odgovorni za skrajšanje in rezanje molekul DNA. Obstajajo endonukleaze in eksonukleaze. Slednje lahko skrajšajo tako eno- kot dvoverižne molekule z enega ali obeh koncev (slika 4), endonukleaze pa le s koncev.

riž. 4. Postopek krajšanja molekule
DNK pod vplivom eksonukleaze

Molekule DNK se lahko razrežejo pod vplivom mestospecifičnih endonukleaz – restrikcijskih encimov, ki jih prerežejo na točno določenem mestu, kodiranem z nukleotidnim zaporedjem (prepoznavno mesto). Rez je lahko raven ali asimetričen in poteka skozi mesto prepoznave ali zunaj njega. Endonukleaze uničijo notranje vezi v molekuli DNK (slika 5).

riž. 5. Rezanje molekule DNA
pod vplivom restrikcijskih encimov

Navzkrižno povezovanje, obratna operacija kot rezanje, se pojavi pod vplivom encimov - ligaz. Lepljivi konci se združijo in tvorijo vodikove vezi. Ligaze služijo za zapiranje zarez, to je za spodbujanje tvorbe fosfodiestrskih vezi na pravih mestih, ki povezujejo baze med seboj znotraj iste verige (slika 6).

riž. 6. Zamreženje molekul DNA pod vplivom ligaz

Druga zanimiva operacija na molekulah DNK, ki jo lahko uvrstimo med osnovne, je modifikacija. Uporablja se za preprečevanje, da bi restrikcijski encimi našli določeno mesto in uničili molekulo. Obstaja več vrst modificirajočih encimov - metilaze, fosfataze itd.

Metilaza ima isto prepoznavno mesto kot ustrezni restrikcijski encim. Ko najde želeno molekulo, metilaza spremeni regijo z mestom, tako da restrikcijski encim ne more več identificirati te molekule.

Kopiranje ali razmnoževanje molekul DNA poteka med verižno reakcijo s polimerazo (PCR) - sl. 7. Postopek kopiranja lahko razdelimo na več stopenj: denaturacija, primaranje in elongacija. Zgodi se kot plaz. Pri prvem koraku iz ene molekule nastaneta dve molekuli, pri drugem iz dveh štiri molekule, po n korakih pa dobimo 2n molekul.

riž. 7. Postopek kopiranja molekule DNA

Druga operacija, ki jo lahko izvajamo na molekulah DNK, je sekvenciranje, to je določanje zaporedja nukleotidov v DNK. Za zaporedje verig različnih dolžin se uporabljajo različne metode. Z uporabo metode hoje, posredovane s primerjem, je mogoče v enem koraku zaporedje zaporedja 250-350 nukleotidov. Po odkritju restrikcijskih encimov je postalo možno zaporedje dolgih sekvenc po delih.

No, zadnji postopek, ki ga bomo omenili, je gelska elektroforeza, ki se uporablja za ločevanje molekul DNK po dolžini. Če molekule postavimo v gel in uporabimo konstantno električno polje, se bodo premikale proti anodi, krajše molekule pa se bodo premikale hitreje. Z uporabo tega pojava je mogoče razvrstiti molekule DNK po dolžini.

DNK računalništvo

Molekule DNK nam s svojo edinstveno strukturo in zmožnostjo izvajanja vzporednih izračunov omogočajo drugačen pogled na problem računalniškega računalništva. Tradicionalni procesorji izvajajo programe zaporedno. Kljub obstoju večprocesorskih sistemov, večjedrnih procesorjev in različnih tehnologij, namenjenih povečanju stopnje vzporednosti, so vsi računalniki, zgrajeni na osnovi von Neumannove arhitekture, v svojem bistvu naprave s sekvenčnim načinom izvajanja ukazov. Vsi sodobni procesorji izvajajo naslednji algoritem obdelave ukazov in podatkov: pridobivanje ukazov in podatkov iz pomnilnika ter izvajanje ukazov nad izbranimi podatki. Ta cikel se ponavlja večkrat in z izjemno hitrostjo.

Računalništvo DNK temelji na popolnoma drugačni, vzporedni arhitekturi in v nekaterih primerih je prav zaradi tega možno enostavno izračunati tiste probleme, za reševanje katerih bi računalniki na von Neumannovi arhitekturi potrebovali leta.

Eddlemanov poskus

Zgodovina računalništva DNK se začne leta 1994. Takrat je Leonard M. Adleman poskušal rešiti zelo trivialen matematični problem na povsem netrivialen način – z uporabo izračunov DNK. Pravzaprav je bila to prva predstavitev prototipa biološkega računalnika, ki je temeljil na računanju DNK.

Težava, ki jo je Edleman izbral z uporabo računalništva DNK, je znana kot iskanje Hamiltonove poti v grafu ali težava trgovskega potnika. Njegov pomen je naslednji: obstaja več mest, ki jih je treba obiskati, in vsako mesto lahko obiščete samo enkrat.

Ob poznavanju odhodne in ciljne točke je treba določiti pot potovanja (če obstaja). V tem primeru je pot sestavljena ob upoštevanju možnih letalskih potovanj in povezav različnih letov.

Torej, recimo, da obstajajo samo štiri mesta (Edlemanov eksperiment je uporabil sedem mest): Atlanta, Boston, Detroit in Chicago. Popotnik mora izbrati pot iz Atlante v Detroit, pri čemer vsako mesto obišče le enkrat. Sheme možnih povezav med mesti so prikazane na sl. 8.

riž. 8. Sheme možnih sporočil
med mesti

Lahko se vidi (traja le nekaj sekund), da je edina možna pot (Hamiltonova pot) sledeča: Atlanta - Boston - Chicago - Detroit.

Dejansko je z majhnim številom mest ustvariti takšno pot precej preprosto. Toda z naraščanjem njihovega števila se zapletenost reševanja problema eksponentno povečuje in postane težavna ne samo za osebo, ampak tudi za računalnik.

Torej, na sl. Slika 9 prikazuje graf sedmih vozlišč z navedbo možnih prehodov med njimi. Navaden človek ne potrebuje več kot eno minuto, da najde Hamiltonovo pot. Točno to je graf, ki je bil uporabljen v Edlmanovem poskusu. Na sl. 10 prikazuje graf 12 vozlišč - v tem primeru iskanje Hamiltonove poti ni več tako preprosta naloga. Na splošno se kompleksnost reševanja problema iskanja Hamiltonove poti eksponentno povečuje s številom vozlišč v grafu. Na primer, za graf z 10 vozlišči obstaja 106 možnih poti; za graf z 20 točkami - 1012 in za graf s 100 točkami - 10100 možnosti. Jasno je, da bo v slednjem primeru generiranje vseh možnih poti in njihovo preverjanje zahtevalo ogromno časa tudi za sodoben superračunalnik.

riž. 9. Iskanje optimalne potovalne poti

riž. 10. Graf sestavljen iz 12 vozlišč

Torej, vrnimo se k našemu primeru iskanja Hamiltonove poti v primeru štirih mest (glej sliko 8).

Da bi rešil to težavo z uporabo DNK računalništva, je Edlman kodiral ime vsakega mesta kot eno samo verigo DNK, od katere je vsaka vsebovala 20 baz. Zaradi enostavnosti bomo vsako mesto kodirali z verigo DNK z osmimi bazami. DNK kode mest so prikazane v tabeli. 1. Upoštevajte, da je niz osmih baz odveč za kodiranje samo štirih mest.

Tabela 1. DNK kode mest

Upoštevajte, da za vsako kodo DNK mesta, ki definira posamezno verigo DNK, obstaja tudi komplementarna veriga, to je komplementarna koda DNK mesta, pri čemer sta tako DNK koda mesta kot komplementarna koda popolnoma enaki. .

Nato je treba z uporabo posameznih verig DNK kodirati vse možne lete (Atlanta - Boston, Boston - Detroit, Chicago - Detroit itd.). Za to je bil uporabljen naslednji pristop. Zadnje štiri osnovne osnove so bile vzete iz imena mesta odhoda, prve štiri pa iz imena mesta prihoda.

Na primer, let Atlanta - Boston bo ustrezal naslednjemu zaporedju: GCAG TCGG (slika 11).

riž. 11. Kodiranje letov med mesti

DNK kodiranje vseh možnih letov je prikazano v tabeli. 2.

Tabela 2. DNK kode vseh možnih letov

Torej, ko so kode mest in možni leti med njimi pripravljene, lahko nadaljujete neposredno z izračunom Hamiltonove poti. Postopek izračuna je sestavljen iz štirih stopenj:

1. Ustvarite vse možne poti.
2. Brskajte po poteh, ki se začnejo v Atlanti in končajo v Detroitu.
3. Izberite poti, katerih dolžina ustreza številu mest (v našem primeru je dolžina poti štiri mesta).
4. Izberite poti, na katerih se vsako mesto pojavi samo enkrat.

Torej, v prvem koraku moramo ustvariti vse možne poti. Naj vas spomnimo, da pravilna pot ustreza letom Atlanta - Boston - Chicago - Detroit. Ta pot ustreza molekuli DNK GCAG TCGG ACTG GGCT ATGT CCGA.

Za generiranje vseh možnih poti je dovolj, da v epruveto postavite vse potrebne in vnaprej pripravljene sestavine, torej molekule DNK, ki ustrezajo vsem možnim poletom, in molekule DNK, ki ustrezajo vsem mestom. Toda namesto enojnih verig DNK, ki ustrezajo imenom mest, je treba uporabiti komplementarne verige DNK zanje, to je, namesto verige DNK ACTT GCAG, ki ustreza Atlanti, bomo uporabili komplementarno verigo DNK TGAA CGTC itd. ., saj sta koda DNK mesta in komplementarna koda popolnoma enaki.

Nato vse te molekule (dovolj je dobesedno ščepec, ki bo vseboval približno 1014 različnih molekul) položimo v vodo, dodamo ligaze, začaramo in ... dobesedno v nekaj sekundah dobimo vse možne poti.

Postopek tvorbe verig DNK, ki ustrezajo različnim potem, poteka na naslednji način. Vzemimo na primer verigo GCAG TCGG, odgovorno za let Atlanta – Boston. Zaradi visoke koncentracije različnih molekul se bo ta veriga zagotovo srečala s komplementarno verigo DNK AGCC TGAC, ki ustreza Bostonu. Ker sta skupini TCGG in AGCC medsebojno komplementarni, se bosta ti verigi zaradi tvorbe vodikovih vezi sprijeli ena na drugo (slika 12).

riž. 12. Veriženje ustreznih verig
let Atlanta – Boston in Boston

Zdaj se bo nastala veriga neizogibno srečala z verigo DNK ACTG GGCT, ki ustreza letu Boston - Chicago, in ker je skupina ACTG (prve štiri baze v tej verigi) komplementarna skupini TGAC (zadnje štiri baze v komplementarni code of Boston), se bo DNK veriga ACTG GGCT pridružila že oblikovani verigi. Nato bo tej verigi na enak način dodana veriga DNK, ki ustreza mestu Chicago (komplementarna koda), nato pa veriga letalskega leta Chicago-Detroit. Postopek oblikovanja poti je prikazan na sl. 13.

riž. 13. Proces nastajanja verige DNK, ki ustreza poti
Atlanta - Boston - Chicago - Detroit

Ogledali smo si primer nastanka samo ene poti (in to je ravno Hamiltonova pot). Vse ostale možne poti dobimo na podoben način (npr. Atlanta – Boston – Atlanta – Detroit). Pomembno je, da se vse poti oblikujejo sočasno, torej vzporedno. Poleg tega je čas, potreben za ustvarjanje vseh možnih poti v danem problemu in vseh poti v problemu z 10 ali 20 mesti, popolnoma enak (če je dovolj začetnih molekul DNK). Pravzaprav je v algoritmu vzporednega računanja DNK glavna prednost v primerjavi z von Neumannovo arhitekturo.

Tako se v epruveti oblikujejo molekule DNK, ki ustrezajo vsem možnim potem. Vendar to še ni rešitev problema – izolirati moramo eno samo molekulo DNK, ki je odgovorna za hamiltonijsko pot. Zato je naslednji korak izbiranje molekul, ki ustrezajo potem, ki se začnejo v Atlanti in končajo v Detroitu.

To se naredi z verižno reakcijo s polimerazo (PCR), ki ustvari več kopij samo tistih verig DNK, ki se začnejo s kodo Atlanta in končajo s kodo Detroit.

Za izvedbo verižne reakcije s polimerazo se uporabljata dva praštevila: GCAG in GGCT. Postopek kopiranja modelov DNK, ki se začne s kodo DNK iz Atlante in konča s kodo DNK iz Detroita, je prikazan na sl. 14.

riž. 14. Postopek kopiranja molekul DNK med reakcijo PCR

Upoštevajte, da bodo ob prisotnosti praštevil GCAG in GGCT kopirane tudi tiste molekule DNK, ki se začnejo s kodo DNK Atlante, vendar se ne končajo s kodo DNK Detroita (pod vplivom praštevilke GCAG), kot tudi DNK molekule, ki se končajo z DNK kodo Detroit, ne začnejo pa se z DNK kodo Atlanta (pod vplivom prime GGCT). Jasno je, da bo hitrost kopiranja takšnih molekul veliko nižja od hitrosti kopiranja molekul DNK, ki se začnejo s kodo DNK Atlante in končajo s kodo DNK Detroita. Zato bomo po reakciji PCR dobili pretežno količino molekul DNK v obliki pravilne dvojne vijačnice, ki ustreza poti, ki se začnejo v Atlanti in končajo v Detroitu.

Na naslednji stopnji je potrebno izolirati molekule zahtevane dolžine, torej tiste, ki vsebujejo kode DNK točno štirih mest. Za to se uporablja gelska elektroforeza, ki omogoča razvrščanje molekul po dolžini. Kot rezultat dobimo molekule zahtevane dolžine (natančno štiri mesta), začenši s kodo Atlanta in konča s kodo Detroit.

Zdaj se morate prepričati, da je v izbranih molekulah koda za vsako mesto prisotna samo enkrat. Ta postopek se izvede s postopkom, znanim kot afinitetno čiščenje.

Za to operacijo se uporablja mikroskopska magnetna kroglica s premerom približno enega mikrona. Vanj se pritegnejo komplementarne DNK kode posameznega mesta, ki služijo kot vzorec. Na primer, če želite preveriti, ali je koda mesta Boston prisotna v verigi DNK, ki jo preučujete, morate najprej postaviti magnetno kroglico v epruveto z molekulami DNK, ki ustrezajo kodam DNK Bostona. Kot rezultat bomo dobili magnetno kroglo, prekrito z vzorci, ki jih potrebujemo. Nato se ta krogla postavi v epruveto s proučevanimi verigami DNK - posledično se bodo k njej pritegnile verige DNK, ki vsebujejo komplementarno bostonsko kodo (zaradi tvorbe vodikovih vezi med komplementarnimi skupinami). Nato kroglico z razvrščenimi molekulami vzamemo ven in jo damo v novo raztopino, iz katere jo nato odstranimo (ko se temperatura dvigne, molekule DNK odpadejo s kroglice). Ta postopek (razvrščanje) zaporedno ponavljamo za vsako mesto in posledično dobimo le tiste molekule, ki vsebujejo kode DNK vseh mest, torej poti, ki ustrezajo Hamiltonovi poti. Pravzaprav je problem rešen - ostane le še izračunati odgovor.

Zaključek

Edlman je demonstriral rešitev problema iskanja Hamiltonove poti na primeru le sedmih mest in za to porabil sedem dni. To je bil prvi poskus, ki je pokazal zmogljivosti DNK računalništva. Pravzaprav je Edleman dokazal, da lahko računalništvo DNK učinkovito reši obsežne probleme iskanja, in orisal tehniko, ki je kasneje služila kot osnova za ustvarjanje modela vzporednega filtriranja.

Vendar pa mnogi raziskovalci niso optimistični glede prihodnosti bioloških računalnikov. Tukaj je le majhen primer. Če bi uporabili podobno metodo za iskanje Hamiltonove poti v grafu, sestavljenem iz 200 vozlišč, bi potrebovali toliko molekul DNK, ki bi bile po teži primerljive s celotnim planetom! Ta temeljna omejitev je seveda neke vrste slepa ulica. Zato so se številni raziskovalni laboratoriji (na primer IBM) odločili, da svojo pozornost usmerijo v druge alternativne računalniške ideje, kot so ogljikove nanocevke in kvantni računalniki.

Od Edlmanovega eksperimenta so bile izvedene številne druge študije o možnostih računalniške DNK. Na primer, lahko se spomnimo eksperimenta E. Shapiro: implementiral je končni avtomat, ki je lahko v dveh stanjih: S0 in S1 - in odgovarja na vprašanje: sodo ali liho število simbolov vsebuje vhodno zaporedje simbolov .

DNK računalništvo danes ni nič drugega kot obetavna tehnologija na ravni laboratorijskih raziskav in v tem stanju bo ostalo še mnogo let. Pravzaprav je na sedanji stopnji razvoja treba odgovoriti na naslednje globalno vprašanje: kateri razred problemov je mogoče rešiti z uporabo DNK in ali je mogoče zgraditi splošen model računalništva DNK, primeren tako za implementacijo kot za uporabo?

Prostorski model molekule DNK sta leta 1953 predlagala ameriška raziskovalca, genetik James Watson (rojen 1928) in fizik Francis Crick (rojen 1916). Za svoje izjemne prispevke k temu odkritju so leta 1962 prejeli Nobelovo nagrado za fiziologijo in medicino.

Deoksiribonukleinska kislina (DNK) je biopolimer, katerega monomer je nukleotid. Vsak nukleotid vsebuje ostanek fosforne kisline, povezan s sladkorno deoksiribozo, ta pa z dušikovo bazo. V molekuli DNK so štiri vrste dušikovih baz: adenin, timin, gvanin in citozin.

Molekulo DNK sestavljata dve dolgi verigi, prepleteni v obliki spirale, največkrat desnosučne. Izjema so virusi, ki vsebujejo enoverižno DNA.

Fosforjeva kislina in sladkor, ki sta del nukleotidov, tvorita navpično osnovo vijačnice. Dušikove baze se nahajajo pravokotno in tvorijo "mostove" med vijačnicami. Dušikove baze ene verige se povezujejo z dušikovimi bazami druge verige po principu komplementarnosti ali korespondence.

Načelo komplementarnosti. V molekuli DNA se adenin povezuje samo s timinom, gvanin - samo s citozinom.

Dušikove baze so med seboj optimalno usklajene. Adenin in timin sta povezana z dvema vodikovima vezema, gvanin in citozin s tremi. Zato je za prekinitev vezi gvanin-citozin potrebna večja energija. Timin in citozin, ki sta enake velikosti, sta veliko manjša od adenina in gvanina. Par timin-citozin bi bil premajhen, par adenin-gvanin bi bil prevelik in vijačnica DNK bi bila upognjena.

Vodikove vezi so šibke. Zlahka se strgajo in prav tako zlahka obnovijo. Verige dvojne vijačnice se lahko pod delovanjem encimov ali pri visokih temperaturah razmaknejo kot zadrga.

5. Molekula RNK Ribonukleinska kislina (RNA)

Tudi molekula ribonukleinske kisline (RNA) je biopolimer, ki je sestavljen iz štirih vrst monomerov – nukleotidov. Vsak monomer molekule RNK vsebuje ostanek fosforne kisline, sladkorno ribozo in dušikovo bazo. Poleg tega so tri dušikove baze enake kot v DNK - adenin, gvanin in citozin, vendar namesto timina vsebuje RNA uracil, ki je podoben strukturi. RNA je enoverižna molekula.

Kvantitativna vsebnost molekul DNK v celicah katere koli vrste je skoraj konstantna, količina RNK pa se lahko zelo razlikuje.

Vrste RNA

Glede na strukturo in opravljeno funkcijo ločimo tri vrste RNA.

1. Prenosna RNA (tRNA). Prenosne RNA se večinoma nahajajo v citoplazmi celice. Prenašajo aminokisline do mesta sinteze beljakovin v ribosomu.

2. Ribosomska RNA (rRNA). Ribosomska RNA se veže na določene beljakovine in tvori ribosome - organele, v katerih pride do sinteze beljakovin.

3. Messenger RNA (mRNA) ali messenger RNA (mRNA). Messenger RNA prenaša informacije o strukturi beljakovin iz DNA v ribosom. Vsaka molekula mRNA ustreza določenemu odseku DNA, ki kodira strukturo ene proteinske molekule. Zato za vsakega od tisočih proteinov, ki se sintetizirajo v celici, obstaja njegova posebna mRNA.

Monomerne enote so nukliatidi.

Kaj je DNK?

Vse informacije o zgradbi in delovanju katerega koli živega organizma so v kodirani obliki shranjene v njegovem genetskem materialu. Osnova genetskega materiala organizma je deoksiribonukleinska kislina (DNK).

DNK v večini organizmov je to dolga dvoverižna polimerna molekula. Naknadno zaporedje monomerne enote (deoksiribonukleotidi) v eni od svojih verig ustreza ( komplementarno) deoksiribonukleotidna zaporedja v drugo. Načelo komplementarnosti zagotavlja sintezo novih molekul DNK, ki so identične prvotnim, ko se podvojijo ( podvajanje).

Del molekule DNK, ki kodira določeno lastnost - gen.

Geni– to so posamezni genetski elementi, ki imajo strogo določeno nukleotidno zaporedje in kodirajo določene značilnosti organizma. Nekatere od njih kodirajo beljakovine, druge le molekule RNA.

Informacije v genih, ki kodirajo beljakovine (strukturni geni), se dešifrirajo z dvema zaporednima procesoma:

• Sinteza RNA (transkripcija): DNK se sintetizira v določenem odseku kot na matrici messenger RNA (mRNA).
• sinteza beljakovin (prevod): Med usklajenim delovanjem večkomponentnega sistema s sodelovanjem transportne RNA (tRNA), mRNA, encimi in različne proteinski faktorji izvedel sinteza beljakovin.

Vsi ti procesi zagotavljajo pravilno prevajanje genetskih informacij, šifriranih v DNK, iz jezika nukleotidov v jezik aminokislin. Aminokislinsko zaporedje beljakovinske molekule določa njegovo strukturo in funkcije.

struktura DNK

DNK- To linearni organski polimer. Njegovo - nukleotidi, ki jo sestavljajo:

V tem primeru je fosfatna skupina pritrjena na 5' ogljikov atom monosaharidni ostanek in organska osnova - k 1′-atom.

V DNK obstajata dve vrsti baz:

Struktura nukleotidov v molekuli DNA

IN DNK predstavljen monosaharid 2'-deoksiriboza, ki vsebuje samo 1 hidroksilna skupina (OH), in v RNA - riboza imeti 2 hidroksilni skupini (OH).

Nukleotidi so med seboj povezani fosfodiesterske vezi, medtem ko fosfatna skupina 5' ogljikov atom en nukleotid povezan z 3'-OH-skupina deoksiriboze sosednji nukleotid (slika 1). Na enem koncu polinukleotidne verige je Z'-OH-skupina (Z'-konec), in na drugi strani - 5'-fosfatna skupina (5' konec).

Nivoji strukture DNK

Običajno ločimo 3 ravni strukture DNK:

• primarni;
• sekundarni;
• terciarno

Primarna struktura DNK je zaporedje razporeditve nukleotidov v polinukleotidni verigi DNK.

Sekundarna struktura DNK stabilizira med komplementarnimi baznimi pari in je dvojna vijačnica dveh antiparalelnih verig, zasukanih v desno okoli iste osi.

Skupni obrat spirale je 3,4 nm, razdalja med verigami 2nm.

Terciarna struktura DNK – superspecializacija DNK. Dvojna vijačnica DNK je lahko na nekaterih mestih podvržena nadaljnji spiralizaciji, da se oblikuje superzvitje ali odprta krožna oblika, ki je pogosto posledica kovalentnega spajanja njihovih odprtih koncev. Superzvita struktura DNK zagotavlja, da je zelo dolga molekula DNK ekonomično zapakirana znotraj kromosoma. Tako je v podolgovati obliki dolžina molekule DNK 8 cm, in se v obliki superspirale prilega 5 nm.

Chargaffovo pravilo

E. Chargaffovo pravilo je vzorec kvantitativne vsebnosti dušikovih baz v molekuli DNA:

1. V DNK molske frakcije purinske in pirimidinske baze so enake: A+G = C+ T oz (A +G)/(C + T)=1 .
2. V DNK število baz z amino skupinami (A +C) enako število baz s keto skupinami (G+ T):A+C= G+ T oz (A +C)/(G+ T)= 1
3. Pravilo enakovrednosti, to je: A=T, G=C; A/T = 1; G/C=1.
4. Nukleotidna sestava DNK v organizmih različnih skupin je specifična in značilna koeficient specifičnosti: (G+C)/(A+T). Pri višjih rastlinah in živalih koeficient specifičnosti manj kot 1 in rahlo niha: od 0,54 do 0,98 , v mikroorganizmih je več kot 1.

Watson-Crickov model DNK

B 1953 James Watson in Frančišek Krik, je podlagi rentgenske difrakcijske analize kristalov DNK prišel do zaključka, da nativni DNK sestoji iz dveh polimernih verig, ki tvorita dvojno vijačnico (slika 3).

Polinukleotidne verige, navite ena na drugo, držijo skupaj vodikove vezi, ki nastane med komplementarnimi bazami nasprotnih verig (slika 3). Ob istem času adenin tvori par samo z timin, A gvanin- Z citozin. Osnovni par A-T se stabilizira dve vodikovi vezi, in par G-C - tri.

Dolžina dvoverižne DNA se običajno meri s številom komplementarnih nukleotidnih parov ( n.n.). Za molekule DNK, sestavljene iz tisočev ali milijonov nukleotidnih parov, se vzamejo enote t.b.s. in tal. oz. Na primer, DNK človeškega kromosoma 1 je ena dvojna vijačnica dolžine 263 m.b..

Sladkorno fosfatno ogrodje molekule, ki je sestavljen iz povezanih fosfatnih skupin in ostankov deoksiriboze 5'-3'-fosfodiesterske vezi, tvori "stranske stene spiralnega stopnišča" in osnovne pare A-T in G-C- njegove stopnice (slika 3).

Slika 3: Watson-Crickov model DNK

Verige molekule DNA antiparalelen: eden od njih ima smer 3'→5', drugo 5'→3'. Glede na načelo komplementarnosti, če ena od verig vsebuje nukleotidno zaporedje 5-TAGGCAT-3′, potem mora biti v komplementarni verigi na tem mestu zaporedje 3′-ATCCGTA-5′. V tem primeru bi dvoverižna oblika izgledala takole:

• 5′-TAGGCAT-3′
• 3-ATCCGTA-5'.

V takem posnetku 5' konec zgornje verige vedno na levi strani in 3′ konec- na desni.

Nosilec genetske informacije mora izpolnjevati dve osnovni zahtevi: reproducirati (replicirati) z visoko natančnostjo in določajo (kodirajo) sintezo beljakovinskih molekul.

Watson-Crickov model DNK v celoti izpolnjuje te zahteve, saj:

• Po principu komplementarnosti lahko vsaka veriga DNK služi kot predloga za nastanek nove komplementarne verige. Posledično po enem krogu nastaneta dve hčerinski molekuli, od katerih ima vsaka enako nukleotidno zaporedje kot originalna molekula DNA.
• nukleotidno zaporedje strukturnega gena enolično določa zaporedje aminokislin proteina, ki ga kodira.

1. Ena molekula človeške DNK vsebuje približno 1,5 gigabajta informacij. Hkrati DNK vseh celic človeškega telesa zavzame 60 milijard terabajtov, ki so shranjeni na 150-160 gramih DNK.
2. Mednarodni dan DNK goduje 25. aprila. Na današnji dan leta 1953 James Watson in Francis Creek objavljeno v reviji Narava njegov članek z naslovom "Molekularna struktura nukleinskih kislin" , kjer je bila opisana dvojna vijačnica molekule DNA.

Reference: Molekularna biotehnologija: principi in aplikacije, B. Glick, J. Pasternak, 2002

Marsikoga je vedno zanimalo, zakaj se nekatere lastnosti, ki jih imajo starši, prenesejo na otroka (na primer barva oči, las, oblika obraza in druge). Znanost je dokazala, da je ta prenos lastnosti odvisen od genetskega materiala ali DNK.

Kaj je DNK?

Nukleotid

Kot rečeno, je osnovna strukturna enota deoksiribonukleinske kisline nukleotid. To je kompleksno izobraževanje. Sestava nukleotida DNA je naslednja.

V središču nukleotida je petkomponentni sladkor (v DNK, v nasprotju z RNK, ki vsebuje ribozo). Nanj je vezana dušikova baza, ki je 5 vrst: adenin, gvanin, timin, uracil in citozin. Poleg tega vsak nukleotid vsebuje tudi ostanek fosforne kisline.

DNK vsebuje samo tiste nukleotide, ki imajo navedene strukturne enote.

Vsi nukleotidi so razvrščeni v verigo in si sledijo. Združeni v trojčke (po tri nukleotide) tvorijo zaporedje, v katerem vsak trojček ustreza določeni aminokislini. Posledično se oblikuje veriga.

Med seboj se povezujejo zaradi vezi dušikovih baz. Glavna vez med nukleotidi vzporednih verig je vodik.

Nukleotidna zaporedja so osnova genov. Kršitev njihove strukture vodi do okvare sinteze beljakovin in manifestacije mutacij. DNK vsebuje iste gene, ki jih najdemo v skoraj vseh ljudeh in jih ločimo od drugih organizmov.

Modifikacija nukleotidov

V nekaterih primerih se za bolj stabilen prenos določene lastnosti uporablja modifikacija dušikove baze. Kemična sestava DNK se spremeni z dodatkom metilne skupine (CH3). Takšna modifikacija (na enem nukleotidu) omogoča stabilizacijo izražanja genov in prenos lastnosti na hčerinske celice.

Takšno "izboljšanje" strukture molekule nikakor ne vpliva na povezovanje dušikovih baz.

Ta modifikacija se uporablja tudi za inaktivacijo kromosoma X. Posledično nastanejo Barrova telesa.

Z okrepljeno karcinogenezo analiza DNK kaže, da je bila nukleotidna veriga podvržena metilaciji na številnih bazah. V naših opazovanjih je bilo ugotovljeno, da je vir mutacije običajno metiliran citozin. Običajno lahko pri tumorskem procesu demetilacija pomaga zaustaviti proces, vendar se ta reakcija zaradi kompleksnosti ne izvede.

struktura DNK

V strukturi molekule obstajata dve vrsti strukture. Prvi tip je linearno zaporedje, ki ga tvorijo nukleotidi. Za njihovo gradnjo veljajo določeni zakoni. Zapis nukleotidov na molekulo DNA se začne na 5' koncu in konča na 3' koncu. Druga veriga, ki se nahaja nasproti, je zgrajena na enak način, le da so molekule prostorsko nameščene ena nasproti druge, pri čemer je 5' konec ene verige nasproti 3' konca druge.

Sekundarna struktura DNK je vijačnica. Nastane zaradi prisotnosti vodikovih vezi med nukleotidi, ki se nahajajo drug nasproti drugega. Med komplementarnimi dušikovimi bazami nastane vodikova vez (npr. nasproti prve verige adenina je lahko samo timin, nasproti gvanina pa citozin ali uracil). Ta natančnost je posledica dejstva, da se gradnja druge verige pojavi na podlagi prve, zato obstaja natančna ujemanje med dušikovimi bazami.

Sinteza molekul

Kako nastane molekula DNK?

V ciklu njegovega nastajanja so tri stopnje:

• Odklop tokokrogov.
• Priključitev sintetizirajočih enot na eno od vezij.
• Zaključek druge verige po principu komplementarnosti.

Na stopnji molekularne separacije imajo glavno vlogo encimi - DNA giraza. Ti encimi so osredotočeni na uničevanje vodikovih vezi med verigami.

Ko se verigi ločita, nastopi glavni sintetizirajoči encim, DNA polimeraza. Njegovo pritrditev opazimo na mestu 5'. Nato se ta encim premakne proti 3' koncu in hkrati dodaja potrebne nukleotide z ustreznimi dušikovimi bazami. Ko doseže določeno mesto (terminator) na 3' koncu, se polimeraza odklopi od prvotne verige.

Po oblikovanju hčerinske verige se med bazami tvori vodikova vez, ki drži skupaj novonastalo molekulo DNK.

Kje lahko najdete to molekulo?

Če se poglobite v strukturo celic in tkiv, lahko vidite, da je DNK v glavnem vsebovan v tistem, kar je odgovorno za nastanek novih, hčerinskih celic ali njihovih klonov. Hkrati se tisto, kar je v njem, razdeli med novonastale celice enakomerno (tvorijo se kloni) ali po delih (ta pojav lahko pogosto opazimo med mejozo). Poškodba jedra povzroči motnje v tvorbi novih tkiv, kar vodi do mutacije.

Poleg tega je posebna vrsta dednega materiala v mitohondrijih. DNK v njih je nekoliko drugačna od tiste v jedru (mitohondrijska deoksiribonukleinska kislina ima obliko obroča in opravlja nekoliko drugačne funkcije).

Samo molekulo lahko izoliramo iz katere koli celice telesa (najpogosteje se za raziskave uporablja bris z notranje strani lica ali kri). Edini manjkajoči genetski material je v luščečem epiteliju in nekaterih krvnih celicah (eritrocitih).

Funkcije

Sestava molekule DNK določa njeno funkcijo prenosa informacij iz generacije v generacijo. To se zgodi zaradi sinteze določenih beljakovin, ki določajo manifestacijo ene ali druge genotipske (notranje) ali fenotipske (zunanje - na primer barva oči ali las) lastnosti.

Prenos informacij poteka z njegovo implementacijo iz genetske kode. Na podlagi informacij, šifriranih v genetski kodi, nastanejo specifične sporočilne, ribosomske in transportne RNA. Vsak od njih je odgovoren za določeno delovanje - messenger RNA se uporablja za sintezo beljakovin, ribosomska RNA sodeluje pri sestavljanju beljakovinskih molekul, transportna RNA pa tvori ustrezne beljakovine.

Vsaka okvara v njihovem delovanju ali sprememba strukture povzroči motnje v opravljeni funkciji in pojav atipičnih simptomov (mutacije).

DNK test očetovstva vam omogoča, da ugotovite prisotnost sorodnih značilnosti med ljudmi.

Genetski testi

Za kaj se danes lahko uporablja genetsko testiranje?

DNK testiranje se uporablja za ugotavljanje številnih dejavnikov ali sprememb v telesu.

Prvič, študija vam omogoča, da ugotovite prisotnost prirojenih, dednih bolezni. Takšne bolezni vključujejo Downov sindrom, avtizem in Marfanov sindrom.

DNK je mogoče pregledati tudi za določitev družinskih odnosov. Testiranje očetovstva se že dolgo pogosto uporablja v številnih, predvsem pravnih procesih. Ta študija je predpisana za določitev genetskega razmerja med nezakonskimi otroki. Ta preizkus pogosto opravijo prosilci za dedovanje, ko se pojavijo vprašanja s strani oblasti.

Kemična sestava DNK in njena makromolekularna organizacija. Vrste vijačnic DNK. Molekularni mehanizmi rekombinacije, replikacije in popravljanja DNK. Pojem nukleaze in polimeraze. Replikacija DNK kot pogoj za prenos genetske informacije na potomce. Splošne značilnosti procesa replikacije. Dejanja, ki se zgodijo na vilicah podvajanja. Replikacija telomera, telomeraza. Pomen premajhne replikacije končnih kromosomskih fragmentov v mehanizmu staranja. Sistemi za odpravljanje napak podvajanja. Korektivne lastnosti DNA polimeraz. Mehanizmi popravljanja poškodovane DNA. Koncept bolezni popravljanja DNK. Molekularni mehanizmi splošne genetske rekombinacije. Lokalno specifična rekombinacija. Pretvorba genov.

Leta 1865 Gregor Mendel je odkril gene, njegov sodobnik Friedrich Miescher pa jih je odkril leta 1869. odkrili nukleinske kisline (v jedrih lososovega gnoja in semenčic). Vendar pa ta odkritja dolgo niso bila povezana med seboj; struktura in narava vsebine dednosti dolgo nista bili znani. Genetska vloga NK je bila ugotovljena po odkritju in razlagi pojavov transformacije (1928, F. Griffiths; 1944, O. Avery), transdukcije (1951, Lederberg, Zinder) in razmnoževanja bakteriofagov (1951, A. Hershey, M. Chase).

Preoblikovanje, transdukcija in razmnoževanje bakteriofagov je prepričljivo dokazalo genetsko vlogo DNK. Pri RNA virusih (AIDS, hepatitis B, gripa, TMV, mišja levkemija itd.) to vlogo opravlja RNA.

Zgradba nukleinskih kislin. NC so biopolimeri, ki sodelujejo pri shranjevanju in prenosu genetskih informacij. Monomeri NA so nukleotidi, sestavljeni iz dušikove baze, monosaharida in ene ali več fosfatnih skupin. Vsi nukleotidi v NA so monofosfati. Nukleotid brez fosfatne skupine imenujemo nukleozid. Sladkor, ki ga vsebuje NA, je D-izomer in β-anomer riboze ali 2-deoksiriboze. Nukleotidi, ki vsebujejo ribozo, se imenujejo ribonukleotidi in so monomeri RNA, nukleotidi, ki izhajajo iz deoksiriboze, pa so deoksiribonukleotidi, iz njih pa je sestavljena DNA. Obstajata dve vrsti dušikovih baz: purini - adenin, gvanin in pirimidini - citozin, timin, uracil. Sestava RNA in DNA vključuje adenin, gvanin, citozin; Uracil najdemo samo v RNK, timin pa le v DNK.

V nekaterih primerih NA vsebujejo redke manjše nukleotide, kot so dihidrouridin, 4-tiouridin, inozin itd. Njihova raznolikost je še posebej velika v tRNA. Manjši nukleotidi nastanejo kot posledica kemičnih transformacij baz NA, ki se pojavijo po nastanku polimerne verige. Različni metilirani derivati ​​so izjemno pogosti v RNA in DNA: 5-metiluridin, 5-metilcitidin, l-N-metiladenozin, 2-N-metilgvanozin. V RNK so lahko predmet metilacije tudi 2"-hidroksi skupine riboznih ostankov, kar vodi do tvorbe 2"-O-metilcitidina ali 2"-O-metilgvanozina.

Ribonukleotidne in deoksiribonukleotidne enote so med seboj povezane s fosfodiestrskimi mostovi, ki povezujejo 5"-hidroksilno skupino enega nukleotida s 3"-hidroksilno skupino naslednjega. Tako pravilno hrbtenico tvorijo fosfatni in ribozni ostanki, baze pa so pritrjene na sladkorje na enak način, kot so stranske skupine pritrjene na beljakovine. Vrstni red baz vzdolž verige se imenuje primarna struktura NC. Zaporedje baz se običajno bere v smeri od 5" do 3" ogljikovega atoma pentoze.

struktura DNK. Model dvojne vijačnice strukture DNK sta leta 1953 predlagala Watson in Crick (slika 7).

Po tem tridimenzionalnem modelu je molekula DNA sestavljena iz dveh nasprotno usmerjenih polinukleotidnih verig, ki tvorita desnosučno vijačnico glede na isto os. Dušikove baze se nahajajo znotraj dvojne vijačnice in njihove ravnine so pravokotne na glavno os, medtem ko so ostanki sladkornega fosfata izpostavljeni navzven. Med bazami nastanejo specifične H-vezi: adenin – timin (ali uracil), gvanin – citozin, imenovane Watson-Crickovo združevanje. Kot rezultat, večji purini vedno sodelujejo z manjšimi pirimidini, kar zagotavlja optimalno geometrijo hrbtenice. Antiparalelne verige dvojne vijačnice niso enake niti po zaporedju baz niti po sestavi nukleotidov, ampak so med seboj komplementarne ravno zaradi prisotnosti specifične vodikove vezi med zgornjima bazama.

Komplementarnost je zelo pomembna za kopiranje (replikacijo) DNK. Razkrita razmerja med številom različnih baz v DNK

Slika 7. B - oblika DNA

Chargraff et al. v 50. letih prejšnjega stoletja so bile velikega pomena za ugotavljanje strukture DNK: dokazano je, da je število ostankov adenina v bazah verige DNK ne glede na organizem enako številu ostankov timina, število gvaninskih ostankov je enako številu citozinskih ostankov. Te enakosti so posledica selektivnega združevanja baz (slika 8).

Geometrija dvojne vijačnice je taka, da so sosednji bazni pari oddaljeni 0,34 nm in zasukani za 36° okoli osi vijačnice. Zato obstaja 10 baznih parov na zavoj vijačnice, korak vijačnice pa je 3,4 nm. Premer dvojne vijačnice je 20 nm in v njej sta oblikovana dva utora - velik in majhen. To je posledica dejstva, da se ogrodje sladkornega fosfata nahaja dlje od osi vijačnice kot dušikove baze.

Stabilnost strukture DNA je posledica različnih vrst interakcij, med katerimi so glavne H-vezi med bazami in interplanarna interakcija (stacking). Zahvaljujoč slednjemu niso zagotovljeni le ugodni van der Waalsovi stiki med atomi, temveč tudi

Slika 8. Načelo komplementarnosti in antiparalelnosti verig DNA

dodatna stabilizacija zaradi prekrivanja p-orbital atomov vzporednih baz. K stabilizaciji prispeva tudi ugoden hidrofobni učinek, ki se kaže v zaščiti nizkopolarnih baz pred neposrednim stikom z vodnim okoljem. Nasprotno pa je izpostavljeno ogrodje sladkornega fosfata s svojimi polarnimi in ioniziranimi skupinami, kar tudi stabilizira strukturo.

Za DNA poznamo štiri polimorfne oblike: A, B, C in Z. Običajna struktura je B-DNA, pri kateri so ravnine baznih parov pravokotne na os dvojne vijačnice (slika 7.). V A-DNK so ravnine baznih parov zasukane za približno 20° od normale do osi desne dvojne vijačnice; Na zavoj vijačnice je 11 baznih parov. V C-DNK je 9 baznih parov na zavoj vijačnice. Z-DNA je levosučna vijačnica z 12 baznimi pari na obrat; ravnine baz so približno pravokotne na os spirale. DNK v celici je običajno v B-obliki, vendar so njeni posamezni deli lahko v A, Z ali celo drugi konformaciji.

Dvojna vijačnica DNK ni zamrznjena tvorba, je v stalnem gibanju:

· povezave v tokokrogih so deformirane;

· komplementarni bazni pari se odpirajo in zapirajo;

DNK sodeluje z beljakovinami;

· če je napetost v molekuli visoka, se le-ta lokalno razplete;

· desna spirala se spremeni v levo.

Obstajajo 3 frakcije DNK:

1. Pogosto ponavljajoči se (satelit) - do 106 kopij genov (10% pri miših). Ne sodeluje pri sintezi beljakovin; ločuje gene; zagotavlja prehod; vsebuje transpozone.

2. Slabo ponovljiv - do 102 - 103 genskih kopij (15% pri miših). Vsebuje gene za sintezo t-RNK, gene za sintezo ribosomskih proteinov in kromatinskih proteinov.

3. Edinstven (neponovljiv) – pri miših 75 % (pri ljudeh 56 %). Sestavljen je iz strukturnih genov.

Lokalizacija DNK: 95 % DNK je lokalizirane v jedru v kromosomih (linearna DNK) in 5 % v mitohondrijih, plastidih in celičnem središču v obliki krožne DNK.

Funkcije DNK: shranjevanje in prenos informacij; popravilo; podvajanje.

Dve verigi DNK v genski regiji sta bistveno različni v svoji funkcionalni vlogi: ena od njiju je kodirna ali čutna, druga je predloga.

To pomeni, da v procesu »branja« gena (transkripcija ali sinteza pre-mRNA) vzorčna veriga DNK deluje kot predloga. Produkt tega procesa, pre-mRNA, v nukleotidnem zaporedju sovpada s kodirno verigo DNA (z zamenjavo timinskih baz z uracilnimi bazami).

Tako se izkaže, da se s pomočjo vzorčne verige DNK genetska informacija kodirne verige DNK med transkripcijo reproducira v strukturi RNK.

Glavni matrični procesi, ki so lastni vsem živim organizmom, so replikacija, transkripcija in translacija DNA.

Replikacija- proces, pri katerem se informacije, kodirane v osnovnem zaporedju matične molekule DNK, z največjo natančnostjo prenesejo na hčerinsko DNK. Pri polkonzervativni replikaciji hčerinske celice prve generacije prejmejo eno verigo DNK od svojih staršev, druga veriga pa se na novo sintetizira. Proces se izvaja s sodelovanjem DNA polimeraz, ki spadajo v razred transferaz. Vlogo matrice igrajo ločene verige dvoverižne materine DNA, substrati pa so deoksiribonukleozid-5"-trifosfati.

Transkripcija- proces prenosa genetske informacije iz DNK v RNK. Vse vrste RNA – mRNA, rRNA in tRNA – se sintetizirajo glede na zaporedje baz v DNA, ki služi kot matrica. Prepisuje se samo ena, tako imenovana "+" veriga DNK. Proces poteka s sodelovanjem RNA polimeraz. Substrati so ribonukleozidni 5"-trifosfati.

Procesi replikacije in prepisovanja se pri prokariontih in evkariontih bistveno razlikujejo po hitrosti in posameznih mehanizmih.

Oddaja- proces dekodiranja mRNA, zaradi katerega se informacije iz jezika baznega zaporedja mRNA prevedejo v jezik aminokislinskega zaporedja proteina. Translacija poteka na ribosomih, substrat pa je aminoacil-tRNA.

Matrica sinteze DNA, ki jo katalizirajo DNA polimeraze, opravlja dve glavni funkciji: replikacijo DNA – sintezo novih hčerinskih verig in popravilo dvoverižne DNA, ki ima prekinitve v eni od verig, nastalih kot posledica izrezovanja poškodovanih delov te verige. veriga z nukleazami. V prokariontih in evkariontih obstajajo tri vrste DNA polimeraz. Pri prokariontih so identificirane polimeraze tipov I, II in III, označene kot pol l, pol ll in pol III. Slednji katalizira sintezo rastoče verige; pol igra pomembno vlogo v procesu zorenja DNK; funkcije pol ll niso popolnoma razumljene. V evkariontskih celicah je DNA polimeraza ά vključena v replikacijo kromosomov, DNA polimeraza β sodeluje pri popravljanju, različica γ pa je encim, ki izvaja replikacijo mitohondrijske DNA. Ti encimi, ne glede na vrsto celice, v kateri pride do replikacije, pritrdijo nukleotid na OH skupino na 3" koncu ene od verig DNA, ki raste v smeri 5"→3. Zato pravijo, da imajo ti F-ji 5"→3" polimerazno aktivnost. Poleg tega imajo vsi sposobnost razgradnje DNK s cepitvijo nukleotidov v smeri 3"→5, tj. so 3"→5" eksonukleaze.

Leta 1957 sta Meselson in Stahl pri proučevanju E. coli ugotovila, da na vsaki prosti verigi encim DNA polimeraza zgradi novo, komplementarno verigo. To je polkonzervativen način replikacije: ena veriga je stara - druga je nova!

Značilno je, da se replikacija začne v strogo določenih območjih, imenovanih ori območjih (od origin of replication), in se iz teh področij širi v obe smeri. Pred regijami ori so točke razvejanja matičnih verig DNK. Območje, ki meji na točko razvejanja, se imenuje replikacijske vilice (slika 9). Med sintezo se replikacijske vilice premikajo vzdolž molekule, pri čemer se vedno več odsekov starševske DNK odvija, dokler vilice ne dosežejo končne točke. Ločitev verige dosežemo s pomočjo posebnih F - helikaz (topoizomeraz). Za to potrebna energija se sprosti s hidrolizo ATP. Helikaze se gibljejo vzdolž polinukleotidnih verig v dveh smereh.

Za začetek sinteze DNK je potrebno seme – primer. Vlogo primerja opravlja kratka RNA (10-60 nukleotidov). Sintetizira se komplementarno določenemu delu DNK s sodelovanjem primaze. Po oblikovanju primerja začne delovati DNA polimeraza. V nasprotju s helikazami se lahko polimeraze DNA premaknejo samo od 3" do 5" konca matrice. Zato se lahko podaljšanje rastoče verige, ko se dvoverižna matična DNK odvija, pojavi samo vzdolž ene verige predloge, tiste, glede na katero se replikacijske vilice premaknejo od 3" do 5" konca. Kontinuirano sintetizirana veriga se imenuje vodilna veriga. Sinteza na zaostali verigi se prav tako začne s tvorbo primerja in nadaljuje v smeri, nasprotni vodilni verigi - od replikacijske vilice. Zaostajajoča veriga se sintetizira v fragmentih (v obliki Okazakijevih fragmentov), ​​saj se primer tvori šele, ko replikacijske vilice sprostijo regijo predloge, ki ima afiniteto za primazo. Ligacija (zamreženje) Okazakijevih fragmentov v eno samo verigo se imenuje proces zorenja.

Med zorenjem verige se začetni del RNA odstrani s 5" konca vodilne verige in 5" koncev Okazakijevih fragmentov in ti fragmenti se sešijejo skupaj. Odstranitev primerja se izvede s sodelovanjem 3"→5" eksonukleaze. Isti F, namesto odstranjene RNA, pritrjuje deoksinukleotide z uporabo svoje 5"→3" polimerazne aktivnosti. V tem primeru se v primeru dodajanja "nepravilnega" nukleotida izvede "lektoriranje" - odstranitev baz, ki tvorijo nekomplementarne pare. Ta postopek zagotavlja izjemno visoko natančnost replikacije, ki ustreza eni napaki na 109 baznih parov.

Slika 9. Replikacija DNK:

1 - replikacijske vilice, 2 - DNA polimeraza (pol I - zorenje);

3 - DNA polimeraza (pol III - "lektoriranje"); 4-helikaza;

5-giraza (topoizomeraza); 6-proteini, ki destabilizirajo dvojno vijačnico.

Popravek se izvede v primerih, ko je na 3” konec rastoče verige dodan “napačen” nukleotid, ki ne more tvoriti potrebnih vodikovih vezi z matrikom. aktivnost eksonukleaze se "vklopi" in ta baza se takoj odstrani, nato pa se aktivnost polimeraze obnovi zaradi dejstva, da pol III lahko deluje kot polimeraza samo na popolni dvojni vijačnici DNA z absolutno pravilnim. združevanje baz.

Drug mehanizem za odstranjevanje fragmentov RNK temelji na prisotnosti v celicah posebne ribonukleaze, imenovane RNaza H. Ta F je specifičen za dvoverižne strukture, zgrajene iz ene ribonukleotidne in ene deoksiribonukleotidne verige, in hidrolizira prvo od njiju.

RNaza H je prav tako sposobna odstraniti RNA primer, čemur sledi popravilo vrzeli s pomočjo DNA polimeraze. Na končnih stopnjah sestavljanja fragmentov v zahtevanem vrstnem redu deluje DNA ligaza, ki katalizira tvorbo fosfodiesterske vezi.

Odvijanje dela dvojne vijačnice DNA s helikazami v evkariontskih kromosomih vodi do superzvijanja preostale strukture, kar neizogibno vpliva na hitrost procesa replikacije. Superzvijanje preprečujejo topoizomeraze DNA.

Tako poleg DNA polimeraze pri replikaciji DNA sodeluje velik nabor Ps: helikaza, primaza, RNaza H, DNA ligaza in topoizomeraza. Ta seznam proteinov in proteinov, vključenih v biosintezo šablonske DNA, še zdaleč ni izčrpen. Vendar pa mnogi udeleženci v tem procesu še danes ostajajo malo raziskani.

Med postopkom podvajanja pride do "lektoriranja" - odstranitve nepravilnih (ki tvorijo nekomplementarne pare) baz, vključenih v novo sintetizirano DNK. Ta postopek zagotavlja izjemno visoko natančnost replikacije, ki ustreza eni napaki na 109 baznih parov.

Telomeri. Leta 1938 klasična genetika B. McClinton in G. Möller sta dokazala, da so na koncih kromosomov posebne strukture, imenovane telomere (telos-end, meros-del).

Znanstveniki so odkrili, da pri izpostavljenosti rentgenskemu sevanju samo telomeri pokažejo odpornost. Nasprotno, brez končnih odsekov se kromosomi začnejo združevati, kar vodi do resnih genetskih nepravilnosti. Tako telomeri zagotavljajo individualnost kromosomov. Telomeri so gosto zapakirani (heterokromatin) in nedostopni za encime (telomeraza, metilaza, endonukleaze itd.)

Funkcije telomer.

1. Mehanski: a) spajanje koncev sestrskih kromatid po S-fazi; b) fiksacija kromosomov na jedrsko membrano, ki zagotavlja konjugacijo homologov.

2. Stabilizacija: a) zaščita pred premalo replikacijo genetsko pomembnih odsekov DNA (telomeri se ne prepisujejo); b) stabilizacija koncev zlomljenih kromosomov. Pri bolnikih z α - talasemijo pride do prekinitev kromosoma 16d v genih α - globin in na poškodovanem koncu se dodajo telomerne ponovitve (TTAGGG).

3.Vpliv na izražanje genov. Zmanjša se aktivnost genov, ki se nahajajo v bližini telomer. To je manifestacija utišanja – transkripcijske tišine.

4. "Funkcija štetja". Telomeri delujejo kot ura, ki šteje število celičnih delitev. Vsaka delitev skrajša telomere za 50-65 bp. In njihova skupna dolžina v celicah človeških zarodkov je 10-15 tisoč bp.

Telomerna DNK je pred kratkim pritegnila pozornost biologov. Prvi predmet proučevanja so enocelični protozoji - migetalkasti ciliati (tetrahimena), ki vsebujejo več deset tisoč zelo majhnih kromosomov in s tem veliko telomerov v eni celici (pri višjih evkariontih je manj kot 100 telomerov na celico).

V telomerni DNA ciliatov se bloki 6 nukleotidnih ostankov večkrat ponovijo. Ena veriga DNK vsebuje blok 2 timina - 4 gvanina (TTGGYG - G-veriga) in komplementarno verigo - 2 adenin - 4 citozin (AACCCC - C-veriga).

Predstavljajte si presenečenje znanstvenikov, ko so odkrili, da se človeška telomerna DNK od migetalk razlikuje le za eno črko in tvori bloke 2 timin – adenin – 3 gvanin (TTAGGG). Poleg tega se je izkazalo, da so telomeri (G - veriga) vseh sesalcev, plazilcev, dvoživk, ptic in rib zgrajeni iz blokov TTAGGG.

Vendar tu ni nič presenetljivega, saj telomerna DNK ne kodira nobenih beljakovin (ne vsebuje genov). V vseh organizmih telomeri opravljajo univerzalne funkcije, o katerih smo govorili zgoraj. Zelo pomembna značilnost telomerne DNK je njena dolžina. Pri ljudeh se giblje od 2 do 20 tisoč baznih parov, pri nekaterih vrstah miši pa lahko doseže več sto tisoč baznih parov. Znano je, da so v bližini telomer posebni proteini, ki zagotavljajo njihovo delovanje in sodelujejo pri izgradnji telomer.

Dokazano je, da mora imeti vsaka linearna DNK za normalno delovanje dve telomeri: po eno telomero na vsakem koncu.

Prokarionti nimajo telomer – njihova DNK je sklenjena v obroč.