Viele Menschen verwenden den Begriff DNA. Es gibt jedoch fast keine Artikel, die normal beschreiben, wie es funktioniert (für Biologen nicht verständlich). Ich habe bereits allgemein die
Struktur der Zelle und die Grundlagen ihrer
Energieprozesse beschrieben . Kommen wir nun zur DNA.
DNA speichert Informationen. Das weiĂź jeder. Aber so macht sie das?
Beginnen wir damit, wo es in der Zelle gespeichert ist. Ungefähr 98% sind im Kern gespeichert. Der Rest ist in Mitochondrien und Chloroplasten (Photosynthese findet bei diesen Jungs statt). DNA ist ein riesiges Polymer, das aus Monomereinheiten besteht. Es sieht ungefähr so ​​aus.
Was sehen wir hier? Erstens ist DNA ein doppelsträngiges Molekül. Warum ist es so wichtig - etwas später. Als nächstes sehen wir die blauen Pentagone. Dies sind
Desoxy- Ribose-Moleküle (wie Zucker, etwas weniger Glucose. Er unterscheidet sich von Ribose durch das Fehlen einer OH-Gruppe, die dem DNA-Molekül Stabilität verleiht, im Gegensatz zu RNA, in der Ribose verwendet wird. Als nächstes werde ich der Einfachheit halber das Desoxy-Präfix weglassen und nur Ribose sagen, ja gewissenhafte Kameraden werden uns vergeben). Kleine Kreise - die Reste der Phosphorsäure. Nun, tatsächlich gibt es stickstoffhaltige Basen. Es gibt 5 von ihnen, aber sie kommen hauptsächlich in DNA 4 vor. Dies sind Adenin, Guanin, Timin und Cytosin. Das heißt, es gibt eine Ribose, mit der eine stickstoffhaltige Base assoziiert ist. Zusammen bilden sie die sogenannten Nukleoside, die über Phosphorsäurereste aneinander binden. So erhalten wir eine lange Kette bestehend aus Monomeren. Schauen Sie sich nun die vergrößerte linke Kette an. Siehe C und G, die durch drei gestrichelte Linien verbunden sind, und T und A durch zwei. Was bedeutet das? Ja, DNA hat zwei Stränge, aber was hält sie zusammen? Es gibt so etwas wie eine Wasserstoffbrücke. Es sieht ungefähr so ​​aus. Eine teilweise negative Ladung wird an Sauerstoff (O) - und Stickstoff (N) -Atomen und eine positive Ladung an Wasserstoff (H) gebildet. Dies führt zur Bildung schwacher Bindungen.
Die Verbindungen sind wirklich sehr schwach. Ihre Energie kann 200-mal niedriger sein als die Energie kovalenter Bindungen (sie entstehen durch die Ăśberlappung eines Elektronenwolkenpaares, beispielsweise einer Bindung in einem CO2-MolekĂĽl). Es gibt jedoch viele solche Bindungen. In jeder unserer Zellen sind DNA-Ketten durch fast 16 Milliarden schwache Bindungen verbunden, nicht wenig, stimmen Sie zu?
Aber zurück zur Anzahl der Verbindungen zwischen den Basen. Cytosin und Guanin sind durch drei Bindungen verbunden, und Adenin und Timin sind zwei. Dies führt dazu, dass G und C viel stärker miteinander verbunden sind als A und T. Einige Organismen benötigen eine besondere Stabilität der DNA-Bindungen, beispielsweise wenn sie bei hohen Temperaturen leben. Beim Erhitzen ist DNA, die mehr HC-Paare enthält, stabiler. Sie möchten also in einem Geysir leben - haben viele HZ-Paare. Obwohl neuere Studien sagen, dass es keinen klaren Zusammenhang zwischen der GC-Zusammensetzung (% HC-Paare aller Paare) und der Lebensraumtemperatur gibt. Es ist erwähnenswert, dass er sehr unterschiedlich ist. In Candidatus Carsonella ruddii PV (intrazellulärer Endosymbiont) sind es also ungefähr 16%, wir haben fast 41% und in Anaeromyxobacter K (einem ziemlich mittelgroßen Bakterium) erreichen sie 75%.
Hier sehen Sie die Beziehung der GC-Zusammensetzung zur Größe des Bakteriengenoms. Mb ist eine Million Paare von Nukleotiden. Der Indikator ist sehr variabel. Übrigens wird es oft als Merkmal beim Unterrichten verschiedener Arten von Klassifikatoren verwendet. Ich selbst habe kürzlich einen Klassifikator zum Erkennen von Krankheitserregern basierend auf rohen Sequenzierungsdaten geschrieben, und es stellte sich heraus, dass die GC-Zusammensetzung auch für einen Ryd verwendet werden kann.
Ich habe es noch nicht vergessen. Warum ist es wichtig, dass DNA doppelsträngig ist? Basierend auf einer Kette können Sie eine andere wiederherstellen. Wenn in einer Kette ein Stück gegenüber der Adenin-Adenin-Cytosin-Sequenz beschädigt ist, dann wissen wir sicher, dass es vor dem Schaden Timin-Timin-Guanin gab. Somit ermöglicht das Vorhandensein der zweiten Schaltung eine zuverlässigere Speicherung von Informationen.
Cool! Nun zurück zum DNA-Molekül selbst. Dies ist eine Kette von 4 Arten von Gliedern. Wie lange jedoch? Candidatus Carsonella ruddii PV hat wie oben erwähnt nur 160.000 Nukleotide. Sie und ich haben 3,2 Milliarden (in einer haploiden Zelle, dh mit einem Chromosomensatz. Die meisten unserer Zellen haben zwei). Es scheint viel zu sein, oder? Nicht wirklich. In einer einzelligen Amöbe (Amoeba dubia) hat sie etwa 670 Milliarden Nukleotidpaare. Es scheint eine unendlich lange Kette zu sein, also lassen Sie uns die Größe in unsere Lieblingsmeter übersetzen. Wenn alle unsere Chromosomen (es gibt 46 davon, vergessen Sie nicht; 23 je zwei Kopien) in einer Linie eingesetzt und erweitert werden, erhalten Sie eine Kette von etwa 2 Metern. Die DNA einer Amöbe reicht aus, um ein Fußballstadion zu umkreisen. Aber wohin führe ich? Der Kern, in dem die DNA gespeichert ist, ist nicht sehr groß. Wir haben es im Durchschnitt mit einem Durchmesser von 6 Mikrometern. Nicht sehr viel, wenn Sie einen 2-Meter-Faden rollen möchten, wenn auch sehr dünn. Und Sie müssen nicht nur den Faden in den Kern drücken. Es ist notwendig, zusammenzufallen, damit jederzeit Zugang zu einem beliebigen Teil davon gewährt werden kann. Die Aufgabe ist schwierig. Und spezialisierte Proteine ​​kommen damit erfolgreich zurecht. Sie bilden eine Reihe von Spiralen und Schleifen, die ein immer höheres Maß an Verpackung bieten und es nicht ermöglichen, dass sich DNA im gordischen Knoten verheddert. Lassen Sie uns darüber sprechen, wie es verpackt ist.
Ich muss sagen, es ist sehr unterschiedlich verpackt. Aber wenn Sie das Exotische wegwerfen, gibt es zwei Möglichkeiten. Das erste ist charakteristisch für Bakterien, das zweite für Eukaryoten (oder auf andere Weise nuklear).
DNA-Verpackung in Bakterien
Beginnen wir mit unseren kleineren BrĂĽdern. Bakterien selbst haben kein sehr groĂźes Genom, durchschnittlich 1 bis 5 Millionen Nukleotidpaare. Der charakteristischste Unterschied zwischen ihnen und uns ist, dass sie keinen Kern haben und DNA in der Zelle schwimmt. Es schwimmt nicht ganz, es ist teilweise an der Zellmembran befestigt und auch gefaltet, aber nicht so stark wie bei uns.
Der zweite. Bakterien-DNA ist meistens zirkulär. So ist das Kopieren einfacher (es gibt keine Enden, die beim Kopieren verloren gehen können, und Sie müssen keine Mechanismen zum Speichern der Enden entwickeln). Normalerweise ist ein solcher Ring einer, aber einige Bakterien können 2 oder 3 haben. Es gibt noch weniger Ringe (von ein paar Tausend bis ein paar Hunderttausend Resten). Ihr Name ist ein Plasmid, und dies ist eine ganz andere Geschichte.
Zurück zum DNA-Paket. DNA ist mit Histonproteinen gefüllt (es gibt auch Histon-ähnliche Proteine). DNA ist Desoxyribonukleinsäure.
Säure . Dies bedeutet, dass es negativ geladen ist (aufgrund von Phosphorsäureresten). Daher sind die Proteine, die es binden, positiv geladen. Auf diese Weise können sie an DNA binden. Bakterielle DNA bildet zusammen mit ihren Verpackungsproteinen ein Nukleoid, wobei 80% ihrer Masse DNA ist. Es sieht ungefähr so ​​aus. Das heißt, Ring-DNA ist in Domänen von 40.000 Paaren von Nukleotiden unterteilt. Dann gibt es eine Verdrehung. Das Verdrehen tritt auch innerhalb der Domänen auf, aber sein Grad unterscheidet sich in verschiedenen Domänen. Im Durchschnitt variiert der Verpackungsgrad von bakterieller DNA zwischen dem Hundert- und Tausendfachen.
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DNA-Verpackung in Eukaryoten
Hier ist alles viel interessanter. Unsere DNA ist gut verpackt und im Kern versteckt. Und es ist viel effizienter verpackt als Bakterien. Während der Mitose (Zellteilung) beträgt die Größe des 22. Chromosoms 2 Mikrometer. Wenn es entwirrt und herausgezogen wird, beträgt es bereits 1,5 cm. Dies entspricht dem 10.000-fachen Verpackungsgrad. Dies ist ungefähr der maximale Verpackungsgrad unserer DNA. Während der Teilung müssen Sie die DNA so weit wie möglich verpacken, um sie effektiv zwischen den Tochterzellen aufzuteilen. Im Alltag beträgt der Verdichtungsgrad etwa das 500-fache. Zu viel DNA ist schwer zu lesen.
Es gibt verschiedene Ebenen der eukaryotischen DNA-Verpackung
Das erste ist das Nukleosomenniveau. 8 Histonproteine ​​bilden ein Partikel, auf das DNA gewickelt ist. Dann repariert es ein anderes Protein. Es sieht ungefähr so ​​aus.
Es stellt sich eine Art Perlen heraus. Aufgrund dessen erhöht sich die Packungsdichte um das 7-10-fache. Als nächstes werden die Nukleosomen in Fibrillen gepackt. Ein bisschen wie eine Gurke. Hier kann der Gesamtverpackungsgrad das 60-fache erreichen.
Die nächste Stufe der DNA-Verdichtung ist mit der Bildung von schleifenartigen Strukturen verbunden, die als Chromomere bezeichnet werden. Die Fibrille ist in Abschnitte von 10 bis 80 Tausend Paaren stickstoffhaltiger Basen unterteilt. An den Abbauorten befinden sich Kügelchen mit Nicht-Histon-Proteinen. DNA-bindende Proteine ​​erkennen Kügelchen von Nicht-Histon-Proteinen und bringen sie zusammen. Der Mund der Schleife wird gebildet. Die durchschnittliche Schleifenlänge umfasst ungefähr 50.000 Basen. Diese Struktur wird als Interphasen-Chromonem bezeichnet. Und darin befindet sich unsere DNA die meiste Zeit. Das Verpackungsniveau erreicht hier 500-1500 mal.
Bei Bedarf kann die Zelle das genetische Material weiter verdichten. Die Bildung größerer Schleifen chromomerer Fibrillen. Diese Loops bilden wiederum neue Loops (Loops in Loops ... und dies ist kein Stricken). Welche bilden letztendlich ein Chromosom.
Im Allgemeinen kann der Verpackungsprozess wie folgt beschrieben werden.
Als Ergebnis erhalten wir aus DNA-Strängen bei Teilung supergewickelte Strukturen, die unter einem Mikroskop sichtbar sind. Wir nennen sie Chromosomen.
Die Substanz der Chromosomen selbst heißt Chromatin. Und der Grad der Verpackung ist je nach Chromosomenstelle unterschiedlich. Es gibt Euchromatin und Heterochromatin. Euchromatin ist eine eher ungereinigte Region des Chromatins, in der sich die DNA auf chromomerem Niveau befindet (500- bis 1000-fache Verpackung). Hier ist ein aktives Lesen von Informationen. Wenn beispielsweise eine Zelle jetzt aktiv Protein A synthetisiert, befindet sich die DNA-Region, die es codiert, in einem Zustand von Euchromatin, so dass Enzyme, die DNA lesen, es erreichen können. Heterochromatin enthält den Teil der DNA, den die Zelle jetzt nicht wirklich benötigt. Das heißt, die DNA ist so dicht wie möglich gepackt, um nicht unter Ihre Füße zu gelangen. Abhängig von den Bedürfnissen der Zelle können sich einige Regionen des Chromatins teilweise auflösen, während andere sich verweben können. Somit wird auch eine Regulierung durchgeführt (eine sehr grobe Annäherung), da man einen verdrillten Bereich nicht erreichen kann und daher nicht gelesen werden kann.
Eigentlich ist das alles fĂĽr jetzt. Wir haben diskutiert, wie das Speichermedium gespeichert wird. Wir machen eine kurze Pause und werden in ein paar Tagen ĂĽber die Kodierung von Informationen sprechen.