Дезоксирибонуклеинова киселина | молекулата, която съдържа генетичния код на организмите

Структура на ДНК

ДНК има форма на двойна спирала, която прилича на стълба, усукана в спирала. Всяко стъпало на стълбата е двойка нуклеотиди.

Нуклеотиди

Нуклеотидът е молекула, съставена от:

• дезоксирибоза, вид захар с 5 въглеродни атома,
• фосфатна група, съставена от фосфор и кислород, и
• азотна основа

ДНК се състои от четири вида нуклеотиди:

• Аденин (A)
• Тимин (T)
• Цитозин (C)
• Гуанин (G)

Всяко от "стъпалата" на ДНК стълбата се състои от две бази, като от всяко стъпало идва по една база. Базите се свързват в средата: "А" се свързва само с "Т", а "С" - само с "G". Базите се държат заедно чрез водородни връзки.

Аденинът (А) и тиминът (Т) могат да се свързват в двойка, защото създават две водородни връзки, а цитозинът (С) и гуанинът (G) се свързват в двойка, за да създадат три водородни връзки. Въпреки че базите са винаги във фиксирани двойки, те могат да се подредят в произволен ред (A-T или T-A; по същия начин C-G или G-C). По този начин ДНК може да пише "кодове" от "буквите", които представляват базите. Тези кодове съдържат съобщението, което казва на клетката какво да прави.

Хроматин

В хромозомите ДНК е свързана с протеини, наречени хистони, и образува хроматин. Тази връзка участва в епигенетиката и регулирането на гените. Гените се включват и изключват по време на развитието и активността на клетките и тази регулация е в основата на повечето дейности, които се извършват в клетките.

 

Копиране на ДНК

Когато ДНК се копира, това се нарича репликация на ДНК. Накратко, водородните връзки, които държат заедно сдвоените бази, се разкъсват и молекулата се разделя на две: краката на стълбата се разделят. Така се получават две единични нишки. Нови нишки се образуват чрез съчетаване на базите (A с T и G с C), за да се получат липсващите нишки.

Първо, ензим, наречен ДНК хелиаза, разделя ДНК по средата, като разкъсва водородните връзки. След това, след като молекулата на ДНК е на две отделни части, друга молекула, наречена ДНК полимераза, създава нова верига, която съвпада с всяка от нишките на разделената молекула на ДНК. Всяко копие на молекулата на ДНК се състои от половината от първоначалната (стартова) молекула и половината от нови бази.

Мутации

Когато ДНК се копира, понякога се допускат грешки - те се наричат мутации. Съществуват четири основни вида мутации:

• Делеция, при която една или повече бази са изключени.
• Заместване, при което една или повече бази се заменят с друга база в последователността.
• Вмъкване, при което се поставя една или повече допълнителни бази.
• Дублиране, при което се повтаря последователност от двойки бази.

Мутациите могат да бъдат класифицирани и според ефекта им върху структурата и функцията на протеините или според ефекта им върху пригодността. Мутациите могат да бъдат вредни за организма, неутрални или полезни. Понякога мутациите са фатални за организма - белтъкът, създаден от новата ДНК, изобщо не функционира и това води до смъртта на ембриона. От друга страна, еволюцията се придвижва напред чрез мутации, когато новата версия на белтъка работи по-добре за организма.

 

Синтез на протеини

Участък от ДНК, който съдържа инструкции за създаване на протеин, се нарича ген. Всеки ген съдържа последователността за поне един полипептид. Протеините образуват структури, а също и ензими. Ензимите извършват по-голямата част от работата в клетките. Протеините се състоят от по-малки полипептиди, които са образувани от аминокиселини. За да се създаде белтък, който да върши определена работа, правилните аминокиселини трябва да се съединят в правилния ред.

Протеините се произвеждат от малки машини в клетката, наречени рибозоми. Рибозомите се намират в основната част на клетката, но ДНК е само в ядрото на клетката. Кодонът е част от ДНК, но ДНК никога не напуска ядрото. Тъй като ДНК не може да напусне ядрото, клетъчното ядро прави копие на ДНК последователността в РНК. Тя е по-малка и може да премине през дупките - пори - в мембраната на ядрото и да излезе в клетката.

Гените, кодирани в ДНК, се транскрибират в месинджър РНК (мРНК) от протеини като РНК полимераза. След това зрялата мРНК се използва като шаблон за синтез на протеини от рибозомата. Рибозомите разчитат кодони - "думи", съставени от три двойки бази, които указват на рибозомата коя аминокиселина да добави. Рибозомата сканира мРНК, като чете кода, докато произвежда белтък. Друга РНК, наречена тРНК, помага да се подбере правилната аминокиселина към всеки кодон.

 

История на изследванията на ДНК

За първи път ДНК е изолирана (извлечена от клетки) от швейцарския лекар Фридрих Мишер през 1869 г., когато той работи върху бактерии от гнойта в хирургическите превръзки. Молекулата е открита в ядрото на клетките и затова той я нарича нуклеин.

През 1928 г. Фредерик Грифит открива, че чертите на "гладката" форма на пневмокока могат да се прехвърлят върху "грубата" форма на същата бактерия чрез смесване на убита "гладка" бактерия с жива "груба" форма. Тази система е първото ясно доказателство, че ДНК пренася генетична информация.

През 1943 г. експериментът на Ейвъри-Маклауд-МакКарти идентифицира ДНК като трансформиращ принцип.

Ролята на ДНК в наследствеността е потвърдена през 1952 г., когато Алфред Херши и Марта Чейс в експеримента на Херши-Чейс показват, че ДНК е генетичният материал на бактериофага Т2.

През 50-те години на миналия век Ервин Чаргаф установява, че количеството тимин (Т) в молекулата на ДНК е приблизително равно на количеството аденин (А). Той установява, че същото се отнася и за гуанина (G) и цитозина (C). Правилата на Чаргаф обобщават това откритие.

През 1953 г. Джеймс Д. Уотсън и Франсис Крик предлагат в списание Nature това, което днес се приема за първия правилен модел на двойната спирала на структурата на ДНК. Техният двойно-спирален, молекулен модел на ДНК тогава се основава на една рентгенова дифракционна снимка "Снимка 51", направена от Розалинд Франклин и Реймънд Гослинг през май 1952 г.

Експериментални доказателства в подкрепа на модела на Уотсън и Крик бяха публикувани в серия от пет статии в същия брой на Nature. От тях статията на Франклин и Гослинг е първата публикация на техните собствени данни от рентгенова дифракция и оригинален метод за анализ, които отчасти подкрепят модела на Уотсън и Крик; този брой съдържа и статия за структурата на ДНК на Морис Уилкинс и двама негови колеги, чийто анализ и рентгенови модели на B-DNA in vivo също подкрепят наличието in vivo на двойно-спирални конфигурации на ДНК, предложени от Крик и Уотсън за техния двойно-спирален молекулен модел на ДНК на предишните две страници на Nature. През 1962 г., след смъртта на Франклин, Уотсън, Крик и Уилкинс получават съвместно Нобелова награда за физиология или медицина. Нобеловите награди се присъждат само на живи лауреати. Продължава дебатът за това кой трябва да получи признание за откритието.

През 1957 г. Крик обяснява връзката между ДНК, РНК и протеините в основната догма на молекулярната биология.

Начинът на копиране на ДНК (механизмът на репликация) е установен през 1958 г. чрез експеримента на Меселсон-Стаул. По-нататъшната работа на Крик и колегите му показва, че генетичният код се основава на непокриващи се тройки бази, наречени кодони. Тези открития представляват началото на молекулярната биология.

Как Уотсън и Крик са получили резултатите на Франклин, е предмет на много спорове. Крик, Уотсън и Морис Уилкинс са удостоени с Нобелова награда през 1962 г. за работата си върху ДНК - Розалинд Франклин умира през 1958 г.

 

Джеймс Д. Уотсън и Франсис Крик (вдясно) с Маклийн Маккарти (вляво)  

Какво се случва, когато ДНК се повреди

ДНК се уврежда много пъти в клетките, което е проблем, тъй като ДНК дава инструкции за създаване на протеини. Но в повечето случаи клетките разполагат с начини за отстраняване на тези проблеми. Клетките използват специални ензими. Различните ензими поправят различни видове увреждания на ДНК. Проблемът се среща в различни видове:

• Една от често срещаните грешки е несъответствие на базите или когато базите не са правилно съчетани. Това се случва, когато например аденинът не е съчетан с тимина или гуанинът не е съчетан с цитозина. Когато клетката копира собствената си ДНК, специален ензим, наречен полимераза, съчетава базите. Но от време на време се появява грешка. Обикновено ензимът я забелязва и я поправя, но за да е сигурно, друг набор от протеини проверява какво е направил ензимът. Ако белтъците открият база, която не е била съчетана с правилната база, те я отстраняват и я заменят с нуклеотид с правилната база.
• ДНК може да бъде разрушена и по химичен път от някои съединения. Това могат да бъдат токсични съединения като тези, които се съдържат в тютюна, или съединения, с които клетката се среща всеки ден, като водородния пероксид. Някои химически увреждания от съединенията се случват толкова често, че има специален ензим за отстраняване на тези видове проблеми.
• Когато дадена база се повреди, тя обикновено се поправя в процес, наречен поправка на ексцизията на базата. При него един ензим отстранява базата, а друга група ензими обхождат повредата и я заместват с нов нуклеотид.
• Ултравиолетовата светлина уврежда ДНК по такъв начин, че променя формата ѝ. Отстраняването на този тип увреждания изисква по-сложен процес, наречен поправка на нуклеотидната ексцизия. При него екип от белтъци отстранява дълга верига от 20 или повече нарушени нуклеотиди и ги заменя с нови.
• Високоенергийните вълни, като рентгеновите и гама лъчите, могат действително да прекъснат едната или двете нишки на ДНК. Този тип увреждане се нарича двойно прекъсване на веригата. Едно двойно прекъсване на веригата може да доведе до смъртта на клетката. Два често срещани начина, по които клетката отстранява този проблем, са хомоложната рекомбинация и нехомоложното свързване. При хомоложната рекомбинация ензимите използват подобна част от друг ген като шаблон, за да поправят прекъсването. При нехомоложното свързване ензимите подрязват мястото, където ДНК веригата се е скъсала, и ги съединяват. Този начин е много по-малко точен, но работи, когато няма налични подобни гени.

 

ДНК и опасения за неприкосновеността на личния живот

Полицията в САЩ използва публични бази данни за ДНК и родословни дървета, за да разкрие студени случаи. Американският съюз за граждански свободи изрази загриженост във връзка с тази практика.

 

Свързани страници

• Биоинформатика
• Клетъчно делене
• Митоза
• Мейоза
• Възстановяване на ДНК
• Хромозоми
• Анализ на последователността
• Епигенетика
• ДНК на боклука