DNR (dezoksiribonukleorūgštis) yra viena iš svarbiausių gyvosios medžiagos komponentų. Per jį vykdomas paveldimos informacijos išsaugojimas ir perdavimas iš kartos į kartą su kintamumo galimybe tam tikrose ribose. Visų gyvai sistemai būtinų b altymų sintezė būtų neįmanoma be DNR matricos. Toliau apžvelgsime DNR struktūrą, formavimąsi, pagrindinį funkcionavimą ir vaidmenį b altymų biosintezėje.
DNR molekulės struktūra
Deoksiribonukleorūgštis yra makromolekulė, susidedanti iš dviejų grandžių. Jos struktūrą sudaro keli organizavimo lygiai.
Pirminė DNR grandinės struktūra yra nukleotidų seka, kurių kiekvienoje yra viena iš keturių azoto bazių: adeninas, guaninas, citozinas arba timinas. Grandinės susidaro, kai vieno nukleotido dezoksiribozės cukrus susijungia su kito nukleotido fosfato liekana. Šis procesas vykdomas dalyvaujant b altymui-katalizatoriui - DNR ligazei
- Antrinė DNR struktūra yra vadinamoji dviguba spiralė (tiksliau, dvigubas sraigtas). Pagrindai yra pajėgūsjungiasi vienas su kitu taip: adeninas ir timinas sudaro dvigubą vandenilio jungtį, o guaninas ir citozinas – trigubą. Ši savybė grindžiama bazinio papildomumo principu, pagal kurį grandinės yra sujungtos viena su kita. Tokiu atveju įvyksta spiralinis (dažniau dešinysis) dvigubos grandinės sukimas.
- Tretinė struktūra yra sudėtinga didžiulės molekulės konformacija, kuri susidaro per papildomus vandenilio ryšius.
- Ketvirtinė struktūra susidaro kartu su specifiniais b altymais ir RNR ir tokiu būdu DNR supakuojama ląstelės branduolyje.
DNR funkcijos
Panagrinėkime DNR vaidmenį gyvose sistemose. Šis biopolimeras yra matrica, kurioje yra įvairių b altymų struktūros, organizmui reikalingos RNR, taip pat įvairių reguliavimo vietų. Apskritai, visi šie komponentai sudaro genetinę kūno programą.
Per DNR biosintezę genetinė programa perduodama kitoms kartoms, užtikrinant gyvybiškai svarbios informacijos paveldimumą. DNR gali mutuoti, dėl to atsiranda vienos biologinės rūšies gyvų organizmų kintamumas ir dėl to galimas natūralios atrankos ir gyvų sistemų evoliucijos procesas.
Lytinio dauginimosi metu organizmo palikuonio DNR susidaro sujungus tėvo ir motinos paveldimą informaciją. Sujungus, yra įvairių variantų, o tai taip pat prisideda prie kintamumo.
Kaip atkuriama genetinė programa
Dėl komplementarios struktūros galimas DNR molekulės savaiminis matricos atkūrimas. Tokiu atveju jame esanti informacija yra nukopijuota. Molekulės dubliavimasis, kad susidarytų dvi dukterinės „dvigubos spiralės“, vadinamas DNR replikacija. Tai sudėtingas procesas, apimantis daug komponentų. Tačiau su tam tikru supaprastinimu ją galima pavaizduoti kaip diagramą.
Replikaciją tam tikrose DNR srityse inicijuoja specialus fermentų kompleksas. Tuo pačiu metu dviguba grandinė išsivynioja, sudarydama replikacijos šakutę, kurioje vyksta DNR biosintezės procesas – kiekvienoje grandinėje kaupiasi papildomos nukleotidų sekos.
Replikacijos komplekso ypatybės
Replikacija taip pat vyksta dalyvaujant sudėtingam fermentų rinkiniui – replisomoms, kuriose pagrindinį vaidmenį atlieka DNR polimerazė.
Viena iš DNR biosintezės grandinių yra lyderė ir nuolat formuojasi. Atsiliekančios grandinės susidarymas vyksta prijungus trumpas sekas – Okazaki fragmentus. Šie fragmentai surišami naudojant DNR ligazę. Toks procesas vadinamas pusiau tęstiniu. Be to, jis apibūdinamas kaip pusiau konservatyvus, nes kiekvienoje naujai suformuotoje molekulėje viena iš grandinių yra pagrindinė, o antroji yra dukterinė.
DNR replikacija yra vienas iš pagrindinių ląstelių dalijimosi žingsnių. Šiuo procesu grindžiamas paveldimos informacijos perdavimas naujajai kartai, taip pat organizmo augimas.
Kas yra b altymai
B altymai yrasvarbiausias funkcinis elementas visų gyvų organizmų ląstelėse. Jie atlieka katalizinę, struktūrinę, reguliavimo, signalizavimo, apsauginę ir daugybę kitų funkcijų.
B altymų molekulė yra biopolimeras, sudarytas iš aminorūgščių liekanų sekos. Jai, kaip ir nukleorūgščių molekulėms, būdingi keli struktūrinės struktūros lygiai – nuo pirminio iki ketvirtinio.
Yra 20 skirtingų (kanoninių) aminorūgščių, kurias gyvos sistemos naudoja daugybei b altymų susidaryti. Paprastai b altymai nėra sintetinami savaime. Pagrindinis vaidmuo formuojant sudėtingą b altymo molekulę tenka nukleino rūgštims – DNR ir RNR.
Genetinio kodo esmė
Taigi, DNR yra informacinė matrica, kurioje saugoma informacija apie b altymus, reikalingus organizmui augti ir gyventi. B altymai yra sudaryti iš aminorūgščių, DNR (ir RNR) iš nukleotidų. Tam tikros DNR molekulės nukleotidų sekos atitinka tam tikras tam tikrų b altymų aminorūgščių sekas.
Ląstelėje yra 20 rūšių b altymų struktūrinių vienetų – kanoninių aminorūgščių, o DNR – 4 tipų nukleotidai. Taigi kiekviena aminorūgštis DNR matricoje įrašyta kaip trijų nukleotidų derinys – tripletas, kurio pagrindiniai komponentai yra azoto bazės. Šis atitikimo principas vadinamas genetiniu kodu, o baziniai tripletai kodonais. Genas yrakodonų seka, kurioje yra b altymo įrašas ir kai kurie bazių paslaugų deriniai – pradžios kodonas, stabdymo kodonas ir kiti.
Kai kurios genetinio kodo savybės
Genetinis kodas yra beveik universalus – su labai retomis išimtimis, jis yra vienodas visuose organizmuose – nuo bakterijų iki žmonių. Tai liudija, pirma, visų gyvybės formų Žemėje santykį, antra, paties kodo senumą. Tikriausiai ankstyvosiose primityviosios gyvybės egzistavimo stadijose gana greitai susiformavo skirtingos kodo versijos, tačiau tik viena gavo evoliucinį pranašumą.
Be to, jis yra specifinis (nedviprasmiškas): skirtingos aminorūgštys nėra užkoduotos to paties tripleto. Taip pat genetiniam kodui būdingas išsigimimas arba perteklius – tą pačią aminorūgštį gali atitikti keli kodonai.
Genetinis įrašas skaitomas nuolat; skyrybos ženklų funkcijas atlieka ir bazių trejetai. Paprastai genetiniame „tekste“nėra sutampančių įrašų, tačiau čia taip pat yra išimčių.
DNR funkciniai vienetai
Visos organizmo genetinės medžiagos visuma vadinama genomu. Taigi, DNR yra genomo nešėja. Genomo sudėtis apima ne tik struktūrinius genus, koduojančius tam tikrus b altymus. Didelėje DNR dalyje yra skirtingų funkcinių tikslų regionų.
Taigi, DNR yra:
- reguliavimosekos, koduojančios specifines RNR, pvz., genetinius jungiklius ir struktūrinių genų ekspresijos reguliatorius;
- elementai, reguliuojantys transkripcijos procesą – pradinis b altymų biosintezės etapas;
- pseudogenai yra savotiški „iškastiniai genai“, kurie dėl mutacijų prarado gebėjimą koduoti b altymą arba būti transkribuoti;
- mobilieji genetiniai elementai – sritys, kurios gali judėti genome, pvz., transpozonai („šokantys genai“);
- telomerai yra specialūs regionai chromosomų galuose, kurių dėka chromosomų DNR yra apsaugota nuo sutrumpėjimo su kiekvienu replikacijos įvykiu.
DNR dalyvavimas b altymų biosintezėje
DNR gali sudaryti stabilią struktūrą, kurios pagrindinis elementas yra komplementarus azoto bazių junginys. Dviguba DNR grandinė, pirma, užtikrina visišką molekulės atkūrimą ir, antra, atskirų DNR sekcijų nuskaitymą b altymų sintezės metu. Šis procesas vadinamas transkripcija.
Transkripcijos metu DNR dalis, kurioje yra tam tikras genas, yra nesusukama, o vienoje iš grandinių – šabloninėje – RNR molekulė susintetinama kaip antrosios grandinės, vadinamos koduojančia, kopija. Ši sintezė taip pat pagrįsta bazių savybe sudaryti vienas kitą papildančias poras. Sintezėje dalyvauja nekoduojantys, aptarnaujantys DNR regionai ir fermentas RNR polimerazė. RNR jau yra b altymų sintezės šablonas, o DNR tolimesniame procese nedalyvauja.
Atvirkštinė transkripcija
Ilgą laiką buvo manoma, kad matricagenetinės informacijos kopijavimas gali vykti tik viena kryptimi: DNR → RNR → b altymas. Ši schema buvo vadinama pagrindine molekulinės biologijos dogma. Tačiau atliekant tyrimus buvo nustatyta, kad kai kuriais atvejais galima kopijuoti iš RNR į DNR – tai vadinamoji atvirkštinė transkripcija.
Genetinę medžiagą iš RNR perkelti į DNR būdinga retrovirusams. Tipiškas tokių RNR turinčių virusų atstovas yra žmogaus imunodeficito virusas. Viruso genomo integravimas į užkrėstos ląstelės DNR vyksta dalyvaujant specialiam fermentui - atvirkštinei transkriptazei (revertazei), kuri veikia kaip DNR biosintezės katalizatorius RNR šablone. Revertazė taip pat yra viruso dalelės dalis. Naujai suformuota molekulė integruojama į ląstelės DNR, kur ji gamina naujas virusines daleles.
Kas yra žmogaus DNR
Žmogaus DNR, esanti ląstelės branduolyje, yra supakuota į 23 poras chromosomų ir turi apie 3,1 milijardo suporuotų nukleotidų. Be branduolinės DNR, žmogaus ląstelėse, kaip ir kituose eukariotiniuose organizmuose, yra mitochondrijų DNR – mitochondrijų ląstelių organelių paveldimumo veiksnio.
Branduolinę DNR koduojantys genai (jų yra nuo 20 iki 25 tūkst.) sudaro tik nedidelę žmogaus genomo dalį – apie 1,5 proc. Likusi DNR dalis anksčiau buvo vadinama „šiukšle“, tačiau daugybė tyrimų atskleidžia reikšmingą nekoduojančių genomo sričių, kurios buvo aptartos aukščiau, vaidmenį. Taip pat nepaprastai svarbu ištirti procesusatvirkštinė transkripcija žmogaus DNR.
Mokslas jau suformavo gana aiškų supratimą apie tai, kas yra žmogaus DNR struktūrine ir funkcine prasme, tačiau tolesnis mokslininkų darbas šioje srityje atneš naujų atradimų ir naujų biomedicinos technologijų.
