डीएनए। सूचना और भंडारण की प्रक्रिया के लिए तंत्र। भाग I

बहुत से लोग DNA शब्द का उपयोग करते हैं। लेकिन सामान्य रूप से यह कैसे काम करता है (जीवविज्ञानियों के लिए समझ में नहीं आता) का वर्णन करने वाले लगभग कोई लेख नहीं हैं। मैंने पहले ही सामान्य शब्दों में सेल की संरचना और इसकी ऊर्जा प्रक्रियाओं की बहुत नींव का वर्णन किया है । अब डीएनए पर चलते हैं।
डीएनए स्टोर जानकारी। सभी जानते हैं कि लेकिन यहाँ है कि वह यह कैसे करती है?

चलो शुरू करते हैं जहां यह सेल में संग्रहीत होता है। लगभग 98% कोर में संग्रहित है। बाकी माइटोकॉन्ड्रिया और क्लोरोप्लास्ट में है (इन लोगों में प्रकाश संश्लेषण होता है)। डीएनए एक विशाल बहुलक है जो मोनोमर इकाइयों से बना है। यह कुछ इस तरह दिखता है।



हम यहाँ क्या देखते हैं? सबसे पहले, डीएनए एक डबल-असहाय अणु है। यह इतना महत्वपूर्ण क्यों है - थोड़ी देर बाद। अगला हम नीले पेंटागन देखते हैं। ये डीऑक्सी राइबोस (ऐसी चीनी, थोड़ी कम ग्लूकोज) के अणु होते हैं। यह एक ओएच समूह की अनुपस्थिति से राइबोज से भिन्न होता है, जो आरएनए के विपरीत, डीएनए अणु को स्थिरता देता है, जो राइबोज का उपयोग करता है। अगला, सादगी के लिए मैं डीऑक्सी उपसर्ग को छोड़ देगा और मैं सिर्फ राइबोज कहूंगा। छानबीन करने वाले कामरेड हमें माफ कर देंगे)। छोटे घेरे - फॉस्फोरिक एसिड के अवशेष। खैर, वास्तव में नाइट्रोजनस आधार हैं। उनमें से 5 हैं, लेकिन वे ज्यादातर डीएनए 4 में पाए जाते हैं। ये एडेनिन, गुआनिन, टिमिन और साइटोसिन हैं। यही है, एक रिबोस है जिसके साथ एक नाइट्रोजनस आधार जुड़ा हुआ है। साथ में वे तथाकथित न्यूक्लियोसाइड बनाते हैं, जो फॉस्फोरिक एसिड के अवशेषों का उपयोग करके एक दूसरे से बंधते हैं। इस प्रकार हमें एक लंबी श्रृंखला मिलती है जिसमें मोनोमर्स होते हैं। अब बढ़े हुए बाएँ श्रृंखला को देखें। सी और जी को तीन धराशायी लाइनों से जोड़ा गया है, और टी और ए को दो से जोड़ा गया है। इसका क्या मतलब है? हां, डीएनए में दो स्ट्रैंड हैं, लेकिन उन्हें एक साथ क्या रखा जाता है? हाइड्रोजन बॉन्ड जैसी कोई चीज होती है। यह कुछ इस तरह दिखता है। ऑक्सीजन (O) और नाइट्रोजन (N) परमाणुओं पर आंशिक ऋणात्मक आवेश बनता है और हाइड्रोजन (H) पर धनात्मक आवेश होता है। यह कमजोर बांड के गठन की ओर जाता है।



कनेक्शन वास्तव में बहुत कमजोर हैं। उनकी ऊर्जा सहसंयोजक बंधों की ऊर्जा से 200 गुना कम हो सकती है (वे इलेक्ट्रॉन बादलों की एक जोड़ी के ओवरलैप के कारण बनते हैं, उदाहरण के लिए, एक सीओ 2 अणु में एक बंधन)। हालांकि, ऐसे कई संबंध हैं। हमारी प्रत्येक कोशिका में, डीएनए श्रृंखला लगभग 16 बिलियन कमजोर बंधनों से जुड़ी होती है, थोड़ी नहीं, सहमत हैं?

लेकिन आधारों के बीच कनेक्शन की संख्या पर वापस। साइटोसिन और गुआनिन तीन बंधों से जुड़े होते हैं, और एडेनिन और टिमिन दो होते हैं। यह इस तथ्य की ओर जाता है कि जी और सी ए और टी की तुलना में बहुत अधिक मजबूती से जुड़े हुए हैं। कुछ जीवों को डीएनए बांड की विशेष स्थिरता की आवश्यकता होती है, उदाहरण के लिए, उच्च तापमान पर रहना। गर्म होने पर, अधिक HC जोड़े वाले डीएनए अधिक स्थिर होते हैं। इसलिए आप गीज़र में रहना चाहते हैं - बहुत सारे HZ जोड़े हैं। हालांकि हाल के अध्ययनों का कहना है कि जीसी रचना (सभी जोड़े के% एचसी जोड़े) और निवास के तापमान के बीच कोई स्पष्ट संबंध नहीं है। यह कहने योग्य है कि वह बहुत भिन्न होता है। तो कैंडैटस कार्सोनेला रुडी पीवी (इंट्रासेल्युलर एंडोसिमबियोन्ट) में, यह लगभग 16% है, हमारे पास लगभग 41% है, और एनारोमीक्सोबैक्टीर के (एक जीवाणु जो आकार में काफी मध्यम है) यह 75% तक पहुंच जाता है।

यहां आप जीवाणु जीनोम के आकार के साथ जीसी रचना के संबंध देख सकते हैं। एमबी एक मिलियन जोड़ी न्यूक्लियोटाइड है। सूचक काफी परिवर्तनशील है। वैसे, विभिन्न प्रकार के क्लासिफायर को पढ़ाने के दौरान इसका उपयोग अक्सर एक सुविधा के रूप में किया जाता है। मैंने स्वयं हाल ही में कच्ची अनुक्रमण डेटा के आधार पर रोगजनकों को पहचानने के लिए एक क्लासिफायरियर लिखा था, और यह पता चला कि जीसी रचना का उपयोग एक ही रिड के लिए भी किया जा सकता है।



मैं अभी तक नहीं भूल पाया। यह क्यों महत्वपूर्ण है कि डीएनए दोतरफा है? एक श्रृंखला के आधार पर, आप दूसरे को पुनर्स्थापित कर सकते हैं। यदि एडेनिन-एडेनिन-साइटोसिन अनुक्रम के विपरीत एक टुकड़ा एक श्रृंखला में क्षतिग्रस्त हो जाता है, तो हम यह सुनिश्चित करने के लिए जानते हैं कि क्षति से पहले टमिन-टिमिन-गुआनिन था। इस प्रकार, दूसरे सर्किट की उपस्थिति सूचना के अधिक विश्वसनीय भंडारण की अनुमति देती है।

कूल! अब वापस डीएनए अणु में ही। यह 4 प्रकार के लिंक की एक श्रृंखला है। हालाँकि, कब तक? कैंडैटस कार्सोनेला रूडी पीवी में ऊपर वर्णित केवल 160,000 न्यूक्लियोटाइड हैं। आपके और मेरे पास 3.2 बिलियन है (एक अगुणित कोशिका में, जो कि क्रोमोसोम के एक सेट के साथ है। हमारी अधिकांश कोशिकाएं दो हैं)। यह बहुत सही लगता है? वास्तव में नहीं। एक एकल कोशिका वाले अमीबा (अमीबा डबिया) में, लगभग 670 बिलियन न्यूक्लियोटाइड जोड़े होते हैं। यह एक असीम रूप से लंबी श्रृंखला प्रतीत होती है, तो आइए आकार को हमारे पसंदीदा मीटर में तब्दील करें। यदि हमारे सभी गुणसूत्र (उनमें से 46, मत भूलना; 23 दो प्रतियाँ प्रत्येक) एक पंक्ति में विस्तारित और फैली हुई हैं, हमें लगभग 2-मीटर श्रृंखला मिलती है। एक अमीबा का डीएनए एक फुटबॉल स्टेडियम को घेरने के लिए पर्याप्त है। लेकिन मैं किसका नेतृत्व कर रहा हूं? जिस कोर में डीएनए संग्रहीत है, वह बहुत बड़ा नहीं है। हमारे पास औसतन 6 माइक्रोन के व्यास के साथ है। बहुत ज्यादा नहीं है, अगर आप 2 मीटर धागा रोल करना चाहते हैं, तो बहुत पतला है। और आपको केवल धागे को कोर में धकेलने की ज़रूरत नहीं है। पतन करना आवश्यक है ताकि किसी भी समय इसके किसी भी हिस्से तक पहुंच प्रदान करना संभव हो सके। कार्य कठिन है। और विशेष प्रोटीन सफलतापूर्वक इसके साथ सामना करते हैं। वे सर्पिल और छोरों की एक श्रृंखला बनाते हैं जो पैकेजिंग के उच्च स्तर को प्रदान करते हैं और डीएनए को गॉर्डियन गाँठ में उलझने की अनुमति नहीं देते हैं। आइए बात करते हैं कि यह कैसे पैक किया जाता है।

मुझे कहना होगा, यह बहुत अलग तरीकों से पैक किया गया है। लेकिन अगर आप विदेशी को छोड़ देते हैं, तो दो तरीके हैं। पहला बैक्टीरिया की विशेषता है, दूसरा यूकेरियोट्स (या अन्यथा परमाणु)।

बैक्टीरिया में डीएनए पैकेजिंग

आइए अपने छोटे भाइयों के साथ शुरू करें। न्यूक्लियोटाइड के 1 से 5 मिलियन जोड़े औसतन बैक्टीरिया में बहुत बड़ा जीनोम नहीं होता है। उनके और हमारे बीच सबसे विशिष्ट अंतर यह है कि उनके पास एक नाभिक नहीं है और डीएनए सेल में तैरता है। यह काफी तैरता नहीं है, यह आंशिक रूप से सेल झिल्ली से जुड़ा होता है और इसे फोल्ड भी किया जाता है, लेकिन हमारे जितना नहीं।

दूसरा वाला। बैक्टीरियल डीएनए सबसे अधिक बार गोलाकार होता है। इसलिए इसे कॉपी करना आसान है (ऐसे कोई छोर नहीं हैं जो कॉपी करते समय खो सकते हैं और आपको सिरों को बचाने के लिए तंत्र के साथ आने की आवश्यकता नहीं है)। आमतौर पर इस तरह की एक अंगूठी होती है, लेकिन कुछ बैक्टीरिया में 2 या 3 हो सकते हैं। यहां तक ​​कि कम रिंग (एक हजार से कुछ सौ से दो हजार अवशेष) भी होते हैं। उनका एक प्लास्मिड नाम होता है, और यह पूरी तरह से एक और कहानी है।



डीएनए पैकेज पर वापस जाएं। डीएनए हिस्टोन प्रोटीन से भरा होता है (हिस्टोन जैसे प्रोटीन भी होते हैं)। डीएनए डीऑक्सीराइबोन्यूक्लिक एसिड है। एसिड । इसका मतलब है कि यह नकारात्मक रूप से चार्ज किया जाता है (फॉस्फोरिक एसिड अवशेषों के कारण)। इसलिए, इसे बांधने वाले प्रोटीन सकारात्मक रूप से चार्ज होते हैं। इस तरह, वे डीएनए से बंध सकते हैं। बैक्टीरियल डीएनए अपने पैकेजिंग प्रोटीन के साथ मिलकर एक न्यूक्लियॉइड बनाता है, जिसका 80% द्रव्यमान डीएनए है। यह कुछ इस तरह दिखता है। यही है, रिंग डीएनए को न्यूक्लियोटाइड के 40 हजार जोड़े के डोमेन में विभाजित किया गया है। फिर एक घुमा है। डोमेन के अंदर ट्विस्टिंग भी होती है, लेकिन इसकी डिग्री अलग-अलग डोमेन में भिन्न होती है। औसतन, बैक्टीरिया डीएनए की पैकेजिंग की डिग्री सौ से हजार बार तक भिन्न होती है।



अभी भी एक अच्छा वीडियो है ।

यूकेरियोट्स में डीएनए पैकेजिंग

यहां सब कुछ बहुत दिलचस्प है। हमारा डीएनए अच्छी तरह से भरा हुआ है और नाभिक के अंदर छिपा हुआ है। और यह बैक्टीरिया की तुलना में बहुत अधिक कुशलता से पैक किया जाता है। माइटोसिस (कोशिका विभाजन) के दौरान, 22 वें गुणसूत्र का आकार 2 माइक्रोन है। यदि यह असंगठित और बाहर निकाला जाता है, तो यह पहले से ही 1.5 सेमी होगा। जो 10,000 बार पैकेजिंग की डिग्री से मेल खाती है। यह हमारे डीएनए की पैकेजिंग की अधिकतम डिग्री के बारे में है। विभाजन के दौरान, आपको बेटी कोशिकाओं के बीच प्रभावी रूप से विभाजित करने के लिए जितना संभव हो उतना डीएनए पैक करने की आवश्यकता है। रोजमर्रा की जिंदगी में, संघनन की डिग्री लगभग 500 गुना है। बहुत ज्यादा डीएनए पढ़ना मुश्किल है।

यूकेरियोटिक डीएनए पैकेजिंग के कई स्तर हैं

पहला न्यूक्लियोसोम स्तर है। 8 हिस्टोन प्रोटीन एक कण बनाते हैं जिस पर डीएनए घाव होता है। फिर दूसरा प्रोटीन उसे ठीक करता है। यह कुछ इस तरह दिखता है।




यह एक प्रकार की मणियाँ निकलती है। इसके कारण, पैकिंग घनत्व 7-10 गुना बढ़ जाता है। इसके बाद, न्यूक्लियोसोम को फाइब्रिल में पैक किया जाता है। अचार जैसा थोड़ा सा। यहां पैकेजिंग की कुल डिग्री 60 गुना तक पहुंच सकती है।



डीएनए संघनन का अगला चरण क्रोमोमार्स नामक लूप जैसी संरचनाओं के निर्माण से जुड़ा हुआ है। फिब्रिल को नाइट्रोजनस बेस के 10 - 80 हजार जोड़े के वर्गों में विभाजित किया गया है। टूटने वाली जगहों पर गैर-हिस्टोन प्रोटीन के ग्लोब्यूल्स होते हैं। डीएनए-बाध्यकारी प्रोटीन गैर-हिस्टोन प्रोटीन के ग्लोब्यूल्स को पहचानते हैं और उन्हें एक साथ लाते हैं। लूप का मुंह बनता है। औसत लूप की लंबाई में लगभग 50 हजार आधार शामिल हैं। इस संरचना को इंटरपेज़ क्रोमोनम कहा जाता है। और यह उस में है कि हमारा डीएनए अधिकांश समय में स्थित है। यहां पैकेजिंग का स्तर 500-1500 गुना तक पहुंच जाता है।

यदि आवश्यक हो, तो कोशिका आनुवंशिक सामग्री को और अधिक संकुचित कर सकती है। क्रोमोमेरिक तंतुओं के बड़े छोरों का निर्माण। ये लूप बदले में नए लूप बनाते हैं (लूप्स इन लूप्स ... और यह बुनाई नहीं है)। जो अंततः एक गुणसूत्र बनाते हैं।

सामान्य तौर पर, पैकेजिंग प्रक्रिया को निम्नानुसार वर्णित किया जा सकता है।



नतीजतन, डीएनए स्ट्रैंड से, हम विभाजन पर, सुपरकोल्ड संरचनाओं को प्राप्त करते हैं जो एक माइक्रोस्कोप के तहत देखे जा सकते हैं। हम उन्हें गुणसूत्र कहते हैं।



क्रोमोसोम के पदार्थ को ही क्रोमैटिन कहा जाता है। और इसकी पैकेजिंग की डिग्री गुणसूत्र साइट के आधार पर भिन्न होती है। यूक्रोमैटिन और हेटरोक्रोमैटिन है। यूक्रोमैटिन क्रोमेटिन का एक अधिक अशुद्ध क्षेत्र है, इसमें डीएनए क्रोमोमेरिक स्तर (500 से 1000 टन पैकेजिंग) पर है। यहां जानकारी का एक सक्रिय पढ़ना है। उदाहरण के लिए, यदि कोई कोशिका अब सक्रिय रूप से प्रोटीन ए को संश्लेषित कर रही है, तो डीएनए का क्षेत्र जो इसे एनकोड करता है, वह यूक्रोमैटिन की स्थिति में होगा ताकि डीएनए पढ़ने वाले एंजाइम उस तक पहुंच सकें। हेटेरोक्रोमैटिन में डीएनए का वह हिस्सा होता है, जिसकी सेल को वास्तव में आवश्यकता नहीं होती है। यही है, डीएनए को यथासंभव कसकर पैक किया जाता है ताकि आपके पैरों के नीचे न हो। सेल की जरूरतों के आधार पर, क्रोमैटिन के कुछ क्षेत्र आंशिक रूप से अनियंत्रित हो सकते हैं, जबकि अन्य इंटरव्यू हो सकते हैं। इस प्रकार, विनियमन भी किया जाता है (एक बहुत मोटा अनुमान), क्योंकि कोई एक मुड़ क्षेत्र तक नहीं पहुंच सकता है, और इसलिए पढ़ा नहीं जा सकता है।

दरअसल, अभी के लिए बस इतना ही। हमने चर्चा की कि भंडारण माध्यम कैसे संग्रहीत किया जाता है। हम एक छोटा ब्रेक लेंगे और एक दो दिनों में हम सूचनाओं की कोडिंग के बारे में बात करेंगे।