Die Struktur des DNA-Moleküls. Diagramm eines DNA-Moleküls. Studium der DNA: Struktur, DNA-Struktur, Funktionen DNA-Struktur und Funktionen kurz

Aufgrund seiner chemischen Struktur ist DNA ( Desoxyribonukleinsäure) Ist Biopolymer, deren Monomere sind Nukleotide. Das heißt, DNA ist Polynukleotid. Darüber hinaus besteht ein DNA-Molekül normalerweise aus zwei Ketten, die entlang einer Helixlinie relativ zueinander verdreht sind (oft als „helikal verdreht“ bezeichnet) und durch Wasserstoffbrückenbindungen miteinander verbunden sind.

Die Ketten können sowohl nach links als auch nach rechts (am häufigsten) gedreht werden.

Einige Viren haben einsträngige DNA.

Jedes DNA-Nukleotid besteht aus 1) einer stickstoffhaltigen Base, 2) Desoxyribose und 3) einem Phosphorsäurerest.

Doppelte rechtsgängige DNA-Helix

Die Zusammensetzung der DNA umfasst Folgendes: Adenin, Guanin, Thymin Und Cytosin. Adenin und Guanin sind Purine und Thymin und Cytosin - zu Pyrimidine. Manchmal enthält DNA Uracil, das normalerweise für RNA charakteristisch ist und dort Thymin ersetzt.

Die stickstoffhaltigen Basen einer Kette eines DNA-Moleküls sind streng nach dem Komplementaritätsprinzip mit den stickstoffhaltigen Basen einer anderen Kette verbunden: Adenin nur mit Thymin (bildet zwei Wasserstoffbrückenbindungen miteinander) und Guanin nur mit Cytosin (drei Bindungen).

Die stickstoffhaltige Base im Nukleotid selbst ist mit dem ersten Kohlenstoffatom der zyklischen Form verbunden Desoxyribose, eine Pentose (ein Kohlenhydrat mit fünf Kohlenstoffatomen). Die Bindung ist kovalent, glykosidisch (C-N). Im Gegensatz zu Ribose fehlt der Desoxyribose eine ihrer Hydroxylgruppen. Der Desoxyribosering besteht aus vier Kohlenstoffatomen und einem Sauerstoffatom. Das fünfte Kohlenstoffatom liegt außerhalb des Rings und ist über ein Sauerstoffatom mit einem Phosphorsäurerest verbunden. Außerdem wird über das Sauerstoffatom am dritten Kohlenstoffatom der Phosphorsäurerest des benachbarten Nukleotids gebunden.

Somit sind in einem DNA-Strang benachbarte Nukleotide durch kovalente Bindungen zwischen Desoxyribose und Phosphorsäure (Phosphodiesterbindung) miteinander verbunden. Es entsteht ein Phosphat-Desoxyribose-Rückgrat. Senkrecht dazu, in Richtung der anderen DNA-Kette, sind stickstoffhaltige Basen angeordnet, die über Wasserstoffbrücken mit den Basen der zweiten Kette verbunden sind.

Die Struktur der DNA ist so, dass die Rückgrate der durch Wasserstoffbrückenbindungen verbundenen Ketten in verschiedene Richtungen gerichtet sind (man sagt „multidirektional“, „antiparallel“). Auf der Seite, auf der das eine mit Phosphorsäure endet, die mit dem fünften Kohlenstoffatom der Desoxyribose verbunden ist, endet das andere mit einem „freien“ dritten Kohlenstoffatom. Das heißt, das Skelett einer Kette ist relativ zur anderen auf den Kopf gestellt. So werden in der Struktur von DNA-Ketten 5“-Enden und 3“-Enden unterschieden.

Bei der DNA-Replikation (Verdoppelung) erfolgt die Synthese neuer Ketten immer vom 5. Ende zum dritten, da neue Nukleotide nur am freien dritten Ende hinzugefügt werden können.

Letztendlich (indirekt durch RNA) kodieren alle drei aufeinanderfolgenden Nukleotide in der DNA-Kette für eine Proteinaminosäure.

Die Entdeckung der Struktur des DNA-Moleküls erfolgte 1953 dank der Arbeit von F. Crick und D. Watson (die auch durch die frühen Arbeiten anderer Wissenschaftler erleichtert wurde). Obwohl DNA bereits im 19. Jahrhundert als chemische Substanz bekannt war. In den 40er Jahren des 20. Jahrhunderts wurde klar, dass die DNA der Träger der genetischen Information ist.

Die Doppelhelix gilt als Sekundärstruktur des DNA-Moleküls. In eukaryotischen Zellen befindet sich der überwiegende Teil der DNA in den Chromosomen, wo sie mit Proteinen und anderen Substanzen verbunden und zudem dichter verpackt ist.

Struktur und Funktionen der DNA

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DNA- ein Polymer, dessen Monomere Desoxyribonukleotide sind. 1953 wurde ein Modell der räumlichen Struktur des DNA-Moleküls in Form einer Doppelhelix vorgeschlagen. J. Watson und F. Crick (um dieses Modell zu bauen, verwendeten sie die Werke von M. Wilkins, R. Franklin, E. Chargaff).

DNA-Molekül gebildet aus zwei Polynukleotidketten, die spiralförmig umeinander und zusammen um eine imaginäre Achse gedreht sind, ᴛ.ᴇ. ist eine Doppelhelix (mit Ausnahme einiger DNA-haltiger Viren, die über einzelsträngige DNA verfügen). Der Durchmesser der DNA-Doppelhelix beträgt 2 nm, der Abstand zwischen benachbarten Nukleotiden beträgt 0,34 nm und pro Windung der Helix gibt es 10 Nukleotidpaare. Die Länge des Moleküls kann mehrere Zentimeter erreichen. Molekulargewicht – Dutzende und Hunderte Millionen. Die Gesamtlänge der DNA im Zellkern einer menschlichen Zelle beträgt etwa 2 m. In eukaryontischen Zellen bildet DNA Komplexe mit Proteinen und weist eine spezifische räumliche Konformation auf.

DNA-Monomer - Nukleotid (Desoxyribonukleotid)- besteht aus Rückständen von drei Substanzen: 1) einer stickstoffhaltigen Base, 2) einem Monosaccharid mit fünf Kohlenstoffatomen (Pentose) und 3) Phosphorsäure. Die stickstoffhaltigen Basen von Nukleinsäuren gehören zu den Klassen der Pyrimidine und Purine. DNA-Pyrimidinbasen(haben einen Ring in ihrem Molekül) - Thymin, Cytosin. Purinbasen(haben zwei Ringe) - Adenin und Guanin.

Das DNA-Nukleotidmonosaccharid ist Desoxyribose.

Der Name eines Nukleotids leitet sich vom Namen der entsprechenden Base ab. Nukleotide und stickstoffhaltige Basen werden durch Großbuchstaben gekennzeichnet.

Die Polynukleotidkette entsteht durch Nukleotidkondensationsreaktionen. In diesem Fall liegt zwischen dem 3"-Kohlenstoff des Desoxyriboserests eines Nukleotids und dem Phosphorsäurerest eines anderen Nukleotids Phosphoesterbindung(gehört zur Kategorie der starken kovalenten Bindungen). Ein Ende der Polynukleotidkette endet mit einem 5-Zoll-Kohlenstoff (5-Zoll-Ende genannt), das andere endet mit einem 3-Zoll-Kohlenstoff (3-Zoll-Ende).

Gegenüber einem Nukleotidstrang befindet sich ein zweiter Strang. Die Anordnung der Nukleotide in diesen beiden Ketten ist nicht zufällig, sondern streng definiert: Thymin befindet sich immer gegenüber dem Adenin einer Kette in der anderen Kette, und Cytosin befindet sich immer gegenüber Guanin, zwischen Adenin und Thymin und dazwischen entstehen zwei Wasserstoffbrückenbindungen Guanin und Cytosin – drei Wasserstoffbrückenbindungen. Als Muster wird üblicherweise das Muster bezeichnet, nach dem die Nukleotide verschiedener DNA-Ketten streng geordnet sind (Adenin – Thymin, Guanin – Cytosin) und sich selektiv miteinander verbinden das Prinzip der Komplementarität. Es sei darauf hingewiesen, dass J. Watson und F. Crick das Prinzip der Komplementarität verstanden, nachdem sie sich mit den Werken von E. Chargaff vertraut gemacht hatten. E. Chargaff, der eine große Anzahl von Gewebe- und Organproben verschiedener Organismen untersucht hatte, stellte fest, dass in jedem DNA-Fragment der Gehalt an Guaninresten immer genau dem Gehalt an Cytosin und Adenin an Thymin entspricht ( „Chargaffs Regel“), aber er ist nicht in der Lage, diese Tatsache zu erklären.

Aus dem Prinzip der Komplementarität folgt, dass die Nukleotidsequenz einer Kette die Nukleotidsequenz der anderen bestimmt.

Die DNA-Stränge sind antiparallel (multidirektional), ᴛ.ᴇ. Nukleotide verschiedener Ketten sind in entgegengesetzte Richtungen angeordnet, und daher befindet sich gegenüber dem 3-Zoll-Ende einer Kette das 5-Zoll-Ende der anderen. Das DNA-Molekül wird manchmal mit einer Wendeltreppe verglichen. Das „Geländer“ dieser Treppe ist ein Zucker-Phosphat-Rückgrat (abwechselnde Reste von Desoxyribose und Phosphorsäure); „Stufen“ sind komplementäre stickstoffhaltige Basen.

Funktion der DNA- Speicherung und Übermittlung erblicher Informationen.

Struktur und Funktionen der DNA – Konzept und Typen. Einordnung und Merkmale der Kategorie „Struktur und Funktionen der DNA“ 2017, 2018.

DNA ist eine universelle Quelle und Bewahrer erblicher Informationen, die mithilfe einer speziellen Nukleotidsequenz aufgezeichnet werden und die Eigenschaften aller lebenden Organismen bestimmen.

Das durchschnittliche Molekulargewicht eines Nukleotids wird mit 345 angenommen, und die Anzahl der Nukleotidreste kann mehrere Hundert, Tausend und sogar Millionen erreichen. DNA kommt hauptsächlich in den Zellkernen vor. Kommt nur selten in Chloroplasten und Mitochondrien vor. Allerdings besteht die DNA des Zellkerns nicht aus einem Molekül. Es besteht aus vielen Molekülen, die auf verschiedenen Chromosomen verteilt sind, ihre Anzahl variiert je nach Organismus. Dies sind die Strukturmerkmale der DNA.

Geschichte der Entdeckung der DNA

Die Struktur und Funktionen der DNA wurden von James Watson und Francis Crick entdeckt und dafür 1962 sogar mit dem Nobelpreis ausgezeichnet.

Doch der in Deutschland tätige Schweizer Wissenschaftler Friedrich Johann Miescher war der Erste, der Nukleinsäuren entdeckte. Im Jahr 1869 untersuchte er tierische Zellen – Leukozyten. Um sie zu erhalten, benutzte er Bandagen mit Eiter, die er aus Krankenhäusern bekam. Mischer wusch Leukozyten aus dem Eiter aus und isolierte daraus Proteine. Bei diesen Untersuchungen konnte der Wissenschaftler feststellen, dass es in Leukozyten neben Proteinen noch etwas anderes gibt, eine damals unbekannte Substanz. Es handelte sich um ein fadenförmiges oder flockiges Sediment, das freigesetzt wurde, wenn ein saures Milieu entstand. Der Niederschlag löste sich bei Zugabe von Alkali sofort auf.

Mithilfe eines Mikroskops entdeckte der Wissenschaftler, dass beim Waschen von Leukozyten mit Salzsäure Kerne aus den Zellen zurückbleiben. Dann kam er zu dem Schluss, dass sich im Kern eine unbekannte Substanz befand, die er Nuclein nannte (das Wort Nucleus bedeutet in der Übersetzung Nukleus).

Nach einer chemischen Analyse fand Miescher heraus, dass die neue Substanz Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff und Phosphor enthält. Zu dieser Zeit war über Organophosphorverbindungen wenig bekannt, daher glaubte Friedrich, eine neue Klasse von Verbindungen entdeckt zu haben, die im Zellkern vorkommen.

So wurde im 19. Jahrhundert die Existenz von Nukleinsäuren entdeckt. Über die wichtige Rolle, die sie spielten, konnte sich damals jedoch noch niemand im Klaren sein.

Substanz der Vererbung

Die Struktur der DNA wurde weiterhin untersucht, und 1944 erhielt eine Gruppe von Bakteriologen unter der Leitung von Oswald Avery Beweise dafür, dass dieses Molekül ernsthafte Aufmerksamkeit verdient. Der Wissenschaftler verbrachte viele Jahre damit, Pneumokokken zu untersuchen, Organismen, die eine Lungenentzündung oder Lungenerkrankung verursachen. Avery führte Experimente durch, indem er Pneumokokken, die Krankheiten verursachen, mit solchen vermischte, die für lebende Organismen ungefährlich sind. Zuerst wurden die krankheitsverursachenden Zellen abgetötet und dann diejenigen hinzugefügt, die keine Krankheit verursachten.

Die Forschungsergebnisse überraschten alle. Es gab lebende Zellen, die durch die Interaktion mit toten Zellen lernten, Krankheiten zu verursachen. Der Wissenschaftler hat die Natur der Substanz herausgefunden, die an der Übertragung von Informationen von toten Zellen an lebende Zellen beteiligt ist. Es stellte sich heraus, dass es sich bei dem DNA-Molekül um diese Substanz handelte.

Struktur

Daher ist es notwendig zu verstehen, welche Struktur das DNA-Molekül hat. Die Entdeckung seiner Struktur war ein bedeutendes Ereignis; sie führte zur Entstehung der Molekularbiologie – einem neuen Zweig der Biochemie. DNA kommt in großen Mengen in den Zellkernen vor, die Größe und Anzahl der Moleküle hängt jedoch von der Art des Organismus ab. Es wurde festgestellt, dass die Kerne von Säugetierzellen viele dieser Zellen enthalten, sie sind entlang der Chromosomen verteilt, es gibt 46 davon.

Während Feulgen die Struktur der DNA untersuchte, stellte er 1924 erstmals deren Lokalisierung fest. Aus Experimenten gewonnene Erkenntnisse zeigten, dass sich die DNA in Mitochondrien befindet (1–2 %). An anderen Orten können diese Moleküle während einer Virusinfektion, in Basalkörperchen und auch in den Eiern einiger Tiere gefunden werden. Es ist bekannt, dass die DNA-Masse umso größer ist, je komplexer der Organismus ist. Die Anzahl der in einer Zelle vorhandenen Moleküle hängt von der Funktion ab und beträgt normalerweise 1-10 %. Am wenigsten davon findet man in Myozyten (0,2 %), am meisten in Keimzellen (60 %).

Die Struktur der DNA hat gezeigt, dass sie in den Chromosomen höherer Organismen mit einfachen Proteinen verbunden sind – Albuminen, Histonen und anderen, die zusammen DNP (Desoxyribonukleoprotein) bilden. Typischerweise ist ein großes Molekül instabil, und damit es während der Evolution intakt und unverändert bleibt, wurde ein sogenanntes Reparatursystem geschaffen, das aus Enzymen – Ligasen und Nukleasen – besteht, die für die „Reparatur“ des Moleküls verantwortlich sind Molekül.

Chemische Struktur der DNA

DNA ist ein Polymer, ein Polynukleotid, das aus einer großen Anzahl (bis zu Zehntausenden Millionen) Mononukleotiden besteht. Die Struktur der DNA ist wie folgt: Mononukleotide enthalten stickstoffhaltige Basen – Cytosin (C) und Thymin (T) – aus Pyrimidinderivaten, Adenin (A) und Guanin (G) – aus Purinderivaten. Neben stickstoffhaltigen Basen enthält das menschliche und tierische Molekül 5-Methylcytosin, eine untergeordnete Pyrimidinbase. Stickstoffhaltige Basen binden an Phosphorsäure und Desoxyribose. Die Struktur der DNA ist unten dargestellt.

Chargaff-Regeln

Die Struktur und biologische Rolle der DNA wurden 1949 von E. Chargaff untersucht. Während seiner Forschung identifizierte er Muster, die in der quantitativen Verteilung stickstoffhaltiger Basen beobachtet wurden:

1. ∑T + C = ∑A + G (d. h. die Anzahl der Pyrimidinbasen ist gleich der Anzahl der Purinbasen).
2. Die Anzahl der Adeninreste ist immer gleich der Anzahl der Thyminreste und die Anzahl der Guaninreste ist gleich der Anzahl der Cytosinreste.
3. Der Spezifitätskoeffizient hat die Formel: G+C/A+T. Für einen Menschen sind es beispielsweise 1,5, für einen Bullen 1,3.
4. Die Summe von „A + C“ ist gleich der Summe von „G + T“, das heißt, es gibt genauso viel Adenin und Cytosin wie Guanin und Thymin.

DNA-Strukturmodell

Es wurde von Watson und Crick erstellt. Phosphat- und Desoxyribosereste befinden sich entlang des Rückgrats zweier spiralförmig verdrehter Polynukleotidketten. Es wurde festgestellt, dass die planaren Strukturen der Pyrimidin- und Purinbasen senkrecht zur Kettenachse liegen und sozusagen Stufen einer Leiter in Form einer Spirale bilden. Es wurde auch festgestellt, dass A immer über zwei Wasserstoffbrückenbindungen mit T verbunden ist und G über drei gleiche Bindungen mit C verbunden ist. Dieses Phänomen erhielt den Namen „Prinzip der Selektivität und Komplementarität“.

Ebenen der strukturellen Organisation

Eine spiralförmig gebogene Polynukleotidkette ist eine Primärstruktur, die einen bestimmten qualitativen und quantitativen Satz von Mononukleotiden aufweist, die durch eine 3’,5’-Phosphodiesterbindung verbunden sind. Somit hat jede der Ketten ein 3'-Ende (Desoxyribose) und ein 5'-Ende (Phosphat). Bereiche, die genetische Informationen enthalten, werden Strukturgene genannt.

Das Doppelhelix-Molekül ist die Sekundärstruktur. Darüber hinaus sind seine Polynukleotidketten antiparallel und durch Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den komplementären Basen der Ketten verbunden. Es wurde festgestellt, dass jede Windung dieser Helix 10 Nukleotidreste enthält und ihre Länge 3,4 nm beträgt. Diese Struktur wird auch durch Van-der-Waals-Wechselwirkungskräfte gestützt, die zwischen den Basen derselben Kette beobachtet werden, einschließlich abstoßender und anziehender Komponenten. Diese Kräfte werden durch die Wechselwirkung von Elektronen in benachbarten Atomen erklärt. Elektrostatische Wechselwirkung stabilisiert auch die Sekundärstruktur. Es kommt zwischen positiv geladenen Histonmolekülen und einem negativ geladenen DNA-Strang vor.

Bei der Tertiärstruktur handelt es sich um die Windung von DNA-Strängen um Histone oder Supercoiling. Es wurden fünf Arten von Histonen beschrieben: H1, H2A, H2B, H3, H4.

Die Faltung von Nukleosomen zu Chromatin ist eine Quartärstruktur, sodass sich ein mehrere Zentimeter langes DNA-Molekül bis zu 5 nm falten kann.

Funktionen der DNA

Die Hauptfunktionen der DNA sind:

1. Speicherung erblicher Informationen. Die Reihenfolge der in einem Proteinmolekül vorkommenden Aminosäuren wird durch die Reihenfolge bestimmt, in der sich die Nukleotidreste im DNA-Molekül befinden. Es verschlüsselt auch alle Informationen über die Eigenschaften und Merkmale des Organismus.
2. DNA ist in der Lage, Erbinformationen an die nächste Generation weiterzugeben. Dies ist aufgrund der Fähigkeit zur Replikation – Selbstduplikation – möglich. DNA ist in der Lage, in zwei komplementäre Ketten aufzubrechen, und auf jeder von ihnen wird (gemäß dem Prinzip der Komplementarität) die ursprüngliche Nukleotidsequenz wiederhergestellt.
3. Mit Hilfe der DNA erfolgt die Biosynthese von Proteinen, Enzymen und Hormonen.

Abschluss

Die Struktur der DNA ermöglicht es ihr, die genetische Information zu bewahren und sie auch an zukünftige Generationen weiterzugeben. Welche Eigenschaften hat dieses Molekül?

1. Stabilität. Dies ist aufgrund von Glykosid-, Wasserstoff- und Phosphodiesterbindungen sowie dem Mechanismus zur Reparatur induzierter und spontaner Schäden möglich.
2. Möglichkeit der Replikation. Dieser Mechanismus ermöglicht die Aufrechterhaltung der diploiden Chromosomenzahl in somatischen Zellen.
3. Die Existenz eines genetischen Codes. Durch die Prozesse der Translation und Transkription wird die in der DNA vorkommende Basensequenz in die in der Polypeptidkette vorkommende Aminosäuresequenz umgewandelt.
4. Fähigkeit zur genetischen Rekombination. Dabei entstehen neue Kombinationen von Genen, die miteinander verknüpft werden.

Die Struktur und Funktionen der DNA ermöglichen es ihr daher, in Lebewesen eine unschätzbare Rolle zu spielen. Es ist bekannt, dass die Länge der 46 DNA-Moleküle in jeder menschlichen Zelle fast 2 m beträgt und die Anzahl der Nukleotidpaare 3,2 Milliarden beträgt.

Wir alle wissen, dass das Aussehen, einige Gewohnheiten und sogar Krankheiten eines Menschen vererbt werden. Alle diese Informationen über ein Lebewesen sind in Genen kodiert. Wie sehen diese berüchtigten Gene aus, wie funktionieren sie und wo befinden sie sich?

Der Träger aller Gene einer Person oder eines Tieres ist also die DNA. Diese Verbindung wurde 1869 von Johann Friedrich Miescher entdeckt. Chemisch gesehen ist DNA Desoxyribonukleinsäure. Was bedeutet das? Wie trägt diese Säure den genetischen Code allen Lebens auf unserem Planeten?

Schauen wir uns zunächst an, wo sich die DNA befindet. Eine menschliche Zelle enthält viele Organellen, die verschiedene Funktionen erfüllen. Die DNA befindet sich im Zellkern. Der Zellkern ist ein kleines Organell, das von einer speziellen Membran umgeben ist und in dem das gesamte genetische Material – die DNA – gespeichert ist.

Wie ist die Struktur eines DNA-Moleküls?

Schauen wir uns zunächst einmal an, was DNA ist. DNA ist ein sehr langes Molekül, das aus Strukturelementen – Nukleotiden – besteht. Es gibt 4 Arten von Nukleotiden – Adenin (A), Thymin (T), Guanin (G) und Cytosin (C). Die Nukleotidkette sieht schematisch so aus: GGAATTCTAAG... Diese Nukleotidsequenz ist die DNA-Kette.

Die Struktur der DNA wurde erstmals 1953 von James Watson und Francis Crick entschlüsselt.

In einem DNA-Molekül gibt es zwei Nukleotidketten, die helikal umeinander gedreht sind. Wie bleiben diese Nukleotidketten zusammen und drehen sich zu einer Spirale? Dieses Phänomen ist auf die Eigenschaft der Komplementarität zurückzuführen. Komplementarität bedeutet, dass sich in zwei Ketten nur bestimmte Nukleotide (komplementär) gegenüberstehen. So steht gegenüber Adenin immer Thymin und gegenüber Guanin immer nur Cytosin. Somit ist Guanin komplementär zu Cytosin und Adenin komplementär zu Thymin. Solche in verschiedenen Ketten gegenüberliegenden Nukleotidpaare werden auch als komplementär bezeichnet.

Schematisch lässt es sich wie folgt darstellen:

G - C
T - A
T - A
C - G

Diese komplementären Paare A - T und G - C bilden eine chemische Bindung zwischen den Nukleotiden des Paares, und die Bindung zwischen G und C ist stärker als zwischen A und T. Die Bindung wird ausschließlich zwischen komplementären Basen gebildet, d. h. der Bildung einer Bindung zwischen nichtkomplementärem G und A ist unmöglich.

„Verpackung“ der DNA, wie wird aus einem DNA-Strang ein Chromosom?

Warum verdrehen sich diese DNA-Nukleotidketten auch umeinander? Warum ist das notwendig? Tatsache ist, dass die Anzahl der Nukleotide riesig ist und viel Platz benötigt wird, um solch lange Ketten unterzubringen. Aus diesem Grund drehen sich zwei DNA-Stränge spiralförmig umeinander. Dieses Phänomen wird Spiralisierung genannt. Durch die Spiralisierung werden DNA-Ketten um das 5- bis 6-fache verkürzt.

Einige DNA-Moleküle werden vom Körper aktiv genutzt, andere werden selten genutzt. Zusätzlich zur Spiralisierung erfahren solche selten verwendeten DNA-Moleküle eine noch kompaktere „Verpackung“. Diese kompakte Verpackung nennt sich Supercoiling und verkürzt den DNA-Strang um das 25- bis 30-fache!

Wie packen sich DNA-Helices?

Beim Supercoiling werden Histonproteine ​​verwendet, die das Aussehen und die Struktur eines Fadenstabs oder einer Fadenspule haben. Auf diese „Spiralen“ – Histonproteine ​​– sind spiralförmige DNA-Stränge gewickelt. Dadurch wird der lange Faden sehr kompakt verpackt und nimmt nur wenig Platz ein.

Wenn es notwendig ist, das eine oder andere DNA-Molekül zu verwenden, findet der Prozess des „Abwickelns“ statt, d die Spirale in zwei parallele Ketten. Und wenn sich das DNA-Molekül in einem solchen unverdrillten Zustand befindet, können daraus die notwendigen genetischen Informationen abgelesen werden. Darüber hinaus werden genetische Informationen nur aus unverdrillten DNA-Strängen gelesen!

Man spricht von einem Satz superspiralisierter Chromosomen Heterochromatin und die zum Lesen von Informationen verfügbaren Chromosomen sind Euchromatin.

Was sind Gene, welche Verbindung besteht zwischen ihnen und der DNA?

Schauen wir uns nun an, was Gene sind. Es ist bekannt, dass es Gene gibt, die die Blutgruppe, Augenfarbe, Haare, Haut und viele andere Eigenschaften unseres Körpers bestimmen. Ein Gen ist ein genau definierter Abschnitt der DNA, der aus einer bestimmten Anzahl von Nukleotiden besteht, die in einer genau definierten Kombination angeordnet sind. Die Lage in einem streng definierten DNA-Abschnitt bedeutet, dass einem bestimmten Gen sein Platz zugewiesen wird und es unmöglich ist, diesen Ort zu ändern. Es bietet sich folgender Vergleich an: Eine Person wohnt in einer bestimmten Straße, in einem bestimmten Haus und einer bestimmten Wohnung, und eine Person kann nicht freiwillig in ein anderes Haus, eine andere Wohnung oder in eine andere Straße ziehen. Eine bestimmte Anzahl von Nukleotiden in einem Gen bedeutet, dass jedes Gen eine bestimmte Anzahl von Nukleotiden hat und diese nicht größer oder kleiner werden kann. Beispielsweise besteht das für die Insulinproduktion kodierende Gen aus 60 Nukleotidpaaren; das Gen, das für die Produktion des Hormons Oxytocin kodiert – aus 370 Nukleotidpaaren.

Die strenge Nukleotidsequenz ist für jedes Gen einzigartig und streng definiert. Beispielsweise ist die Sequenz AATTAATA ein Fragment eines Gens, das für die Insulinproduktion kodiert. Um Insulin zu gewinnen, wird genau diese Sequenz verwendet; um beispielsweise Adrenalin zu gewinnen, wird eine andere Kombination von Nukleotiden verwendet. Es ist wichtig zu verstehen, dass nur eine bestimmte Kombination von Nukleotiden ein bestimmtes „Produkt“ (Adrenalin, Insulin usw.) kodiert. Solch eine einzigartige Kombination einer bestimmten Anzahl von Nukleotiden, die an „ihrem Platz“ stehen – das ist Gen.

Neben Genen enthält die DNA-Kette sogenannte „nichtkodierende Sequenzen“. Solche nichtkodierenden Nukleotidsequenzen regulieren die Funktion von Genen, helfen bei der Spiralisierung von Chromosomen und markieren den Start- und Endpunkt eines Gens. Allerdings bleibt die Rolle der meisten nichtkodierenden Sequenzen bislang unklar.

Was ist ein Chromosom? Geschlechtschromosomen

Die Ansammlung von Genen eines Individuums wird als Genom bezeichnet. Natürlich kann nicht das gesamte Genom in einer DNA enthalten sein. Das Genom ist in 46 DNA-Molekülpaare unterteilt. Ein Paar DNA-Moleküle wird als Chromosom bezeichnet. Der Mensch hat also 46 dieser Chromosomen. Jedes Chromosom trägt einen streng definierten Satz von Genen, zum Beispiel enthält Chromosom 18 Gene, die die Augenfarbe usw. kodieren. Chromosomen unterscheiden sich voneinander in Länge und Form. Die häufigsten Formen sind X oder Y, es gibt aber auch andere. Der Mensch besitzt zwei Chromosomen gleicher Form, die man Paare nennt. Aufgrund dieser Unterschiede sind alle gepaarten Chromosomen nummeriert – es gibt 23 Paare. Das bedeutet, dass es Chromosomenpaar Nr. 1, Paar Nr. 2, Nr. 3 usw. gibt. Jedes Gen, das für ein bestimmtes Merkmal verantwortlich ist, liegt auf demselben Chromosom. Moderne Leitlinien für Fachärzte können den Ort des Gens beispielsweise wie folgt angeben: Chromosom 22, langer Arm.

Was sind die Unterschiede zwischen den Chromosomen?

Wie unterscheiden sich Chromosomen sonst noch voneinander? Was bedeutet der Begriff lange Schulter? Nehmen wir Chromosomen der Form X. Der Schnittpunkt von DNA-Strängen kann streng in der Mitte (X) oder nicht zentral erfolgen. Wenn eine solche Kreuzung von DNA-Strängen nicht zentral erfolgt, sind im Verhältnis zum Kreuzungspunkt einige Enden länger, andere entsprechend kürzer. Solche langen Enden werden üblicherweise als langer Arm des Chromosoms bezeichnet, kurze Enden als kurzer Arm. Bei Chromosomen der Y-Form sind die meisten Arme von langen Armen besetzt, die kurzen sind sehr klein (sie sind im schematischen Bild nicht einmal angedeutet).

Die Größe der Chromosomen variiert: Die größten sind die Chromosomenpaare Nr. 1 und Nr. 3, die kleinsten Chromosomen sind die Paare Nr. 17, Nr. 19.

Neben ihrer Form und Größe unterscheiden sich Chromosomen auch in den Funktionen, die sie erfüllen. Von den 23 Paaren sind 22 Paare somatisch und 1 Paar sexuell. Was bedeutet das? Somatische Chromosomen bestimmen alle äußeren Merkmale eines Individuums, die Merkmale seiner Verhaltensreaktionen, den erblichen Psychotyp, also alle Merkmale und Merkmale jedes einzelnen Menschen. Ein Geschlechtschromosomenpaar bestimmt das Geschlecht einer Person: männlich oder weiblich. Es gibt zwei Arten menschlicher Geschlechtschromosomen: X (X) und Y (Y). Wenn sie als XX (x - x) kombiniert werden, ist dies eine Frau, und wenn XY (x - y) - wir haben einen Mann.

Erbkrankheiten und Chromosomenschäden

Es kommt jedoch zu „Zusammenbrüchen“ des Genoms, und dann werden genetische Krankheiten bei Menschen entdeckt. Wenn beispielsweise im 21. Chromosomenpaar drei statt zwei Chromosomen vorhanden sind, wird eine Person mit Down-Syndrom geboren.

Es gibt viele kleinere „Zusammenbrüche“ des genetischen Materials, die nicht zu Krankheiten führen, sondern im Gegenteil gute Eigenschaften verleihen. Alle „Zusammenbrüche“ des genetischen Materials werden Mutationen genannt. Mutationen, die zu Krankheiten oder einer Verschlechterung der Körpereigenschaften führen, gelten als negativ, Mutationen, die zur Bildung neuer vorteilhafter Eigenschaften führen, gelten als positiv.

Allerdings wird bei den meisten Krankheiten, unter denen Menschen heutzutage leiden, nicht die Krankheit vererbt, sondern lediglich eine Veranlagung. Beispielsweise nimmt der Vater eines Kindes Zucker langsam auf. Dies bedeutet nicht, dass das Kind mit Diabetes geboren wird, aber es wird eine Veranlagung dafür haben. Das bedeutet, dass ein Kind Diabetes entwickelt, wenn es Süßigkeiten und Mehlprodukte missbraucht.

Heute ist das sogenannte prädikativ Medizin. Im Rahmen dieser medizinischen Praxis werden die Veranlagungen einer Person identifiziert (basierend auf der Identifizierung der entsprechenden Gene) und ihr werden dann Empfehlungen gegeben – welche Diät sie befolgen sollte, wie sie richtig zwischen Arbeit und Ruhe wechseln sollte, um nicht krank zu werden.

Wie liest man die in der DNA kodierten Informationen?

Wie kann man die in der DNA enthaltenen Informationen lesen? Wie nutzt der eigene Körper es? Die DNA selbst ist eine Art Matrix, aber nicht einfach, sondern verschlüsselt. Um Informationen aus der DNA-Matrix auszulesen, werden diese zunächst auf einen speziellen Träger – die RNA – übertragen. RNA ist chemisch gesehen Ribonukleinsäure. Sie unterscheidet sich von der DNA dadurch, dass sie durch die Kernmembran in die Zelle gelangen kann, während der DNA diese Fähigkeit fehlt (sie kommt nur im Zellkern vor). Die verschlüsselten Informationen werden in der Zelle selbst verwendet. RNA ist also ein Träger verschlüsselter Informationen vom Zellkern zur Zelle.

Wie erfolgt die RNA-Synthese, wie wird Protein mithilfe von RNA synthetisiert?

Die DNA-Stränge, aus denen Informationen „gelesen“ werden müssen, wickeln sich ab, ein spezielles „Builder“-Enzym nähert sich ihnen und synthetisiert parallel zum DNA-Strang eine komplementäre RNA-Kette. Das RNA-Molekül besteht außerdem aus 4 Arten von Nukleotiden – Adenin (A), Uracil (U), Guanin (G) und Cytosin (C). In diesem Fall ergänzen sich folgende Paare: Adenin – Uracil, Guanin – Cytosin. Wie Sie sehen, verwendet RNA im Gegensatz zu DNA Uracil anstelle von Thymin. Das heißt, das „Builder“-Enzym funktioniert wie folgt: Wenn es A im DNA-Strang sieht, dann bindet es Y an den RNA-Strang, wenn G, dann bindet es C usw. So wird bei der Transkription aus jedem aktiven Gen eine Matrize gebildet – eine Kopie der RNA, die die Kernmembran passieren kann.

Wie erfolgt die Synthese eines Proteins, das von einem bestimmten Gen kodiert wird?

Nach dem Verlassen des Zellkerns gelangt die RNA in das Zytoplasma. Bereits im Zytoplasma kann RNA als Matrix in spezielle Enzymsysteme (Ribosomen) eingebettet werden, die, gesteuert durch RNA-Informationen, die entsprechende Sequenz von Proteinaminosäuren synthetisieren können. Wie Sie wissen, besteht ein Proteinmolekül aus Aminosäuren. Woher weiß das Ribosom, welche Aminosäure es der wachsenden Proteinkette hinzufügen muss? Dies geschieht auf Basis des Triplet-Codes. Der Triplett-Code bedeutet, dass die Abfolge von drei Nukleotiden der RNA-Kette ( Triplett,(z. B. GGU) Code für eine einzelne Aminosäure (in diesem Fall Glycin). Jede Aminosäure wird durch ein bestimmtes Triplett kodiert. Und so „liest“ das Ribosom das Triplett und bestimmt, welche Aminosäure als nächstes hinzugefügt werden soll, während es die Informationen in der RNA liest. Wenn eine Kette von Aminosäuren gebildet wird, nimmt sie eine bestimmte räumliche Form an und wird zu einem Protein, das die ihm zugewiesenen enzymatischen, aufbauenden, hormonellen und anderen Funktionen erfüllen kann.

Protein ist für jeden lebenden Organismus das Produkt eines Gens. Es sind Proteine, die die verschiedenen Eigenschaften, Qualitäten und äußeren Erscheinungsformen von Genen bestimmen.

Der Geburtsplan eines Menschen ist fertig, wenn die Fortpflanzungszellen von Mutter und Vater zu einer Einheit verschmelzen. Diese Formation wird Zygote oder befruchtete Eizelle genannt. Der eigentliche Plan für die Entwicklung des Organismus ist im DNA-Molekül enthalten, das sich im Zellkern dieser einzelnen Zelle befindet. Darin sind Haarfarbe, Körpergröße, Nasenform und alles andere, was einen Menschen individuell macht, kodiert.

Natürlich hängt das Schicksal eines Menschen nicht nur vom Molekül ab, sondern auch von vielen anderen Faktoren. Aber auch die bei der Geburt angelegten Gene beeinflussen maßgeblich den Schicksalsweg. Und sie stellen eine Folge von Nukleotiden dar.

Bei jeder Zellteilung verdoppelt sich die DNA. Daher trägt jede Zelle Informationen über die Struktur des gesamten Organismus. Es ist, als ob beim Bau eines Backsteingebäudes jeder Ziegelstein einen architektonischen Plan für die gesamte Struktur hätte. Sie betrachten nur einen Ziegelstein und wissen bereits, zu welcher Gebäudestruktur er gehört.

Die wahre Struktur des DNA-Moleküls wurde erstmals 1962 vom britischen Biologen John Gurdon nachgewiesen. Er entnahm einem Froschdarm einen Zellkern und verpflanzte ihn mit mikrochirurgischen Techniken in ein Froschei. Darüber hinaus wurde in diesem Ei zuvor der eigene Kern durch ultraviolette Strahlung abgetötet.

Aus dem Hybridei wuchs ein normaler Frosch. Darüber hinaus war es absolut identisch mit dem, dessen Zellkern entnommen wurde. Dies markierte den Beginn der Ära des Klonens. Und das erste erfolgreiche Ergebnis des Klonens bei Säugetieren war Dolly, das Schaf. Sie lebte 6 Jahre und starb dann.

Allerdings schafft auch die Natur selbst Doppelgänger. Dies geschieht, wenn nach der ersten Teilung der Zygote zwei neue Zellen nicht zusammenbleiben, sondern sich auseinander bewegen und jede ihren eigenen Organismus hervorbringt. So entstehen eineiige Zwillinge. Ihre DNA-Moleküle sind genau gleich, weshalb Zwillinge sich so ähnlich sind.

Im Aussehen ähnelt DNA einer Strickleiter, die zu einer rechtsdrehenden Spirale gedreht ist. Und es besteht aus Polymerketten, die jeweils aus 4 Arten von Einheiten bestehen: Adenin (A), Guanin (G), Thymin (T) und Cytosin (C).

In ihrer Abfolge ist das genetische Programm eines jeden lebenden Organismus enthalten. Die folgende Abbildung zeigt beispielsweise das Nukleotid T. Sein oberer Ring wird als stickstoffhaltige Base bezeichnet, der fünfgliedrige Ring unten ist ein Zucker und auf der linken Seite befindet sich eine Phosphatgruppe.

Die Abbildung zeigt ein Thyminnukleotid, das Teil der DNA ist. Die restlichen 3 Nukleotide haben eine ähnliche Struktur, unterscheiden sich jedoch in ihrer stickstoffhaltigen Base. Der obere rechte Ring ist eine stickstoffhaltige Basis. Der untere Fünfring ist Zucker. Linke Gruppe PO – Phosphat

Abmessungen eines DNA-Moleküls

Der Durchmesser der Doppelhelix beträgt 2 nm (nm ist ein Nanometer, gleich 10 -9 Meter). Der Abstand zwischen benachbarten Basenpaaren entlang der Helix beträgt 0,34 nm. Die Doppelhelix macht alle 10 Paare eine volle Umdrehung. Die Länge hängt jedoch vom Organismus ab, zu dem das Molekül gehört. Die einfachsten Viren haben nur ein paar tausend Links. Bakterien haben mehrere Millionen davon. Und höhere Organismen haben Milliarden davon.

Wenn man die gesamte in einer menschlichen Zelle enthaltene DNA in eine Linie streckt, erhält man einen Faden von etwa 2 m Länge. Dies zeigt, dass die Länge des Fadens milliardenfach größer ist als seine Dicke. Um sich die Größe eines DNA-Moleküls besser vorstellen zu können, können Sie sich vorstellen, dass es 4 cm dick ist. Ein solcher Faden, der einer menschlichen Zelle entnommen wurde, kann den Globus entlang des Äquators umrunden. In diesem Maßstab entspricht ein Mensch der Größe der Erde und der Zellkern wächst auf die Größe eines Stadions.

Ist das Modell von Watson und Crick korrekt?

Betrachtet man die Struktur des DNA-Moleküls, stellt sich die Frage, wie es sich bei seiner enormen Länge im Zellkern befindet. Es muss so liegen, dass es auf seiner gesamten Länge für die RNA-Polymerase zugänglich ist, die die gewünschten Gene liest.

Wie erfolgt die Replikation? Schließlich müssen sich nach der Verdoppelung die beiden komplementären Ketten trennen. Dies ist recht schwierig, da die Ketten zunächst spiralförmig verdreht sind.

Solche Fragen ließen zunächst Zweifel an der Gültigkeit des Modells von Watson und Crick aufkommen. Doch dieses Modell war zu spezifisch und reizte die Fachwelt lediglich mit seiner Unverletzlichkeit. Deshalb beeilten sich alle, nach Fehlern und Widersprüchen zu suchen.

Einige Experten gingen davon aus, dass, wenn das unglückliche Molekül aus zwei Polymerketten besteht, die durch schwache nichtkovalente Bindungen verbunden sind, diese beim Erhitzen der Lösung auseinanderlaufen sollten, was experimentell leicht überprüft werden kann.

Die zweiten Spezialisten interessierten sich für stickstoffhaltige Basen, die untereinander Wasserstoffbrückenbindungen bilden. Dies kann durch Messung der Spektren des Moleküls im Infrarotbereich überprüft werden.

Wieder andere dachten, wenn tatsächlich stickstoffhaltige Basen in der Doppelhelix verborgen wären, dann könnte man herausfinden, ob das Molekül von jenen Substanzen beeinflusst wird, die nur mit diesen verborgenen Gruppen reagieren können.

Es wurden viele Experimente durchgeführt und Ende der 50er Jahre des 20. Jahrhunderts wurde klar, dass das von Watson und Crick vorgeschlagene Modell alle Tests bestanden hatte. Versuche, dies zu widerlegen, scheiterten.