Banyak orang menggunakan istilah DNA. Tetapi hampir tidak ada artikel yang menggambarkan secara normal cara kerjanya (tidak dapat dimengerti oleh ahli biologi). Secara umum saya telah menjelaskan
struktur sel dan dasar dari
proses energinya . Sekarang mari kita beralih ke DNA.
DNA menyimpan informasi. Semua orang tahu itu. Tapi di sini adalah bagaimana dia melakukannya?
Mari kita mulai dengan tempat itu disimpan di dalam sel. Sekitar 98% disimpan di inti. Sisanya ada di mitokondria dan kloroplas (fotosintesis terjadi pada orang-orang ini). DNA adalah polimer besar yang terdiri dari unit monomer. Itu terlihat seperti ini.
Apa yang kita lihat di sini? Pertama, DNA adalah molekul beruntai ganda. Mengapa ini sangat penting - sedikit kemudian. Selanjutnya kita melihat pentagon biru. Ini adalah molekul
deoksi ribosa (gula seperti itu, sedikit lebih sedikit glukosa. Ini berbeda dari ribosa dengan tidak adanya satu kelompok OH, yang memberikan stabilitas pada molekul DNA, tidak seperti RNA, yang menggunakan ribosa. Selanjutnya, untuk kesederhanaan saya akan menghilangkan awalan deoksi dan saya hanya akan mengatakan ribosa, ya kawan-kawan yang teliti akan memaafkan kita). Lingkaran kecil - sisa-sisa asam fosfat. Sebenarnya ada basa nitrogen. Ada 5 dari mereka, tetapi mereka sebagian besar ditemukan dalam DNA 4. Ini adalah Adenine, Guanine, Timin, dan Sitosin. Yaitu, ada ribosa yang terkait dengan basa nitrogen. Bersama-sama mereka membentuk apa yang disebut nukleosida, yang saling mengikat menggunakan residu asam fosfat. Dengan demikian kita mendapatkan rantai panjang yang terdiri dari monomer. Sekarang lihat rantai kiri yang diperbesar. Lihat C dan G dihubungkan oleh tiga garis putus-putus, dan T dan A oleh dua. Apa artinya ini? Ya, DNA memiliki dua untai, tetapi apa yang mengikat mereka? Ada yang namanya ikatan hidrogen. Itu terlihat seperti ini. Muatan negatif parsial terbentuk pada atom oksigen (O) dan nitrogen (N), dan muatan positif pada hidrogen (H). Ini mengarah pada pembentukan ikatan lemah.
Koneksinya sangat lemah. Energi mereka bisa 200 kali lebih rendah daripada energi ikatan kovalen (mereka terbentuk karena tumpang tindih sepasang awan elektron, misalnya, ikatan dalam molekul CO2). Namun, ada banyak ikatan seperti itu. Di setiap sel kita, rantai DNA dihubungkan oleh hampir 16 miliar ikatan lemah, tidak sedikit, setuju?
Namun kembali ke jumlah koneksi antar pangkalan. Sitosin dan Guanin dihubungkan oleh tiga ikatan, dan Adenine dan Timin adalah dua. Ini mengarah pada fakta bahwa G dan C terhubung jauh lebih kuat daripada A dan T. Beberapa organisme memerlukan stabilitas khusus ikatan DNA, misalnya, hidup pada suhu tinggi. Saat dipanaskan, DNA yang mengandung lebih banyak pasangan HC lebih stabil. Jadi, Anda ingin tinggal di geyser - memiliki banyak pasangan HZ. Meskipun penelitian terbaru mengatakan bahwa tidak ada hubungan yang jelas antara komposisi GC (% HC pasangan semua pasangan) dan suhu habitat. Perlu dikatakan bahwa dia sangat bervariasi. Jadi dalam Candidatus Carsonella ruddii PV (endosymbiont intraseluler), sekitar 16%, kami memiliki hampir 41%, dan dalam Anaeromyxobacter K (bakteri yang berukuran sedang) ukurannya mencapai 75%.
Di sini Anda dapat melihat hubungan komposisi GC dengan ukuran genom bakteri. Mb adalah sejuta pasang nukleotida. Indikatornya cukup bervariasi. Omong-omong, itu sering digunakan sebagai fitur ketika mengajar berbagai jenis pengklasifikasi. Saya sendiri baru-baru ini menulis sebuah classifier untuk mengenali patogen berdasarkan data sekuensing mentah, dan ternyata komposisi GC dapat digunakan bahkan untuk satu ryd.
Saya belum lupa. Mengapa penting bahwa DNA beruntai ganda? Berdasarkan satu rantai, Anda dapat memulihkan yang lain. Jika bagian yang berlawanan dengan urutan Adenine-Adenine-Sitosin rusak dalam satu rantai, maka kita tahu pasti bahwa sebelum kerusakan ada Timin-Timin-Guanin. Dengan demikian, keberadaan sirkuit kedua memungkinkan penyimpanan informasi yang lebih andal.
Keren! Sekarang kembali ke molekul DNA itu sendiri. Ini adalah rantai dari 4 jenis tautan. Namun berapa lama? Candidatus Carsonella ruddii PV hanya memiliki 160.000 nukleotida seperti yang disebutkan di atas. Anda dan saya memiliki 3,2 miliar (dalam sel haploid, yaitu, dengan satu set kromosom. Sebagian besar sel kita memiliki dua). Sepertinya banyak, kan? Tidak juga. Dalam amuba bersel tunggal (Amoeba dubia), ia memiliki sekitar 670 miliar pasangan nukleotida. Tampaknya ini adalah rantai yang panjang tak terhingga, jadi mari kita terjemahkan ukurannya menjadi meter favorit kita. Jika semua kromosom kita (46 di antaranya, jangan lupa; masing-masing 23 salinan) diperluas dan diregangkan dalam satu baris, kita mendapatkan rantai 2 meter. DNA satu amuba sudah cukup untuk mengelilingi stadion sepakbola. Tapi apa yang saya tuju? Inti penyimpanan DNA tidak terlalu besar. Kami memilikinya rata-rata dengan diameter 6 mikron. Tidak terlalu banyak, jika Anda ingin menggulung benang sepanjang 2 meter, meskipun sangat tipis. Dan Anda tidak perlu hanya mendorong utas ke inti. Perlu untuk runtuh sehingga setiap saat dimungkinkan untuk memberikan akses ke bagian mana pun dari itu. Tugasnya sulit. Dan protein khusus berhasil mengatasinya. Mereka menciptakan serangkaian spiral dan loop yang memberikan tingkat pengemasan yang semakin tinggi dan tidak memungkinkan DNA tersangkut di simpul Gordian. Mari kita bicara tentang bagaimana itu dikemas.
Saya harus mengatakan, itu dikemas dengan cara yang sangat berbeda. Tetapi jika Anda membuang yang eksotis, maka ada dua cara. Yang pertama adalah karakteristik bakteri, yang kedua dari eukariota (atau nuklir).
Pengemasan DNA pada bakteri
Mari kita mulai dengan saudara-saudara kita yang lebih kecil. Bakteri sendiri tidak memiliki genom yang sangat besar, rata-rata dari 1 hingga 5 juta pasang nukleotida. Perbedaan paling khas antara mereka dan kami adalah bahwa mereka tidak memiliki nukleus dan DNA mengapung di dalam sel. Itu tidak cukup berenang, sebagian melekat pada membran sel dan juga terlipat, tetapi tidak sebanyak milik kita.
Yang kedua. DNA bakteri paling sering berbentuk lingkaran. Jadi lebih mudah untuk menyalin (tidak ada ujung yang bisa hilang saat menyalin dan Anda tidak perlu menemukan mekanisme untuk menyimpan ujungnya). Biasanya cincin seperti itu adalah satu, tetapi beberapa bakteri mungkin memiliki 2 atau 3. Bahkan ada lebih sedikit cincin (dari beberapa ribu hingga beberapa ratus ribu residu). Mereka memiliki nama plasmid, dan ini adalah cerita lain sama sekali.
Kembali ke paket DNA. DNA dikemas dengan protein histon (ada juga protein yang menyerupai histon). DNA adalah asam deoksiribonukleat.
Asam Ini berarti bahwa itu bermuatan negatif (karena residu asam fosfat). Oleh karena itu, protein yang mengikatnya bermuatan positif. Dengan cara ini, mereka dapat berikatan dengan DNA. DNA bakteri bersama dengan protein pembungkusnya membentuk nukleoid, dengan 80% massanya merupakan DNA. Itu terlihat seperti ini. Artinya, DNA cincin dibagi menjadi domain 40 ribu pasang nukleotida. Lalu ada yang memutar. Memutar juga terjadi di dalam domain, tetapi tingkatannya berbeda di domain yang berbeda. Rata-rata, tingkat pengemasan DNA bakteri bervariasi dari seratus hingga seribu kali.
Masih ada
video keren .
Kemasan DNA dalam eukariota
Semuanya jauh lebih menarik di sini. DNA kami dikemas dengan baik dan tersembunyi di dalam nukleus. Dan itu jauh lebih efisien dikemas daripada bakteri. Selama mitosis (pembelahan sel), ukuran kromosom ke-22 adalah 2 mikron. Jika tidak terurai dan ditarik keluar, ukurannya sudah 1,5 cm, yang sesuai dengan tingkat pengemasan sebanyak 10.000 kali. Ini tentang tingkat maksimum pengemasan DNA kita. Selama pembelahan, Anda perlu mengemas DNA sebanyak mungkin untuk membaginya secara efektif di antara sel anak. Dalam kehidupan sehari-hari, tingkat pemadatan sekitar 500 kali. Terlalu banyak DNA sulit dibaca.
Ada beberapa tingkat kemasan DNA eukariotik
Yang pertama adalah tingkat nukleosom. 8 protein histon membentuk partikel di mana DNA terluka. Kemudian protein lain memperbaikinya. Itu terlihat seperti ini.
Ternyata semacam manik-manik. Karena ini, kepadatan pengepakan meningkat 7-10 kali. Selanjutnya, nukleosom dikemas ke dalam fibril. Agak seperti acar. Di sini total derajat kemasan bisa mencapai 60 kali.
Tahap selanjutnya dari pemadatan DNA dikaitkan dengan pembentukan struktur seperti lingkaran yang disebut kromomer. Fibril dibagi menjadi beberapa bagian dari 10 - 80 ribu pasangan basa nitrogen. Di situs rinciannya adalah gumpalan protein non-histone. Protein pengikat DNA mengenali butiran protein non-histone dan menyatukannya. Mulut loop terbentuk. Panjang lingkaran rata-rata mencakup sekitar 50 ribu basis. Struktur ini disebut interphase chromoneme. Dan di sanalah DNA kita berada hampir sepanjang waktu. Level pengemasan di sini mencapai 500-1500 kali.
Jika perlu, sel selanjutnya dapat memadatkan bahan genetik. Pembentukan loop yang lebih besar dari fibril kromomerik. Loop ini pada gilirannya membentuk loop baru (loop menjadi loop ... dan ini bukan rajutan). Yang akhirnya membentuk kromosom.
Secara umum, proses pengemasan dapat digambarkan sebagai berikut.
Sebagai akibatnya, dari untai DNA kami memperoleh, setelah pembelahan, struktur superkoil yang dapat dilihat di bawah mikroskop. Kami menyebutnya kromosom.
Zat kromosom itu sendiri disebut kromatin. Dan tingkat kemasannya berbeda tergantung pada situs kromosom. Ada euchromatin dan heterochromatin. Euchromatin adalah daerah yang agak tidak bersih dari kromatin, di dalamnya DNA berada pada tingkat kromomer (kemasan 500 hingga 1.000 kali lipat). Berikut ini adalah pembacaan informasi secara aktif. Misalnya, jika sel secara aktif mensintesis protein A sekarang, maka wilayah DNA yang mengkodekannya akan berada dalam keadaan euchromatin sehingga enzim yang membaca DNA dapat mencapainya. Heterochromatin mengandung bagian DNA yang tidak dibutuhkan sel saat ini. Artinya, DNA dikemas sekencang mungkin agar tidak sampai di bawah kaki Anda. Bergantung pada kebutuhan sel, beberapa daerah chromatin mungkin terurai sebagian, sementara yang lain mungkin terjalin. Dengan demikian, peraturan juga dilakukan (perkiraan yang sangat kasar), karena seseorang tidak dapat mencapai wilayah yang bengkok, dan karena itu tidak dapat dibaca.
Sebenarnya, itu saja untuk saat ini. Kami membahas bagaimana media penyimpanan disimpan. Kami akan beristirahat sejenak dan dalam beberapa hari kami akan berbicara tentang pengkodean informasi.