Deoksiribonukleorūgštis
DNR, sutrumpintai deoksiribonukleorūgštis, yra molekulė, kurioje yra organizmų genetinis kodas. Tai gyvūnai, augalai, protistai, archėjos ir bakterijos.
DNR yra kiekvienoje organizmo ląstelėje ir nurodo ląstelėms, kokius baltymus gaminti. Dažniausiai šie baltymai yra fermentai. DNR vaikai paveldi iš tėvų. Todėl vaikai turi bendrų bruožų su savo tėvais, pavyzdžiui, odos, plaukų ir akių spalvą. Žmogaus DNR yra kiekvieno iš tėvų DNR derinys.
Dalis organizmo DNR yra nekoduojančios DNR sekos. Jos nekoduoja baltymų sekų. Dalis nekoduojančios DNR yra transkribuojama į nekoduojančias RNR molekules, pavyzdžiui, perkėlimo RNR, ribosominę RNR ir reguliacines RNR. Kitos sekos apskritai nėra transkribuojamos arba iš jų susidaro nežinomos funkcijos RNR. Nekoduojančios DNR kiekis tarp rūšių labai skiriasi. Pavyzdžiui, daugiau kaip 98 % žmogaus genomo sudaro nekoduojanti DNR, o tipiško bakterijų genomo nekoduojanti DNR sudaro tik apie 2 %.
Virusai užkrečia organizmus naudodami DNR arba RNR. Daugumos DNR virusų genomas replikuojasi ląstelės branduolyje, o RNR virusai paprastai replikuojasi citoplazmoje.
DNR dvigubos spiralės dalies struktūra
Cheminė DNR struktūra. Fosfatinės grupės yra geltonos, deoksiribonukleorūgštys - oranžinės, o azoto bazės - žalios, violetinės, rožinės ir mėlynos. Pavaizduoti šie atomai: P = fosforas O = deguonis = azotas H = vandenilis
Kopijuojama DNR
DNR dvigubos spiralės dalies struktūra
Cheminė DNR struktūra. Fosfatinės grupės yra geltonos, deoksiribonukleorūgštys - oranžinės, o azoto bazės - žalios, violetinės, rožinės ir mėlynos. Pavaizduoti šie atomai: P = fosforas O = deguonis = azotas H = vandenilis
Kopijuojama DNR
DNR struktūra
DNR yra dvigubos spiralės formos, kuri primena į spiralę susuktas kopėčias. Kiekvienas kopėčių laiptelis yra nukleotidų pora.
Nukleotidai
Nukleotidas yra molekulė, sudaryta iš:
- deoksiribozė - cukraus rūšis, turinti 5 anglies atomus,
- fosfatinė grupė, sudaryta iš fosforo ir deguonies, ir
- azoto bazė
DNR sudaryta iš keturių tipų nukleotidų:
- Adeninas (A)
- Timinas (T)
- Citozinas (C)
- Guaninas (G)
DNR kopėčių "laiptelius" sudaro po dvi bazes - po vieną iš kiekvienos kojos. Bazės jungiasi per vidurį: "A" jungiasi tik su "T", o "C" - tik su "G". Bazes tarpusavyje jungia vandeniliniai ryšiai.
Adeninas (A) ir timinas (T) gali susijungti į porą, nes sudaro du vandenilinius ryšius, o citozinas (C) ir guaninas (G) susijungia į porą ir sudaro tris vandenilinius ryšius. Nors bazės visada yra fiksuotomis poromis, jos gali būti sudaromos bet kokia tvarka (A-T arba T-A; panašiai C-G arba G-C). Tokiu būdu DNR gali rašyti "kodus" iš "raidžių", kurios yra bazės. Šiuose koduose yra pranešimas, nurodantis ląstelei, ką daryti.
Chromatinas
Chromosomose DNR yra sujungta su baltymais, vadinamais histonais, ir sudaro chromatiną. Šis ryšys dalyvauja epigenetikoje ir genų reguliavime. Genai įjungiami ir išjungiami vystantis ir vykstant ląstelės veiklai, ir šis reguliavimas yra didžiosios dalies ląstelėse vykstančios veiklos pagrindas.
DNR struktūra
DNR yra dvigubos spiralės formos, kuri primena į spiralę susuktas kopėčias. Kiekvienas kopėčių laiptelis yra nukleotidų pora.
Nukleotidai
Nukleotidas yra molekulė, sudaryta iš:
- deoksiribozė - cukraus rūšis, turinti 5 anglies atomus,
- fosfatinė grupė, sudaryta iš fosforo ir deguonies, ir
- azoto bazė
DNR sudaryta iš keturių tipų nukleotidų:
- Adeninas (A)
- Timinas (T)
- Citozinas (C)
- Guaninas (G)
DNR kopėčių "laiptelius" sudaro po dvi bazes - po vieną iš kiekvienos kojos. Bazės jungiasi per vidurį: "A" jungiasi tik su "T", o "C" - tik su "G". Bazes tarpusavyje jungia vandeniliniairyšiai.
Adeninas (A) ir timinas (T) gali susijungti į porą, nes sudaro du vandenilinius ryšius, o citozinas (C) ir guaninas (G) susijungia į porą ir sudaro tris vandenilinius ryšius. Nors bazės visada yra fiksuotomis poromis, jos gali būti sudaromos bet kokia tvarka (A-T arba T-A; panašiai C-G arba G-C). Tokiu būdu DNR gali rašyti "kodus" iš "raidžių", kurios yra bazės. Šiuose koduose yra pranešimas, nurodantis ląstelei, ką daryti.
Chromatinas
Chromosomose DNR yra sujungta su baltymais, vadinamais histonais, ir sudaro chromatiną. Šis ryšys dalyvauja epigenetikoje ir genų reguliavime. Genai įjungiami ir išjungiami vystantis ir vykstant ląstelės veiklai, ir šis reguliavimas yra didžiosios dalies ląstelėse vykstančios veiklos pagrindas.
DNR kopijavimas
Kai kopijuojama DNR,tai vadinama DNR replikacija. Trumpai tariant, nutrūksta vandeniliniai ryšiai, jungiantys porines bazes, ir molekulė padalijama pusiau: atskiriamos kopėčių kojos. Taip gaunamos dvi atskiros grandinės. Naujos gijos formuojamos derinant bazes (A su T ir G su C), kad susidarytų trūkstamos gijos.
Pirmiausia fermentas, vadinamas DNR helikazė, suskaido DNR per vidurį, nutraukdamas vandenilinius ryšius. Tada, kai DNR molekulė yra iš dviejų atskirų dalių, kita molekulė, vadinama DNR polimeraze, sukuria naują grandinę, atitinkančią kiekvieną iš padalytos DNR molekulės grandinių. Kiekvieną DNR molekulės kopiją sudaro pusė pradinės (pradinės) molekulės ir pusė naujų bazių.
Mutacijos
Kopijuojant DNR kartais padaromos klaidos - jos vadinamos mutacijomis. Yra trys pagrindiniai mutacijų tipai:
- Ištrynimas, kai paliekama viena ar daugiau bazių.
- Pakeitimo, kai viena ar daugiau bazių pakeičiama kita sekos baze.
- Įterpimas, kai įterpiama viena ar daugiau papildomų bazių.
- Duplikacija, kai pasikartoja bazių porų seka.
Mutacijos taip pat gali būti skirstomos pagal jų poveikį baltymų struktūrai ir funkcijai arba pagal jų poveikį tinkamumui. Mutacijos gali būti žalingos, neutralios arba naudingos organizmui. Kartais mutacijos yra pražūtingos organizmui - baltymas, pagamintas iš naujos DNR, visiškai neveikia, todėl embrionas žūsta. Kita vertus, evoliuciją į priekį stumia mutacijos, kai nauja baltymo versija organizmui veikia geriau.
DNR kopijavimas
Kai kopijuojama DNR,tai vadinama DNR replikacija. Trumpai tariant, nutrūksta vandeniliniai ryšiai, jungiantys porines bazes, ir molekulė padalijama pusiau: atskiriamos kopėčių kojos. Taip gaunamos dvi atskiros grandinės. Naujos gijos formuojamos derinant bazes (A su T ir G su C), kad susidarytų trūkstamos gijos.
Pirmiausia fermentas, vadinamas DNR helikazė, suskaido DNR per vidurį, nutraukdamas vandenilinius ryšius. Tada, kai DNR molekulė yra iš dviejų atskirų dalių, kita molekulė, vadinama DNR polimeraze, sukuria naują grandinę, atitinkančią kiekvieną iš padalytos DNR molekulės grandinių. Kiekvieną DNR molekulės kopiją sudaro pusė pradinės (pradinės) molekulės ir pusė naujų bazių.
Mutacijos
Kopijuojant DNR kartais padaromos klaidos - jos vadinamos mutacijomis. Yra keturios pagrindinės mutacijų rūšys:
- Ištrynimas, kai paliekama viena ar daugiau bazių.
- Pakeitimo, kai viena ar daugiau bazių pakeičiama kita sekos baze.
- Įterpimas, kai įterpiama viena ar daugiau papildomų bazių.
- Duplikacija, kai pasikartoja bazių porų seka.
Mutacijos taip pat gali būti skirstomos pagal jų poveikį baltymų struktūrai ir funkcijai arba pagal jų poveikį tinkamumui. Mutacijos gali būti žalingos, neutralios arba naudingos organizmui. Kartais mutacijos yra pražūtingos organizmui - baltymas, pagamintas iš naujos DNR, visiškai neveikia, todėl embrionas žūsta. Kita vertus, evoliuciją į priekį stumia mutacijos, kai nauja baltymo versija organizmui veikia geriau.
Baltymų sintezė
DNR atkarpa, kurioje yra nurodymai, kaip pagaminti baltymą, vadinama genu. Kiekvienas genas turi bent vieno polipeptido seką. Baltymai sudaro struktūras, taip pat fermentus. Fermentai atlieka didžiąją dalį ląstelių darbo. Baltymai yra sudaryti iš mažesnių polipeptidų, kurie yra sudaryti iš aminorūgščių. Kad baltymas atliktų tam tikrą darbą, reikia sujungti tinkamas aminorūgštis tinkama tvarka.
Baltymus gamina mažos ląstelės mašinos, vadinamos ribosomomis. Ribosomos yra pagrindiniame ląstelės korpuse, o DNR - tik ląstelės branduolyje. Kodonas yra DNR dalis, tačiau DNR niekada nepalieka branduolio. Kadangi DNR negali palikti branduolio, ląstelė sukuria DNR sekos kopiją RNR. Ši yra mažesnė ir gali patekti pro branduolio membranoje esančias skylutes - poras - ir išeiti į ląstelę.
DNR užkoduotus genus baltymai, pavyzdžiui, RNR polimerazė, transkribuoja į pasiuntinių RNR (mRNA). Subrendusi mRNR vėliau naudojama kaip šablonas baltymų sintezei ribosomoje. Ribosomos skaito kodonus - žodžius, sudarytus iš trijų bazių porų, kuriais ribosomai nurodoma, kurią aminorūgštį pridėti. Ribosoma nuskaito kodus išilgai mRNR ir tuo pat metu gamina baltymą. Kita RNR, vadinama tRNA, padeda prie kiekvieno kodono priderinti tinkamą aminorūgštį.
Baltymų sintezė
DNR atkarpa, kurioje yra nurodymai gaminti baltymą, vadinama genu. Kiekvienas genas turi bent vieno polipeptido seką. Baltymai sudaro struktūras, taip pat fermentus. Fermentai atlieka didžiąją dalį ląstelių darbo. Baltymai yra sudaryti iš mažesnių polipeptidų, kurie yra sudaryti iš aminorūgščių. Kad baltymas atliktų tam tikrą darbą, reikia sujungti tinkamas aminorūgštis tinkama tvarka.
Baltymus gamina mažos ląstelės mašinos, vadinamos ribosomomis. Ribosomos yra pagrindiniame ląstelės korpuse, o DNR - tik ląstelės branduolyje. Kodonas yra DNR dalis, tačiau DNR niekada nepalieka branduolio. Kadangi DNR negali palikti branduolio, ląstelės branduolys sukuria DNR sekos kopiją RNR. Ši yra mažesnė ir gali patekti pro branduolio membranoje esančias skylutes - poras - ir išeiti į ląstelę.
DNR užkoduotus genus baltymai, pavyzdžiui, RNR polimerazė, transkribuoja į pasiuntinių RNR (mRNA). Subrendusi mRNR vėliau naudojama kaip šablonas baltymų sintezei ribosomoje. Ribosomos skaito kodonus - žodžius, sudarytus iš trijų bazių porų, kuriais ribosomai nurodoma, kurią aminorūgštį pridėti. Ribosoma nuskaito kodus išilgai mRNR ir tuo pat metu gamina baltymą. Kita RNR, vadinama tRNA, padeda prie kiekvieno kodono priderinti tinkamą aminorūgštį.
DNR tyrimų istorija
Pirmą kartą DNR išskyrė (išskyrė iš ląstelių) šveicarų gydytojas Friedrichas Miescheris 1869 m., tyrinėdamas bakterijas iš chirurginių tvarsčių pūlių. Molekulė buvo rasta ląstelių branduolyje, todėl jis ją pavadino nukleinu.
1928 m. Frederickas Griffithas atrado, kad "švelniosios" pneumokoko formos bakterijų savybės gali būti perduodamos "šiurkščiajai" tos pačios bakterijos formai, sumaišius nužudytas "švelniąsias" bakterijas su gyva "šiurkščiąja" forma. Ši sistema pirmą kartą aiškiai parodė, kad DNR perneša genetinę informaciją.
1943 m. Avery-MacLeod-McCarty eksperimento metu nustatyta, kad DNR yra transformuojantis principas.
DNR vaidmuo paveldimumui buvo patvirtintas 1952 m., kai Alfredas Hershey ir Martha Chase Hershey-Chase eksperimento metu įrodė, kad DNR yra T2 bakteriofago genetinė medžiaga.
XX a. šeštajame dešimtmetyje Erwinas Chargaffas nustatė, kad DNR molekulėje esančio timino (T) kiekis yra maždaug lygus adenino (A) kiekiui. Jis nustatė, kad tas pats pasakytina ir apie guaniną (G) bei citoziną (C). Šargaso taisyklės apibendrina šią išvadą.
1953 m. Jamesas D. Watsonas ir Francisas Crickas žurnale "Nature" pasiūlė pirmąjį teisingą DNR dvigubos spiralės struktūros modelį. Jų sukurtas dvigubos spiralės, molekulinis DNR modelis tada buvo pagrįstas vienintele rentgeno spindulių difrakcijos nuotrauka "Photo 51", kurią 1952 m. gegužės mėn. padarė Rosalind Franklin ir Raymond Gosling.
Eksperimentiniai įrodymai, patvirtinantys Watsono ir Cricko modelį, buvo paskelbti penkių straipsnių serijoje tame pačiame žurnalo "Nature" numeryje. Iš jų Franklino ir Goslingo straipsnyje pirmą kartą buvo paskelbti jų pačių rentgeno spindulių difrakcijos duomenys ir originalus analizės metodas, kurie iš dalies patvirtino Vatsono ir Kriko modelį; šiame numeryje taip pat buvo išspausdintas Maurice'o Wilkinso ir dviejų jo kolegų straipsnis apie DNR struktūrą, kurio analizė ir in vivo B-DNA rentgeno spindulių modeliai taip pat patvirtino, kad in vivo egzistuoja dvigubos spiralinės DNR konfigūracijos, kurias ankstesniuose dviejuose "Nature" puslapiuose pasiūlė Krikas ir Vatsonas savo dvigubos spiralės molekuliniam DNR modeliui. 1962 m., po Franklino mirties, Vatsonas, Krickas ir Vilkinsas kartu gavo Nobelio fiziologijos ar medicinos premiją. Tuo metu Nobelio premijos buvo skiriamos tik gyviems laureatams. Diskusijos dėl to, kas turėtų būti pripažintas šio atradimo autoriumi, tebesitęsia.
1957 m. Crickas paaiškino DNR, RNR ir baltymų ryšį, pateikdamas pagrindinę molekulinės biologijos dogmą.
Kaip kopijuojama DNR (replikacijos mechanizmas), paaiškėjo 1958 m. atlikus Meselsono-Stahlio eksperimentą. Krickas ir jo bendradarbiai dar kartą įrodė, kad genetinis kodas pagrįstas nesikartojančiais bazių tripletais, vadinamais kodonais. Šie atradimai tapo molekulinės biologijos pradžia.
Apie tai, kaip Vatsonas ir Krikas gavo Franklino rezultatus, buvo daug diskutuojama. 1962 m. Krikui, Vatsonui ir Morisui Vilkinsui už darbą su DNR buvo paskirta Nobelio premija, o Rozalinda Franklin mirė 1958 m.
Jamesas D. Watsonas ir Francis Crickas (dešinėje) su Maclynu McCarty (kairėje)
DNR tyrimų istorija
Pirmą kartą DNR išskyrė (išskyrė iš ląstelių) šveicarų gydytojas Friedrichas Miescheris 1869 m., tyrinėdamas bakterijas iš chirurginių tvarsčių pūlių. Molekulė buvo rasta ląstelių branduolyje, todėl jis ją pavadino nukleinu.
1928 m. Frederickas Griffithas atrado, kad "švelniosios" pneumokoko formos bakterijų savybės gali būti perduodamos "šiurkščiajai" tos pačios bakterijos formai, sumaišius nužudytas "švelniąsias" bakterijas su gyva "šiurkščiąja" forma. Ši sistema pirmą kartą aiškiai parodė, kad DNR perneša genetinę informaciją.
1943 m. Avery-MacLeod-McCarty eksperimento metu nustatyta, kad DNR yra transformuojantis principas.
DNR vaidmuo paveldimumui buvo patvirtintas 1952 m., kai Alfredas Hershey ir Martha Chase Hershey-Chase eksperimento metu įrodė, kad DNR yra T2 bakteriofago genetinė medžiaga.
XX a. šeštajame dešimtmetyje Erwinas Chargaffas nustatė, kad DNR molekulėje esančio timino (T) kiekis yra maždaug lygus adenino (A) kiekiui. Jis nustatė, kad tas pats pasakytina ir apie guaniną (G) bei citoziną (C). Šargaso taisyklės apibendrina šią išvadą.
1953 m. Jamesas D. Watsonas ir Francisas Crickas žurnale "Nature" pasiūlė pirmąjį teisingą DNR dvigubos spiralės struktūros modelį. Jų sukurtas dvigubos spiralės, molekulinis DNR modelis tada buvo pagrįstas vienintele rentgeno spindulių difrakcijos nuotrauka "Photo 51", kurią 1952 m. gegužės mėn. padarė Rosalind Franklin ir Raymond Gosling.
Eksperimentiniai įrodymai, patvirtinantys Watsono ir Cricko modelį, buvo paskelbti penkių straipsnių serijoje tame pačiame žurnalo "Nature" numeryje. Iš jų Franklino ir Goslingo straipsnyje pirmą kartą buvo paskelbti jų pačių rentgeno spindulių difrakcijos duomenys ir originalus analizės metodas, kurie iš dalies patvirtino Vatsono ir Kriko modelį; šiame numeryje taip pat buvo išspausdintas Maurice'o Wilkinso ir dviejų jo kolegų straipsnis apie DNR struktūrą, kurio analizė ir in vivo B-DNA rentgeno spindulių modeliai taip pat patvirtino, kad in vivo egzistuoja dvigubos spiralinės DNR konfigūracijos, kurias ankstesniuose dviejuose "Nature" puslapiuose pasiūlė Krikas ir Vatsonas savo dvigubos spiralės molekuliniam DNR modeliui. 1962 m., po Franklino mirties, Vatsonas, Krickas ir Vilkinsas kartu gavo Nobelio fiziologijos ar medicinos premiją. Tuo metu Nobelio premijos buvo skiriamos tik gyviems laureatams. Diskusijos dėl to, kas turėtų būti pripažintas šio atradimo autoriumi, tebesitęsia.
1957 m. Crickas paaiškino DNR, RNR ir baltymų ryšį, pateikdamas pagrindinę molekulinės biologijos dogmą.
Kaip kopijuojama DNR (replikacijos mechanizmas), paaiškėjo 1958 m. atlikus Meselsono-Stahlio eksperimentą. Krickas ir jo bendradarbiai dar kartą įrodė, kad genetinis kodas pagrįstas nesikartojančiais bazių tripletais, vadinamais kodonais. Šie atradimai tapo molekulinės biologijos pradžia.
Apie tai, kaip Vatsonas ir Krikas gavo Franklino rezultatus, buvo daug diskutuojama. 1962 m. Krikui, Vatsonui ir Morisui Vilkinsui už darbą su DNR buvo paskirta Nobelio premija, o Rozalinda Franklin mirė 1958 m.
Jamesas D. Watsonas ir Francis Crickas (dešinėje) su Maclynu McCarty (kairėje)
DNR ir privatumo problemos
Jungtinių Valstijų policija, spręsdama šaltas bylas, naudojosi viešomis DNR ir genealoginių medžių duomenų bazėmis. Amerikos pilietiniųlaisvių sąjunga išreiškė susirūpinimą dėl šios praktikos.
DNR ir privatumo problemos
Jungtinių Valstijų policija, spręsdama šaltas bylas, naudojosi viešomis DNR ir genealoginių medžių duomenų bazėmis. Amerikos pilietinių laisvių sąjunga išreiškė susirūpinimą dėl šios praktikos.
Susiję puslapiai
- Ląstelių dalijimasis
- DNR remontas
- Chromosoma
- Sekos analizė
Susiję puslapiai
- Ląstelių dalijimasis
- DNR remontas
- Chromosoma
- Sekos analizė
Klausimai ir atsakymai
K: Kas yra DNR?
A: DNR reiškia deoksiribonukleorūgštį ir yra molekulė, kurioje yra organizmų, įskaitant gyvūnus, augalus, protistus, archėjas ir bakterijas, genetinis kodas. Ją sudaro dvi polinukleotidinės grandinės, sudarytos iš dvigubos spiralės.
K: Kaip DNR nurodo ląstelėms, kokius baltymus gaminti?
A: Dažniausiai gaminami baltymai yra fermentai, kuriuos lemia DNR esančios instrukcijos.
Klausimas: Kaip vaikai paveldi bruožus iš savo tėvų?
A.: Vaikai turi bendrų bruožų su tėvais, nes jie paveldi dalį tėvų DNR, nuo kurios priklauso odos, plaukų ir akių spalva. Abiejų tėvų DNR derinys sudaro unikalų instrukcijų rinkinį kiekvienam vaikui.
K: Kas yra nekoduojanti DNR?
A: Nekoduojančios DNR sekos - tai organizmo genomo dalys, kurios nekoduoja baltymų sekų. Kai kurios nekoduojančios DNR sekos gali būti transkribuojamos į nekoduojančias RNR molekules, pavyzdžiui, transferinę RNR arba ribosominę RNR, o kitos sekos gali būti visai netranskribuojamos arba iš jų gali susidaryti nežinomų funkcijų RNR. Nekoduojančių DNR kiekis įvairiose rūšyse skiriasi.
Klausimas: Kur eukariotiniai organizmai saugo didžiąją dalį savo DNR?
A: Eukariotiniai organizmai, pavyzdžiui, gyvūnai, augalai, grybai ir protistai, didžiąją dalį DNR laiko ląstelės branduolyje, o prokariotiniai organizmai, pavyzdžiui, bakterijos ir archėjos, DNR laiko tik citoplazmoje žiedinėse chromosomose.
K: Kaip chromatinas padeda organizuoti DNR eukariotų chromosomose?
A: Chromatino baltymai, pavyzdžiui, histonai, padeda sutankinti ir sutvarkyti DNR eukariotų chromosomose, kad prireikus ją būtų galima lengvai pasiekti.
