ORGANISASI STRUKTURAL DAN FUNGSIONAL MATERI GENETIK

4.2 Sifat DNA sebagai substansi hereditas dan variabilitas

4.2.3 Perubahan urutan nukleotida DNA.

4.2.4 Unit dasar variabilitas materi genetik. Mouton. pengintaian

4.2.6 Mekanisme yang mengurangi efek buruk dari mutasi gen

4.3 Penggunaan informasi genetik dalam proses kehidupan

4.3.2 Fitur organisasi dan ekspresi informasi genetik pada pro dan eukariota

1. Keturunan dan keragaman adalah sifat dasar makhluk hidup

Kehidupan sebagai fenomena khusus dicirikan oleh durasi keberadaan dalam waktu (berasal dari Bumi lebih dari 3,5 miliar tahun yang lalu), yang dijamin oleh kelangsungan generasi sistem kehidupan. Ada perubahan generasi sel dalam tubuh, perubahan generasi organisme dalam populasi, perubahan spesies dalam sistem biocenosis, perubahan biocenosis yang membentuk biosfer. Kemampuan sistem kehidupan untuk mereproduksi diri terletak pada dasar keberadaan kehidupan yang berkelanjutan dalam waktu. Pelestarian kehidupan dalam kondisi yang berubah dimungkinkan karena evolusi bentuk kehidupan, di mana mereka memiliki perubahan yang memberikan adaptasi ke lingkungan baru. Kesinambungan keberadaan dan perkembangan historis dari alam yang hidup disebabkan oleh dua sifat dasar kehidupan: hereditas dan variabilitas.

Dalam kursus pelatihan, sifat-sifat hereditas dan variabilitas secara tradisional dipertimbangkan dalam kaitannya dengan sel dan organisme. Bahkan, mereka juga memanifestasikan dirinya pada tingkat supraorganisme. Pada tingkat organisasi makhluk hidup seluler dan organisme (ontogenetik), hereditas dipahami sebagai properti sel atau organisme dalam proses reproduksi diri untuk mentransfer ke generasi baru kemampuan untuk jenis metabolisme dan perkembangan individu tertentu, di mana mereka membentuk fitur dan sifat umum dari jenis sel dan jenis organisme tertentu, serta beberapa karakteristik individu orang tua. Pada tingkat populasi-spesies organisasi kehidupan, hereditas memanifestasikan dirinya dalam mempertahankan rasio konstan berbagai bentuk genetik dalam sejumlah generasi organisme dari populasi (spesies) tertentu. Pada tingkat biocenotic, kelangsungan biocenosis dipastikan dengan pelestarian rasio tertentu dari spesies organisme yang membentuk biocenosis ini.

Dalam perjalanan kemunculan dan perkembangan kehidupan di Bumi, hereditas memainkan peran yang menentukan, karena ia mengkonsolidasikan perolehan evolusioner yang berguna secara biologis dalam beberapa generasi, memastikan konservatisme tertentu dalam organisasi sistem kehidupan. Keturunan adalah salah satu faktor utama evolusi.

Keberadaan alam yang terus hidup dalam waktu dengan latar belakang perubahan kondisi tidak mungkin terjadi jika sistem kehidupan tidak memiliki kemampuan untuk memperoleh dan mempertahankan perubahan tertentu yang berguna dalam kondisi lingkungan baru. Properti sistem kehidupan untuk memperoleh perubahan dan ada dalam varian yang berbeda disebut variabilitas.

Dalam sel individu dan organisme dari spesies yang sama, variabilitas, yang memengaruhi perkembangan individu mereka, memanifestasikan dirinya dalam penampilan perbedaan di antara mereka. Pada tingkat populasi-spesies organisasi kehidupan, sifat ini dimanifestasikan dengan adanya perbedaan genetik antara populasi individu suatu spesies, yang mendasari pembentukan spesies baru. Munculnya spesies baru memperkenalkan perubahan dalam hubungan interspesifik dalam biocenosis. Dalam arti tertentu, variabilitas mencerminkan dinamisme organisasi sistem kehidupan dan, bersama dengan keturunan, merupakan faktor utama dalam evolusi. Terlepas dari kenyataan bahwa, menurut hasil mereka, hereditas dan variabilitas bersifat multi arah, di alam yang hidup kedua sifat dasar ini membentuk satu kesatuan yang tidak terpisahkan, yang secara bersamaan memastikan pelestarian kualitas-kualitas biologis yang ada dalam proses evolusi dan munculnya yang baru yang memungkinkan kehidupan dalam berbagai kondisi.

2. Sejarah pembentukan ide-ide tentang organisasi substrat material hereditas dan variabilitas

Keturunan dan variabilitas, sebagai sifat terpenting dari setiap sistem kehidupan, dipastikan oleh berfungsinya substrat material khusus. Dalam perjalanan sejarah perkembangan ilmu biologi, gagasan tentang sifat, organisasi, dan sifat kimianya terus berkembang dan menjadi lebih kompleks.

Pada tahun 60-an. abad ke-19 pendiri genetika (ilmu hereditas dan variabilitas) G. Mendel (1865) membuat asumsi pertama tentang organisasi materi herediter. Berdasarkan hasil eksperimennya pada kacang polong, ia sampai pada kesimpulan bahwa materi herediter bersifat diskrit, yaitu. diwakili oleh kecenderungan turun-temurun individu yang bertanggung jawab untuk pengembangan karakteristik tertentu dari organisme. Menurut Mendel, dalam materi herediter organisme yang bereproduksi secara seksual, perkembangan satu sifat disediakan oleh sepasang kecenderungan alel yang datang dengan sel germinal dari kedua orang tua. Selama pembentukan gamet, hanya satu dari sepasang kecenderungan alel yang memasuki masing-masing, oleh karena itu gamet selalu "murni". Pada tahun 1909 V Johansen menyebut gen "kecenderungan turun-temurun" Mendel.

80-an abad ke-19 ditandai oleh pencapaian penting di bidang sitologi: mitosis dan meiosis dijelaskan - pembelahan sel somatik dan germinal, masing-masing, di mana struktur nuklir - kromosom - didistribusikan secara alami di antara sel anak (V. Voldeyer, 1888).

Data tentang sifat distribusi kromosom dalam proses pembelahan sel dimungkinkan pada awal abad ke-20. Boveri (1902-1907) dan W. Setgon (1902-1903) menyimpulkan bahwa kontinuitas sifat dalam sejumlah generasi sel dan organisme ditentukan oleh kontinuitas kromosomnya. Kromosom mulai dianggap sebagai pembawa materi program turun-temurun.

Pengembangan lebih lanjut dari teori kromosom hereditas, yang menggabungkan ide-ide tentang kecenderungan herediter dan kromosom, dilakukan pada awal abad ke-20. T. Morgan dan rekan-rekannya. Dalam percobaan yang dilakukan pada Drosophila, asumsi yang dinyatakan sebelumnya tentang peran kromosom dalam memastikan hereditas dikonfirmasi. Telah ditetapkan bahwa gen terletak di kromosom, terletak di dalamnya dalam urutan linier. Gen dari setiap kromosom membentuk kelompok pertautan, yang jumlahnya ditentukan oleh jumlah kromosom dalam sel germinal. Gen dari kelompok pertalian yang sama diwarisi, sebagai suatu peraturan, bersama-sama. Namun, dalam beberapa kasus, rekombinasi mereka terjadi karena pindah silang, yang frekuensinya tergantung pada jarak antar gen.

Jadi, salah satu prinsip genetika yang paling penting, kesatuan diskrit dan kontinuitas materi keturunan, tercermin dalam teori kromosom.

Perlu dicatat bahwa juga pada awal abad XX. fakta ditemukan yang membuktikan adanya dalam sel bahan herediter ekstrakromosomal yang terletak di berbagai struktur sitoplasma dan menentukan hereditas sitoplasma khusus (K. Korrens, 1908).

Sekitar waktu yang sama, X. de Vries (1901) meletakkan dasar bagi teori variabilitas mutasi yang terkait dengan perubahan mendadak dalam kecenderungan turun-temurun atau kromosom, yang mengarah pada perubahan tanda-tanda tertentu dari organisme. Pada tahun-tahun berikutnya, efek mutagenik pada kromosom dan gen sinar-X, radiasi, bahan kimia tertentu dan agen biologis ditemukan.

Sebagai hasil dari studi ini, menjadi jelas bahwa hereditas dan variabilitas disebabkan oleh fungsi substrat material yang sama.

Pada dekade pertama abad XX. data diperoleh yang bersaksi mendukung ketergantungan keadaan sifat pada sifat interaksi gen, yang melampaui hubungan dominasi dan resesif yang dijelaskan oleh Mendel. Dari sinilah muncul gagasan tentang peralatan genetik sebagai sistem gen yang berinteraksi - genotipe, yang terkonsentrasi dalam set kromosom - kariotipe.

Studi tentang komposisi kimia kromosom mengungkapkan dua jenis senyawa utama yang membentuk struktur ini - protein dan asam nukleat. Pada paruh pertama abad XX. peneliti memecahkan pertanyaan tentang sifat kimia substrat hereditas dan variabilitas. Awalnya, saran dibuat untuk protein. Pada tahun 1928, F Griffith membuat percobaan pada pneumokokus, di mana perubahan (transformasi) dari beberapa sifat turun-temurun dari satu strain bakteri diamati di bawah pengaruh bahan yang diperoleh dari sel-sel yang terbunuh dari strain lain. Sifat kimia zat yang mengubah sifat turun-temurun bakteri baru ditetapkan pada tahun 1944. O. Avery, yang membuktikan bahwa itu milik asam nukleat (DNA).

Bukti lain untuk keterlibatan DNA dalam memastikan hereditas dan variabilitas adalah:

1) keteguhan kandungan DNA di semua jenis sel somatik tubuh;

2) korespondensi konten DNA dengan ploidi sel (dalam sel somatik dua kali lebih banyak dari pada sel germinal, dalam sel poliploid itu sesuai dengan jumlah set kromosom);

3) fenomena rekombinasi genetik pada bakteri selama konjugasinya, di mana sebagian DNA menembus dari satu sel ke sel lain dan mengubah sifat-sifat yang terakhir;

4) mengubah sifat herediter sel bakteri dengan mentransfer DNA dari satu strain ke strain lain dengan bantuan fag DNA - fenomena transduksi;

5) aktivitas infeksi dari asam nukleat yang diisolasi dari virus.

Hasil penting dari studi asam nukleat yang bertujuan adalah penciptaan oleh J. Watson dan F. Crick (1953) dari model spasial molekul DNA.

Pada paruh kedua abad XX. upaya para ilmuwan ditujukan untuk mempelajari sifat-sifat asam nukleat yang menjadi dasar fungsi genetiknya, cara merekam dan membaca informasi herediter, sifat dan struktur kode genetik, mekanisme pengaturan aktivitas gen dalam proses pembentukan sifat-sifat individu dan fenotipe secara keseluruhan. Pada tahun 60-an. karya M. Nirenberg, S. Ochoa, X. Korana dan lain-lain membuat decoding lengkap kode genetik, menetapkan korespondensi triplet nukleotida dalam molekul asam nukleat untuk asam amino tertentu. Pada tahun 70-an. Metode rekayasa genetika mulai dikembangkan secara aktif, yang memungkinkan untuk secara sengaja mengubah sifat turun-temurun dari organisme hidup.

Pada akhir abad ke-20, berkat teknologi genetika molekuler baru, menjadi mungkin untuk menentukan urutan nukleotida dalam molekul DNA genom berbagai organisme (membaca teks DNA). Teks DNA genom manusia, diwakili oleh total 3 miliar pasangan basa, sebagian besar dibaca pada tahun 2001. Arah ilmiah dan praktis biologi molekuler, yang bertujuan untuk menentukan urutan nukleotida molekul DNA, disebut genomik.

3. Sifat umum materi genetik dan tingkat organisasi perangkat genetik

Berdasarkan definisi hereditas dan variabilitas di atas, kita dapat mengasumsikan persyaratan apa yang harus dipenuhi oleh substrat material dari kedua sifat kehidupan ini.

Pertama, materi genetik harus mampu mereplikasi diri agar dapat dalam proses reproduksi, kirimkan informasi turun-temurun, yang dengannya pembentukan generasi baru akan dilakukan. Kedua, untuk memastikan stabilitas karakteristik dalam beberapa generasi, materi turun-temurun harus menjaga organisasinya tetap konstan. Ketiga, materi hereditas dan variabilitas harus mampu memperoleh perubahan dan mereproduksinya, sehingga memungkinkan perkembangan historis materi hidup dalam kondisi yang berubah. Hanya jika memenuhi persyaratan yang ditentukan, substrat material hereditas dan variabilitas dapat memastikan durasi dan kelangsungan keberadaan alam yang hidup dan evolusinya.

Gagasan modern tentang sifat perangkat genetik memungkinkan untuk membedakan tiga tingkat organisasinya: gen, kromosom, dan genomik. Pada masing-masing dari mereka, sifat-sifat utama bahan hereditas dan variabilitas dan pola-pola tertentu dari transmisi dan fungsinya dimanifestasikan.

4. Tingkat gen organisasi perangkat genetik

Unit fungsional dasar dari aparatus genetik, yang menentukan kemungkinan mengembangkan sifat tertentu dari sel atau organisme dari spesies tertentu, adalah gen (deposit turun-temurun, menurut G. Mendel). Dengan mentransfer gen dalam serangkaian generasi sel atau organisme, kesinambungan materi tercapai - pewarisan sifat induk oleh keturunan.

Tanda dipahami sebagai unit morfologi, fisiologis, biokimia, imunologi, klinis, dan setiap perbedaan organisme (sel), yaitu. kualitas atau properti yang terpisah di mana mereka berbeda satu sama lain.

Sebagian besar fitur organisme atau sel yang tercantum di atas termasuk dalam kategori sifat kompleks, yang pembentukannya memerlukan sintesis banyak zat, terutama protein dengan sifat spesifik - enzim, imunoprotein, struktural, kontraktil, transportasi, dan protein lainnya. Sifat-sifat molekul protein ditentukan oleh urutan asam amino dari rantai polipeptidanya, yang secara langsung ditentukan oleh urutan nukleotida dalam DNA dari gen yang sesuai dan merupakan fitur dasar atau sederhana.

Sifat utama gen sebagai unit fungsional aparatus genetik ditentukan oleh organisasi kimianya,

4.1 Organisasi kimiawi gen

Studi yang bertujuan untuk menjelaskan sifat kimia bahan herediter telah membuktikan tak terbantahkan bahwa substrat bahan hereditas dan variabilitas adalah asam nukleat, yang ditemukan oleh F. Miescher (1868) dalam inti sel nanah. Asam nukleat adalah makromolekul, mis. memiliki berat molekul yang tinggi. Ini adalah polimer yang terdiri dari monomer - nukleotida, termasuk tiga komponen: gula (pentosa), fosfat dan basa nitrogen (purin atau pirimidin). Basa nitrogen (adenin, guanin, sitosin, timin atau urasil) dilekatkan pada atom karbon pertama dalam molekul pentosa C-1, dan sebuah fosfat dilekatkan pada atom karbon kelima C-5 "menggunakan ikatan eter; atom karbon ketiga C-3 "selalu memiliki gugus hidroksil - OH (Gbr. 1).

Sambungan nukleotida menjadi makromolekul asam nukleat terjadi melalui interaksi fosfat dari satu nukleotida dengan hidroksil yang lain sehingga ikatan fosfodiester terbentuk di antara mereka (Gbr. 2). Hasilnya adalah rantai polinukleotida. Tulang punggung rantai terdiri dari molekul fosfat dan gula bergantian. Salah satu basa nitrogen yang tercantum di atas melekat pada molekul pentosa pada posisi C-1 "(Gbr. 3).

Gambar.1. Diagram struktur nukleotida

Lihat teks untuk penjelasan; penunjukan komponen nukleotida yang digunakan dalam gambar ini dipertahankan dalam semua skema asam nukleat berikutnya

Perakitan rantai polinukleotida dilakukan dengan partisipasi enzim polimerase, yang memastikan perlekatan gugus fosfat dari nukleotida berikutnya ke gugus hidroksil pada posisi 3 "dari nukleotida sebelumnya (Gbr. 3.3). Karena mencatat spesifisitas aksi enzim bernama, pertumbuhan rantai polinukleotida hanya terjadi di satu ujung: di sana di mana hidroksil bebas berada di posisi 3". Awal rantai selalu membawa gugus fosfat di posisi 5". Hal ini memungkinkan Anda untuk memilih ujung 5" dan 3" di dalamnya.

Di antara asam nukleat, dua jenis senyawa dibedakan: asam deoksiribonukleat (DNA) dan asam ribonukleat (RNA). Studi tentang komposisi pembawa utama materi herediter - kromosom - menemukan bahwa komponen mereka yang paling stabil secara kimiawi adalah DNA, yang merupakan substrat hereditas dan variabilitas.

4.1.1 Struktur DNA. Model oleh J. Watson dan F. Crick

DNA terdiri dari nukleotida, yang meliputi gula - deoksiribosa, fosfat dan salah satu basa nitrogen - purin (adenin atau guanin) atau pirimidin (timin atau sitosin). Ciri organisasi struktural DNA adalah bahwa molekulnya mencakup dua rantai polinukleotida yang saling berhubungan dengan cara tertentu. Sesuai dengan model DNA tiga dimensi yang diusulkan pada tahun 1953 oleh ahli biofisika Amerika J. Watson dan ahli biofisika dan genetika Inggris F. Crick, rantai ini dihubungkan satu sama lain oleh ikatan hidrogen antara basa nitrogennya sesuai dengan prinsip saling melengkapi. Adenin dari satu rantai dihubungkan oleh dua ikatan hidrogen dengan timin dari rantai lain, dan tiga ikatan hidrogen terbentuk antara guanin dan sitosin dari rantai yang berbeda. Sambungan basa nitrogen semacam itu memberikan hubungan yang kuat antara dua rantai dan mempertahankan jarak yang sama di antara keduanya.

Gbr.4. Diagram struktur molekul DNA. Panah menunjukkan anti-paralelisme target.

Ciri penting lain dari asosiasi dua rantai polinukleotida dalam molekul DNA adalah antiparalelismenya: ujung 5" dari satu rantai terhubung ke ujung 3" rantai lainnya, dan sebaliknya (Gbr. 4).

Data difraksi sinar-X menunjukkan bahwa molekul DNA yang terdiri dari dua untai membentuk heliks yang dipilin pada sumbunya sendiri. Diameter heliks adalah 2 nm, panjang nada adalah 3,4 nm. Setiap belokan berisi 10 pasang nukleotida.

Paling sering, heliks ganda adalah tangan kanan - ketika bergerak di sepanjang sumbu heliks, rantai berbelok ke kanan. Sebagian besar molekul DNA dalam larutan berada di tangan kanan - bentuk B (B-DNA). Namun, ada juga bentuk kidal (Z-DNA). Berapa banyak DNA ini hadir dalam sel dan apa signifikansi biologisnya belum ditetapkan (Gbr. 3.5).

Gbr.5. Model spasial DNA tangan kiri bentuk Z (I) dan tangan kanan bentuk B (II)

Dengan demikian, dalam organisasi struktural molekul DNA, seseorang dapat membedakan struktur primer - rantai polinukleotida, struktur sekunder - dua rantai polinukleotida komplementer dan antiparalel yang dihubungkan oleh ikatan hidrogen, dan struktur tersier - heliks tiga dimensi dengan yang di atas karakteristik spasial.

4.1.2 Metode perekaman informasi genetik dalam molekul DNA. Kode biologis dan sifat-sifatnya

Terutama, semua keragaman kehidupan ditentukan oleh keragaman molekul protein yang melakukan berbagai fungsi biologis dalam sel. Struktur protein ditentukan oleh himpunan dan urutan asam amino dalam rantai peptidanya. Urutan asam amino dalam peptida inilah yang dienkripsi dalam molekul DNA menggunakan kode biologis (genetik). Primitifitas relatif dari struktur DNA, yang mewakili pergantian hanya empat nukleotida yang berbeda, untuk waktu yang lama mencegah para peneliti mempertimbangkan senyawa ini sebagai substrat material hereditas dan variabilitas, di mana informasi yang sangat beragam harus dienkripsi.

Pada tahun 1954 G Gamow menyarankan bahwa pengkodean informasi dalam molekul DNA harus dilakukan dengan kombinasi beberapa nukleotida. Dalam berbagai protein yang ada di alam, sekitar 20 asam amino yang berbeda telah ditemukan. Untuk mengenkripsi jumlah tersebut, hanya kode triplet yang dapat memberikan jumlah kombinasi nukleotida yang cukup, di mana setiap asam amino dienkripsi oleh tiga nukleotida yang berdekatan. Dalam hal ini, 4 3 = 64 kembar tiga terbentuk dari empat nukleotida. Sebuah kode yang terdiri dari dua nukleotida akan memungkinkan untuk mengkodekan hanya 4 2 = 16 asam amino yang berbeda.

Penguraian kode genetik lengkap dilakukan pada tahun 60-an. abad kita. Dari 64 kemungkinan triplet DNA, 61 mengkodekan asam amino yang berbeda; 3 sisanya disebut tidak berarti, atau "kembar tiga yang tidak masuk akal". Mereka tidak mengkodekan asam amino dan bertindak sebagai tanda baca saat membaca informasi turun-temurun. Ini termasuk ATT, ACT, ATC.

Perhatian tertuju pada redundansi kode yang jelas, yang dimanifestasikan dalam kenyataan bahwa banyak asam amino dienkripsi oleh beberapa kembar tiga (Gbr. 6). Sifat kode triplet ini, yang disebut degenerasi, sangat penting, karena terjadinya perubahan struktur molekul DNA dengan jenis penggantian satu nukleotida dalam rantai polinukleotida mungkin tidak mengubah arti dari triplet. Kombinasi baru yang dihasilkan dari tiga nukleotida mengkodekan asam amino yang sama.

Dalam proses mempelajari sifat-sifat kode genetik, kekhususannya ditemukan. Setiap triplet dapat mengkode hanya satu asam amino tertentu. Fakta menarik adalah korespondensi lengkap kode dalam berbagai jenis organisme hidup. Universalitas kode genetik seperti itu membuktikan kesatuan asal mula semua keanekaragaman bentuk kehidupan di Bumi dalam proses evolusi biologis. Perbedaan kecil dalam kode genetik ditemukan dalam DNA mitokondria beberapa spesies. Ini secara umum tidak bertentangan dengan pernyataan tentang universalitas kode, tetapi ini membuktikan adanya perbedaan tertentu dalam evolusinya pada tahap awal keberadaan kehidupan. Menguraikan kode dalam DNA mitokondria dari berbagai spesies menunjukkan bahwa dalam semua kasus, DNA mitokondria memiliki fitur umum: triplet ACT dibaca sebagai ACC, dan oleh karena itu berubah dari triplet yang tidak masuk akal menjadi sandi asam amino triptofan.

Gbr.6. Asam amino dan triplet DNA yang mengkodekannya

Fitur lain khusus untuk spesies organisme yang berbeda. Dalam ragi, triplet GAT, dan mungkin seluruh keluarga GA, mengkodekan treonin alih-alih asam amino leusin. Pada mamalia, triplet TAG memiliki arti yang sama dengan TAC dan mengkode asam amino metionin, bukan isoleusin. Kembar tiga TCH dan TCC dalam DNA mitokondria dari beberapa spesies tidak mengkodekan asam amino, menjadi kembar tiga yang tidak masuk akal. Seiring dengan tripletitas, degenerasi, spesifisitas dan universalitas, karakteristik paling penting dari kode genetik adalah kontinuitas dan kodon yang tidak tumpang tindih selama pembacaan. Ini berarti bahwa urutan nukleotida dibaca tripel demi triplet tanpa celah, sedangkan triplet tetangga tidak saling tumpang tindih, mis. setiap nukleotida individu hanya merupakan bagian dari satu triplet untuk kerangka pembacaan tertentu (Gbr. 3.7). Bukti tidak tumpang tindih kode genetik adalah penggantian hanya satu asam amino dalam peptida ketika mengganti satu nukleotida dalam DNA. Jika nukleotida termasuk dalam beberapa kembar tiga yang tumpang tindih, penggantiannya akan memerlukan penggantian 2-3 asam amino dalam rantai peptida.

Gbr.7. Kontinuitas dan ketidakterbantahan kode genetik saat membaca informasi keturunan.

Nukleotida adalah nukleotida.

4.2 Sifat DNA sebagai zat keturunan dan variabilitas

4.2.1 Reproduksi sendiri dari materi keturunan. replikasi DNA

Salah satu sifat utama bahan hereditas adalah kemampuannya untuk menyalin dirinya sendiri - replikasi. Properti ini disediakan oleh kekhasan organisasi kimia molekul DNA, yang terdiri dari dua untai komplementer. Dalam proses replikasi, rantai komplementer disintesis pada setiap rantai polinukleotida dari molekul DNA induk. Akibatnya, dua heliks ganda identik terbentuk dari satu heliks ganda DNA. Cara penggandaan molekul seperti itu, di mana setiap molekul anak mengandung satu induk dan satu rantai yang baru disintesis, disebut semi-konservatif.

Agar replikasi berlangsung, untai DNA induk harus dipisahkan satu sama lain untuk menjadi cetakan di mana untai komplementer molekul anak akan disintesis.

Inisiasi replikasi dilakukan di daerah khusus DNA, yang ditunjuk ori (dari asal bahasa Inggris - awal). Mereka termasuk urutan 300 bp yang dikenali oleh protein spesifik. Heliks ganda DNA di lokus ini dibagi menjadi dua untai, dan, sebagai aturan, di kedua sisi asal replikasi, area divergensi rantai polinukleotida terbentuk - garpu replikasi yang bergerak berlawanan arah dari lokus ori. Di antara garpu replikasi, sebuah struktur yang disebut mata replikasi terbentuk, di mana rantai polinukleotida baru terbentuk pada dua untai DNA ibu (Gbr. 8, A).

Dengan bantuan enzim helikase, yang memutus ikatan hidrogen, heliks ganda DNA terurai pada titik asal replikasi. Untaian DNA tunggal yang dihasilkan diikat oleh protein destabilisasi khusus yang meregangkan tulang punggung rantai, membuat basa nitrogennya tersedia untuk mengikat nukleotida komplementer yang terletak di nukleoplasma. Pada setiap rantai yang terbentuk di wilayah garpu replikasi, dengan partisipasi enzim DNA polimerase, sintesis rantai komplementer dilakukan (Gbr. 8, B).

Gbr.8. Daerah awal replikasi. garpu replikasi

A. Pembentukan mata replikasi.

B. Daerah garpu replikasi dalam molekul DNA

Selama sintesis, garpu replikasi bergerak di sepanjang heliks induk ke arah yang berlawanan, menangkap zona baru.

Pemisahan untai heliks DNA induk oleh enzim helikase menyebabkan munculnya superkoil di depan garpu replikasi. Hal ini dijelaskan oleh fakta bahwa untuk setiap 10 pasang nukleotida yang membentuk satu putaran heliks, DNA induk harus menyelesaikan satu putaran penuh pada porosnya. Oleh karena itu, untuk memajukan garpu replikasi, seluruh molekul DNA di depannya harus berputar dengan cepat, yang akan membutuhkan pengeluaran energi yang besar. Ini sebenarnya tidak diamati karena kelas protein khusus yang disebut DNA topoisomerase. Topoisomerase memecah salah satu untai DNA, memungkinkannya berputar di sekitar untai kedua. Ini melemahkan akumulasi ketegangan dalam heliks ganda DNA (Gbr. 9).

Nukleotida bebas dari nukleoplasma, di mana mereka hadir dalam bentuk deoksiribonukleosida grifosfat: dATP, dGTP, dCTP, dTTP, bergabung dengan ikatan hidrogen yang dilepaskan dari urutan nukleotida dari rantai induk yang terpisah. Nukleosida trifosfat komplementer membentuk ikatan hidrogen dengan basa spesifik dari untai DNA induk. Kemudian, dengan partisipasi enzim DNA polimerase, ia mengikat dengan ikatan fosfodiester ke nukleotida sebelumnya dari rantai yang baru disintesis, sambil memberikan pirofosfat anorganik (Gbr. 10).

Saat DNA polimerase menambahkan nukleotida berikutnya ke gugus OH pada posisi 3' dari nukleotida sebelumnya, rantai secara bertahap memanjang pada ujung 3'nya.

Fitur DNA polimerase adalah ketidakmampuannya untuk memulai sintesis rantai polinukleotida baru hanya dengan menghubungkan dua nukleosida trifosfat: 3 "-OH-terminus dari setiap rantai polinukleotida yang dipasangkan dengan rantai DNA templat diperlukan, yang hanya dapat dilakukan oleh DNA polimerase. tambahkan nukleotida baru Polinukleotida semacam itu Rantai leotida disebut benih atau primer.

Peran primer untuk sintesis rantai polinukleotida DNA selama replikasi dilakukan oleh urutan RNA pendek yang dibentuk dengan partisipasi enzim RNA primase (Gbr. 11). Fitur DNA polimerase ini berarti bahwa hanya rantai DNA yang membawa primer berpasangan, yang memiliki ujung 3'-OH bebas, yang dapat berfungsi sebagai cetakan untuk replikasi.

Gbr.9. Pemutusan salah satu rantai DNA dengan bantuan enzim DNA topoisomerase: I - DNA topoisomerase membentuk ikatan kovalen dengan salah satu gugus fosfat DNA (rantai atas); II - sebagai akibat pemutusan ikatan fosfodiester dalam satu rantai polinukleotida di sekitar ikatan yang sesuai dari rantai lainnya, rotasi terjadi, yang mengurangi ketegangan yang disebabkan oleh divergensi dua rantai DNA di area garpu replikasi; III - setelah pelepasan ketegangan dalam heliks DNA, pemisahan spontan DNA topoisomerase dan pemulihan ikatan fosfodiester dalam rantai DNA terjadi

Kemampuan DNA polimerase untuk merakit polinukleotida dalam arah dari ujung 5" ke ujung 3" ketika dua untai DNA bergabung secara antiparalel berarti bahwa proses replikasi harus berlangsung secara berbeda pada mereka. Memang, jika pada salah satu matriks (3" → 5") perakitan rantai baru terjadi terus menerus dari ujung 5" ke 3" dan secara bertahap memanjang di ujung 3", maka rantai lainnya disintesis pada matriks. (5" → 3 "), harus tumbuh dari ujung 3" ke ujung 5". Hal ini bertentangan dengan arah kerja enzim DNA polimerase.

Gambar 10. Perlekatan nukleotida berikutnya ke untai anak DNA yang disintesis dengan partisipasi DNA polimerase: FF-pirofosfat

Sekarang telah ditetapkan bahwa sintesis untai kedua DNA dilakukan oleh fragmen pendek (fragmen Okazaki) juga dalam arah dari ujung 5" ke 3" (dengan jenis menjahit "mundur dengan jarum") . Pada prokariota, fragmen Okazaki mengandung 1000 hingga 2000 nukleotida, pada eukariota mereka jauh lebih pendek (dari 100 hingga 200 nukleotida). Sintesis setiap fragmen tersebut didahului oleh pembentukan primer RNA dengan panjang sekitar 10 nukleotida. Fragmen yang baru terbentuk dihubungkan dengan fragmen sebelumnya dengan bantuan enzim DNA ligase setelah pelepasan primer RNA-nya (Gbr. 12, A).

Karena fitur ini, garpu replikasi tidak simetris. Dari dua rantai anak yang disintesis, satu dibangun terus menerus, sintesisnya lebih cepat, dan rantai ini disebut pemimpin. Sintesis rantai lain lebih lambat, karena dirakit dari fragmen terpisah yang memerlukan pembentukan dan kemudian penghapusan primer RNA. Oleh karena itu, rantai seperti itu disebut lagging (lagging). Meskipun fragmen individu terbentuk ke arah 5 "→ 3", secara umum, rantai ini tumbuh ke arah 3 "→ 5" (Gbr. 3.12, A). Mengingat fakta bahwa dua garpu replikasi biasanya mulai dari lokus ori, menuju ke arah yang berlawanan, sintesis untaian utama di dalamnya terjadi pada untaian DNA ibu yang berbeda (Gbr. 12, B). Hasil akhir dari proses replikasi adalah terbentuknya dua molekul DNA yang urutan nukleotidanya identik dengan double helix DNA induk.

Gbr.11. Skema reaksi untuk sintesis primer RNA pendek yang dikatalisis oleh RNA primase

Urutan peristiwa yang dipertimbangkan yang terjadi selama sintesis replikatif menunjukkan partisipasi seluruh sistem enzim: helikase, topoisomerase, protein destabilisasi, DNA polimerase, dan lainnya, bekerja bersama di area garpu replikasi (Gbr. 13 ).

Replikasi DNA pada pro dan eukariota pada dasarnya serupa, namun, laju sintesis pada eukariota (sekitar 100 nukleotida/detik) adalah urutan besarnya lebih rendah daripada pada prokariota (1000 nukleotida/detik). Alasan untuk ini mungkin karena pembentukan DNA eukariotik dari ikatan yang cukup kuat dengan protein, yang menghambat despiralisasi, yang diperlukan untuk sintesis replikasi.

Fragmen DNA dari titik asal replikasi ke titik penghentiannya membentuk unit replikasi - replika. Setelah dimulai pada titik asal (on locus), replikasi berlanjut sampai seluruh replikon telah diduplikasi. Molekul DNA sirkular sel prokariotik memiliki satu lokus dan merupakan replika yang sepenuhnya terpisah. Kromosom eukariotik mengandung sejumlah besar replika. Dalam hal ini, duplikasi molekul DNA yang terletak di sepanjang kromosom eukariotik dimulai di beberapa titik. Dalam replicon yang berbeda, penggandaan dapat terjadi pada waktu yang berbeda atau bersamaan.

Beras. 12. Sintesis dua untai anak DNA pada untai yang berbeda dari molekul induk

A. Karena antiparalelisme untai DNA, sintesis untai anak berlangsung secara berbeda; pada untai induk atas, untai terkemuka terus menerus disintesis; pada untai induk bawah, untai anak dirakit dari fragmen Okazaki - untai tertinggal.

B. Sintesis untai utama dalam garpu multiarah terjadi pada untaian DNA ibu yang berbeda

4.2.2 Mekanisme untuk mempertahankan urutan DNA nukleosida. Stabilitas kimia. Replikasi. Memperbaiki

Untuk mempertahankan sifat-sifat utama sel atau organisme sepanjang hidupnya, serta dalam beberapa generasi, bahan keturunan harus tahan terhadap pengaruh luar atau harus ada mekanisme untuk mengoreksi perubahan yang terjadi di dalamnya. Di alam, kedua faktor tersebut digunakan. Faktor ketiga adalah ketepatan menyalin urutan nukleotida DNA ibu selama replikasi.

Gambar 13. Protein yang terlibat dalam proses replikasi DNA

Helikase DNA membuka heliks ganda DNA, memisahkan rantai polinukleotidanya; protein destabilisasi meluruskan sebagian dari rantai DNA; DNA topoisomerase memutus ikatan fosfodiester di salah satu untai DNA polikarbonat, menghilangkan ketegangan yang disebabkan oleh pelepasan heliks dan pemisahan untai pada garpu replikasi; RNA primase mensintesis primer RNA untuk untai anak dan untuk setiap fragmen Okazaki; DNA polimerase melakukan sintesis berkelanjutan dari untai utama dan sintesis fragmen Okazaki dari untai tertinggal; DNA ligase mengikat fragmen Okazaki setelah penghapusan primer RNA

Dalam hal reaktivitas, molekul DNA diklasifikasikan sebagai zat kimia inert. Diketahui bahwa peran substansi hereditas dapat dilakukan tidak hanya oleh DNA, tetapi juga oleh RNA (beberapa virus). Dipercaya bahwa pilihan yang mendukung DNA adalah karena reaktivitasnya yang lebih rendah dibandingkan dengan RNA.

Mekanisme replikasi yang dibahas di atas dicirikan oleh ketelitian yang sangat tinggi dalam reproduksi struktur DNA. Saat menggandakan DNA, kesalahan terjadi rata-rata dengan frekuensi 1·10 -6 pasangan basa komplementer.

Dalam mempertahankan kesetiaan replikasi yang tinggi, peran penting terutama dimiliki oleh enzim DNA polimerase. Enzim ini memilih nukleotida yang diperlukan dari antara trifosfat nukleosida (ATP, TTP, GTP, CTP) yang ada dalam getah nuklir, secara akurat menempelkannya ke rantai templat DNA dan memasukkannya ke dalam rantai anak yang sedang tumbuh. Frekuensi masuknya nukleotida yang salah pada tahap ini adalah 1·10 -5 pasangan basa.

Kesalahan seperti itu dalam pekerjaan DNA polimerase dikaitkan dengan munculnya bentuk basa nitrogen yang berubah, yang membentuk pasangan "ilegal" dengan basa rantai induk. Misalnya, bentuk sitosin yang diubah, bukan guanin, adalah hidrogen yang terikat pada adenin. Akibatnya, nukleotida yang salah termasuk dalam rantai DNA yang sedang tumbuh. Transisi cepat dari bentuk yang diubah dari basa semacam itu ke yang biasa mengganggu pengikatannya ke templat, ujung 3 "-OH yang tidak berpasangan dari rantai DNA yang tumbuh muncul. Dalam situasi ini, mekanisme koreksi diri diaktifkan, dibawa oleh DNA polimerase (atau enzim yang terkait erat dengannya - mengedit endonuklease) Koreksi diri terdiri dari pembelahan nukleotida yang salah termasuk dalam rantai DNA yang tidak dipasangkan dengan templat (Gbr. 14).Konsekuensi diri -koreksi adalah penurunan tingkat kesalahan sebanyak 10 kali (dari 10 -5 menjadi 10 -6).

Terlepas dari efektivitas koreksi diri, kesalahan terdeteksi selama replikasi setelah duplikasi DNA. Hal ini terutama sering diamati ketika konsentrasi empat nukleosida trifosfat di substrat sekitarnya terganggu. Sebagian besar perubahan juga terjadi pada molekul DNA sebagai akibat dari proses spontan yang terkait dengan hilangnya basa purin - adenin dan guanin (apurinisasi) - atau deaminasi sitosin, yang berubah menjadi urasil. Frekuensi perubahan terakhir mencapai 100 per 1 genom/hari.

Basa yang terkandung dalam DNA dapat berubah di bawah pengaruh senyawa reaktif yang mengganggu pasangan normalnya, serta di bawah pengaruh radiasi ultraviolet, yang dapat menyebabkan pembentukan ikatan kovalen antara dua residu timin yang berdekatan dalam DNA (dimer timin). Perubahan pada siklus replikasi berikutnya akan menyebabkan hilangnya pasangan basa dalam DNA anak, atau penggantian beberapa pasangan dengan yang lain. Perubahan ini memang menyertai setiap siklus replikasi DNA, tetapi frekuensinya jauh lebih sedikit dari yang seharusnya. Hal ini dijelaskan oleh fakta bahwa sebagian besar perubahan semacam ini dihilangkan karena aksi mekanisme perbaikan (restorasi molekuler) dari urutan nukleotida DNA asli.

Mekanisme perbaikan didasarkan pada adanya dua rantai komplementer dalam molekul DNA. Distorsi urutan nukleotida di salah satunya dideteksi oleh enzim tertentu. Kemudian situs yang sesuai dihapus dan diganti dengan yang baru, disintesis pada untai DNA komplementer kedua. Perbaikan semacam itu disebut eksisi, mis. dengan "pemotongan" (Gbr. 15). Ini dilakukan sebelum siklus replikasi berikutnya, sehingga disebut juga pra-replikasi.

Gambar 14. Skema proses koreksi selama sintesis DNA:

I-inklusi dalam rantai DNA nukleotida dengan bentuk sitoein yang dimodifikasi (tautomerik), yang berpasangan "secara ilegal" dengan adenin; II - transisi cepat sitosin ke bentuk normalnya mengganggu pemasangannya dengan adenin; ujung 3"-OH yang tidak berpasangan dari rantai yang disintesis mencegah perpanjangan lebih lanjut di bawah aksi DNA polimerase; III - DNA polimerase menghilangkan nukleotida ilegal, akibatnya ujung 3"-OH yang dipasangkan dengan templat muncul kembali; IV - DNA polimerase terus memperpanjang rantai di ujung 3'-OH.

Pemulihan struktur DNA asli membutuhkan partisipasi sejumlah enzim. Poin penting dalam memulai mekanisme perbaikan adalah deteksi kesalahan dalam struktur DNA. Seringkali kesalahan seperti itu terjadi pada untai yang baru disintesis selama replikasi. Enzim perbaikan harus mendeteksi dengan tepat rantai ini. Pada banyak spesies organisme hidup, rantai DNA yang baru disintesis berbeda dari tingkat metilasi ibu dari basa nitrogennya, yang tertinggal di belakang sintesis. Dalam hal ini, rantai yang tidak termetilasi mengalami perbaikan. Objek pengenalan oleh enzim perbaikan juga dapat memutuskan rantai DNA. Pada organisme yang lebih tinggi, di mana sintesis DNA tidak terjadi terus menerus, tetapi oleh replika individu, rantai DNA yang baru disintesis telah putus, yang memungkinkan untuk mengenalinya. Pemulihan struktur DNA jika terjadi kehilangan basa purin dari salah satu rantainya melibatkan deteksi cacat menggunakan enzim endonuklease, yang memutus ikatan fosfoester di lokasi kerusakan rantai. Kemudian situs yang diubah dengan beberapa nukleotida yang berdekatan dihilangkan oleh enzim eksonuklease, dan sebagai gantinya, sesuai dengan urutan basa rantai komplementer, urutan nukleotida yang benar terbentuk (Gbr. 15).

Gbr.15. Skema perbaikan DNA pra-replikasi eksisi.

Ketika salah satu basa dalam rantai DNA berubah, sekitar 20 enzim glikosilase DNA mengambil bagian dalam pemulihan struktur aslinya.Mereka secara khusus mengenali kerusakan yang disebabkan oleh deaminasi, alkilasi, dan transformasi struktural basa lainnya. Basis yang dimodifikasi seperti itu dihilangkan. Ada daerah tanpa basa, yang diperbaiki, seperti hilangnya purin. Jika pemulihan struktur normal tidak dilakukan, misalnya, dalam kasus deaminasi basa nitrogen, beberapa pasangan basa komplementer digantikan oleh yang lain - pasangan C-G dapat diganti dengan pasangan T-A, dll. .

Pembentukan dimer timin (T-T) dalam rantai polinukleotida di bawah aksi sinar UV membutuhkan partisipasi enzim yang tidak mengenali basa yang diubah individu, tetapi kerusakan yang lebih luas pada struktur DNA. Proses reparatif dalam hal ini juga terkait dengan penghilangan situs pembawa dimer dan pemulihan urutan nukleotida normal melalui sintesis pada untai DNA komplementer.

Jika sistem perbaikan eksisi tidak memperbaiki perubahan yang muncul pada satu untai DNA, perubahan ini diperbaiki selama replikasi dan menjadi milik kedua untai DNA. Hal ini menyebabkan penggantian satu pasang nukleotida komplementer dengan yang lain atau munculnya pemutusan (celah) dalam rantai yang baru disintesis terhadap daerah yang diubah. Pemulihan struktur DNA normal juga dapat terjadi setelah replikasi.

Perbaikan postreplicative dilakukan dengan rekombinasi (pertukaran fragmen) antara dua heliks ganda DNA yang baru terbentuk. Contoh perbaikan pasca-replikasi tersebut adalah pemulihan struktur DNA normal ketika dimer timin (T-T) muncul, ketika mereka tidak dihilangkan secara spontan di bawah aksi cahaya tampak (perbaikan ringan) atau selama perbaikan eksisi pra-replikasi.

Ikatan kovalen yang terjadi antara residu timin yang berdekatan membuatnya tidak mampu mengikat nukleotida komplementer. Akibatnya, celah (celah) yang dikenali oleh enzim perbaikan muncul di untai DNA yang baru disintesis. Pemulihan integritas rantai polinukleotida baru dari salah satu DNA anak dilakukan karena rekombinasi dengan rantai ibu normal yang sesuai dari DNA anak lainnya. Celah yang terbentuk pada rantai induk kemudian diisi oleh sintesis pada rantai polinukleotida komplementer (Gbr. 16). Pertukaran materi yang sering diamati antara kromatid bersaudara (Gbr. 17) dapat dianggap sebagai manifestasi dari perbaikan pasca-replikasi tersebut, yang dilakukan dengan rekombinasi antara rantai dua molekul DNA anak.

Gambar 16. Diagram perbaikan DNA pasca-replikasi:

I - terjadinya dimer timin di salah satu untai DNA;

II - pembentukan "celah" pada untai yang baru disintesis terhadap daerah yang diubah dari molekul induk setelah replikasi (panah menunjukkan pengisian berikutnya dari "celah" dengan daerah dari untai yang sesuai dari molekul DNA anak kedua) ;

III - pemulihan integritas rantai anak dari molekul atas karena rekombinasi dan di molekul bawah karena sintesis pada rantai komplementer

Gambar 17. Pertukaran interkromatid (ditunjukkan dengan panah)

Selama perbaikan pra-replikasi dan pasca-replikasi, sebagian besar kerusakan pada struktur DNA dipulihkan. Namun, jika terlalu banyak kerusakan terjadi pada materi herediter sel dan beberapa di antaranya tidak dihilangkan, sistem enzim perbaikan yang diinduksi (eksitasi) (sistem SOS) dihidupkan. Enzim-enzim ini mengisi celah dengan mengembalikan integritas rantai polinukleotida yang disintesis tanpa secara ketat mengamati prinsip saling melengkapi. Itulah sebabnya terkadang proses perbaikan itu sendiri dapat berfungsi sebagai sumber perubahan terus-menerus dalam struktur DNA (mutasi). Reaksi bernama juga berlaku untuk sistem SOS.

Jika di dalam sel, meskipun perbaikan sedang berlangsung, jumlah kerusakan pada struktur DNA tetap tinggi, proses replikasi DNA diblokir di dalamnya. Sel seperti itu tidak membelah, yang berarti tidak mentransmisikan perubahan yang muncul pada keturunannya.

Terhentinya siklus sel yang disebabkan oleh kerusakan DNA, dikombinasikan dengan ketidakmungkinan perbaikan molekuler dari bahan herediter yang diubah, dapat, dengan partisipasi protein yang sintesisnya dikendalikan oleh gen p53, menyebabkan aktivasi proses self -penghancuran (apoptosis) sel yang rusak untuk menghilangkannya dari tubuh.

Dengan demikian, serangkaian ekstensif berbagai enzim perbaikan melakukan "pemeriksaan" DNA secara terus-menerus, menghilangkan area yang rusak darinya dan membantu menjaga stabilitas bahan keturunan. Kerja bersama enzim replikasi (DNA polimerase dan pengeditan endonuklease) dan enzim perbaikan memastikan tingkat kesalahan yang cukup rendah dalam molekul DNA, yang dipertahankan pada tingkat 1 × 10 -9 pasang nukleotida yang diubah per genom. Dengan ukuran genom manusia 3 × 109 pasangan basa, ini berarti sekitar 3 kesalahan per replikasi genom. Pada saat yang sama, bahkan tingkat ini cukup untuk pembentukan keragaman genetik yang signifikan dalam bentuk mutasi gen selama keberadaan kehidupan di Bumi.

4.2.3 Perubahan urutan nukleotida DNA.

Perubahan yang tidak dikoreksi dalam struktur kimia gen, direproduksi dalam siklus replikasi yang berurutan dan dimanifestasikan dalam keturunan dalam bentuk varian sifat baru, disebut mutasi gen.

Perubahan struktur DNA yang membentuk gen dapat dibagi menjadi tiga kelompok. Mutasi kelompok pertama terdiri dari penggantian beberapa basa oleh yang lain. Mereka membuat sekitar 20% dari perubahan gen yang terjadi secara spontan. Kelompok mutasi kedua disebabkan oleh pergeseran bingkai yang terjadi ketika jumlah pasangan nukleotida dalam gen diubah. Akhirnya, kelompok ketiga diwakili oleh mutasi yang terkait dengan perubahan urutan urutan nukleotida dalam gen (inversi).

Mutasi menurut jenis penggantian basa nitrogen. Mutasi ini terjadi karena sejumlah alasan tertentu. Salah satunya adalah perubahan struktur basa yang sudah termasuk dalam heliks DNA, yang terjadi secara kebetulan atau di bawah pengaruh bahan kimia tertentu. Jika bentuk basa yang berubah seperti itu tetap tidak diperhatikan oleh enzim perbaikan, maka selama siklus replikasi berikutnya ia dapat menempelkan nukleotida lain ke dirinya sendiri. Contohnya adalah deaminasi sitosin, yang berubah menjadi urasil secara spontan atau di bawah pengaruh asam nitrit (Gbr. 18). Urasil yang dihasilkan, tidak diperhatikan oleh enzim DNA glikosilase, selama replikasi bergabung dengan adenin, yang kemudian melekatkan timidil nukleotida. Akibatnya, pasangan C-G diganti dalam DNA oleh pasangan T-A (Gbr. 19, I). Deaminasi sitosin termetilasi mengubahnya menjadi timin (lihat Gambar 3.18). Nukleotida timidil, sebagai komponen alami DNA, tidak terdeteksi sebagai perubahan oleh enzim perbaikan dan menambahkan nukleotida adenil selama replikasi berikutnya. Akibatnya, selain pasangan C-G, pasangan T-A juga muncul dalam molekul DNA (Gbr. 19, II).

Gambar 18. Deaminasi spontan sitosin

Alasan lain untuk substitusi basa mungkin adalah kesalahan penyertaan dalam rantai DNA sintesis dari nukleotida yang membawa bentuk basa yang dimodifikasi secara kimia atau analognya. Jika kesalahan ini tetap tidak diperhatikan oleh enzim replikasi dan perbaikan, basa yang diubah termasuk dalam proses replikasi, yang sering mengarah pada penggantian satu pasangan dengan yang lain. Contohnya adalah penambahan nukleotida dengan 5-bromouracil (5-BU), mirip dengan nukleotida timidil, ke adenin rantai ibu selama replikasi. Selama replikasi berikutnya, 5-BU lebih mudah menempel pada dirinya sendiri bukan adenin, tetapi guanin. Guanin dalam penggandaan lebih lanjut membentuk pasangan komplementer dengan sitosin. Akibatnya, pasangan A-T digantikan dalam molekul DNA oleh pasangan G-C (Gbr. 20).

Beras. 19. Mutasi berdasarkan jenis substitusi basa (deaminasi basa nitrogen dalam rantai DNA):

I - konversi sitosin menjadi urasil, penggantian pasangan C-G dengan pasangan T-A;

II - konversi metil-sitosin menjadi timin, penggantian pasangan C-G dengan pasangan T-A

Dari contoh di atas, dapat dilihat bahwa perubahan struktur molekul DNA berdasarkan jenis substitusi basa terjadi baik sebelum atau selama replikasi, awalnya dalam satu rantai polinukleotida. Jika perubahan tersebut tidak dikoreksi selama perbaikan, maka selama replikasi berikutnya mereka menjadi milik kedua untai DNA.

Beras. 20. Mutasi berdasarkan jenis substitusi basa (penyertaan analog basa nitrogen dalam replikasi DNA)

Akibat dari penggantian satu pasang nukleotida komplementer dengan yang lain adalah terbentuknya triplet baru pada urutan nukleotida DNA yang mengkode urutan asam amino dalam rantai peptida. Ini mungkin tidak mempengaruhi struktur peptida jika triplet baru "sama" dengan yang sebelumnya, yaitu. akan mengkode asam amino yang sama. Misalnya, asam amino valin dienkripsi dengan empat kembar tiga: CAA, CAG, CAT, CAC. Mengganti basa ketiga di salah satu dari kembar tiga ini tidak akan mengubah artinya (degenerasi kode genetik).

Dalam kasus ketika triplet yang baru muncul mengkodekan asam amino lain, struktur rantai peptida dan sifat-sifat protein yang sesuai berubah. Bergantung pada sifat dan tempat penggantian, sifat spesifik protein berubah ke tingkat yang berbeda-beda. Kasus diketahui ketika penggantian hanya satu asam amino dalam peptida secara signifikan mempengaruhi sifat-sifat protein, yang memanifestasikan dirinya dalam perubahan fitur yang lebih kompleks. Contohnya adalah perubahan sifat hemoglobin manusia pada anemia sel sabit (Gbr. 21). Dalam hemoglobin- (HbS) (tidak seperti HbA normal) - dalam rantai p-globin di posisi keenam, asam glutamat digantikan oleh valin. Ini merupakan konsekuensi dari penggantian salah satu basa dalam triplet penyandi asam glutamat (CTT atau CTC). Akibatnya, valin enkripsi triplet (CAT atau CAC) muncul. Dalam hal ini, penggantian satu asam amino dalam peptida secara signifikan mengubah sifat globin, yang merupakan bagian dari hemoglobin (kemampuannya untuk mengikat 02 menurun), seseorang mengembangkan tanda-tanda anemia sel sabit.

Dalam beberapa kasus, mengganti satu basa dengan yang lain dapat menyebabkan munculnya salah satu dari triplet yang tidak masuk akal (ATT, ATC, ACT) yang tidak mengkode asam amino apa pun. Konsekuensi dari penggantian semacam itu adalah terputusnya sintesis rantai peptida. Diperkirakan bahwa substitusi nukleotida dalam satu triplet memimpin dalam 25% kasus untuk pembentukan kembar tiga sinonim; dalam 2-3 - kembar tiga yang tidak berarti, dalam 70 - 75% - terjadinya mutasi gen yang sebenarnya.

Dengan demikian, mutasi substitusi basa dapat muncul baik sebagai akibat dari perubahan spontan dalam struktur basa di salah satu untai dari heliks ganda DNA yang sudah ada, dan selama replikasi di untai yang baru disintesis. Jika perubahan ini tidak dikoreksi selama reparasi (atau, sebaliknya, terjadi selama reparasi), perubahan tersebut diperbaiki di kedua rantai dan kemudian akan direproduksi dalam siklus replikasi berikutnya. Oleh karena itu, sumber penting dari mutasi semacam itu adalah pelanggaran proses replikasi dan perbaikan.

Mutasi dengan pergeseran kerangka baca. Jenis mutasi ini merupakan proporsi yang signifikan dari mutasi spontan. Mereka terjadi karena hilangnya atau penyisipan satu atau lebih pasangan nukleotida komplementer ke dalam urutan nukleotida DNA. Sebagian besar mutasi frameshift yang dipelajari ditemukan dalam urutan yang terdiri dari nukleotida identik.

Perubahan jumlah pasangan nukleotida dalam rantai DNA difasilitasi oleh efek pada bahan genetik bahan kimia tertentu, seperti senyawa acridine. Dengan merusak struktur heliks ganda DNA, mereka menyebabkan penyisipan basa tambahan atau kehilangannya selama replikasi. Contohnya adalah mutasi yang diperoleh pada fag T4 saat terpapar proflavin. Mereka terdiri dari inklusi atau penghapusan hanya satu pasangan nukleotida. Alasan penting untuk perubahan jumlah pasangan nukleotida dalam suatu gen menurut jenis pembelahan besar (fallout) dapat menjadi penyinaran sinar-X. Pada lalat buah, misalnya, diketahui adanya mutasi pada gen yang mengontrol warna mata, yang disebabkan oleh penyinaran dan terdiri dari pembelahan sekitar 100 pasangan nukleotida.

Gbr.21. Efek pleiotropik dari substitusi asam amino tunggal dalam rantai hemoglobin manusia yang mengarah pada perkembangan anemia sel sabit

Sejumlah besar mutasi tipe penyisipan terjadi karena masuknya elemen genetik bergerak, transposon, dalam urutan nukleotida. Transposon adalah urutan nukleotida yang cukup panjang yang dibangun ke dalam genom sel eu- dan prokariotik yang dapat secara spontan mengubah posisinya. Dengan probabilitas tertentu, penyisipan dan pembelahan dapat terjadi sebagai akibat dari kesalahan rekombinasi dengan persilangan intragenik yang tidak sama (Gbr. 22).

Gambar 22. Mutasi frameshift (pertukaran yang tidak setara dengan persilangan intragenik):

I - pemutusan gen alelpi di berbagai area dan pertukaran fragmen di antara mereka;

II - hilangnya pasangan nukleotida ke-3 dan ke-4, pergeseran kerangka baca;

III - menggandakan pasangan nukleotida ke-3 dan ke-4, menggeser kerangka baca

Gbr.23. Konsekuensi dari perubahan jumlah pasangan nukleotida dalam molekul DNA

Pergeseran kerangka baca akibat penyisipan satu nukleotida ke dalam rantai kodogenik menyebabkan perubahan komposisi peptida yang dienkripsi di dalamnya.

Dengan kesinambungan pembacaan dan non-overlapping kode genetik, perubahan jumlah nukleotida, sebagai suatu peraturan, menyebabkan pergeseran kerangka pembacaan dan perubahan makna informasi biologis yang direkam dalam urutan DNA tertentu (Gbr. .23). Namun, jika jumlah nukleotida yang dimasukkan atau hilang adalah kelipatan tiga, pergeseran kerangka mungkin tidak terjadi, tetapi akan mengakibatkan masuknya asam amino tambahan atau hilangnya beberapa asam amino dari rantai polipeptida. Konsekuensi yang mungkin dari pergeseran bingkai adalah munculnya striplet yang tidak masuk akal, yang mengarah pada sintesis rantai peptida yang diperpendek.

Mutasi menurut jenis inversi urutan nukleotida dalam gen. Jenis mutasi ini terjadi karena pergantian segmen DNA 180°. Biasanya, ini didahului oleh pembentukan loop oleh molekul DNA, di mana replikasi berlangsung dalam arah yang berlawanan dengan yang benar.

Di dalam daerah terbalik, pembacaan informasi terganggu, akibatnya urutan asam amino protein berubah.

4.2.4 Satuan dasar variabilitas materi genetik. Mouton. pengintaian

Gen adalah unit dasar dari fungsi materi herediter. Ini berarti bahwa fragmen molekul DNA yang sesuai dengan gen individu dan menentukan, berkat informasi biologis yang terkandung di dalamnya, kemungkinan mengembangkan sifat tertentu, lebih lanjut tidak dapat dibagi dalam arti fungsional. Informasi tentang mutasi gen yang diuraikan di atas menunjukkan pentingnya perubahan dalam struktur kimia yang tidak mempengaruhi seluruh gen, tetapi bagian-bagian individualnya, sebagai akibatnya varian baru dari sifat tersebut muncul.

Jumlah minimum materi herediter yang, ketika berubah, dapat menyebabkan munculnya varian suatu sifat, sesuai dengan unit dasar dari proses mutasi dan disebut muton. Contoh mutasi gen yang dibahas di atas menunjukkan bahwa cukup untuk mengganti satu pasang basa komplementer dalam gen untuk mengubah sifat protein yang dikodekannya. Dengan demikian, muton sesuai dengan satu pasang nukleotida komplementer.

Bagian dari mutasi gen berdasarkan jenis penyisipan dan penghapusan pasangan nukleotida terjadi karena pertukaran yang tidak merata antara molekul DNA selama pindah silang, yaitu. melanggar rekombinasi di antara mereka. Hal ini disertai dengan pergeseran kerangka pembacaan dan menyebabkan gangguan dalam sintesis rantai peptida dengan sifat yang diinginkan. Pengamatan menunjukkan bahwa penyisipan atau penghapusan satu pasang nukleotida cukup untuk mendistorsi informasi biologis yang direkam dalam gen. Dari apa yang telah dikatakan, dapat disimpulkan bahwa unit dasar rekombinasi, rekon, pada tingkat molekuler sesuai dengan satu pasang nukleotida.

Perubahan urutan nukleotida yang timbul secara spontan atau di bawah pengaruh berbagai pengaruh eksternal mengarah pada fakta bahwa gen yang sama dapat ada dalam beberapa varian yang berbeda dalam informasi biologis yang terkandung di dalamnya. Bentuk spesifik keberadaan gen, yang menentukan kemungkinan mengembangkan varian spesifik dari sifat tertentu, disebut alel. Alel gen terletak di wilayah yang sama - lokus - dari kromosom tertentu, yang biasanya secara bersamaan hanya dapat berisi satu dari serangkaian alel. Hal ini membuat alel alternatif (saling eksklusif) pilihan untuk keberadaan gen.

Perubahan struktur kimia dapat terjadi di berbagai daerah gen. Jika mereka kompatibel dengan kehidupan, mis. tidak menyebabkan kematian sel atau organisme - pembawa mutasi ini, semuanya disimpan dalam kumpulan gen spesies.

Kehadiran di kolam gen suatu spesies pada saat yang sama alel gen yang berbeda disebut alelisme ganda. Contohnya adalah pilihan warna mata yang berbeda pada lalat buah: putih, ceri, merah, aprikot, eosin, karena alel yang berbeda dari gen yang sesuai. Pada manusia, seperti pada perwakilan lain dari dunia organik, alelisme ganda adalah karakteristik dari banyak gen. Jadi, tiga alel gen I menentukan golongan darah menurut sistem AB0 (I A, I B, I 0). Gen yang menentukan milik Rh memiliki dua alel. Lebih dari seratus alel memiliki gen untuk - dan -polipeptida hemoglobin.

Penyebab alelisme ganda adalah perubahan acak pada struktur gen (mutasi) yang dipertahankan dalam proses seleksi alam dalam kumpulan gen populasi. Keragaman alel yang bergabung kembali selama reproduksi seksual menentukan tingkat keragaman genotipe di antara perwakilan spesies tertentu, yang sangat penting secara evolusioner, meningkatkan kelangsungan hidup populasi di bawah kondisi keberadaan mereka yang berubah. Selain signifikansi evolusioner dan ekologis, keadaan alelik gen memiliki pengaruh besar pada fungsi materi genetik. Dalam sel somatik diploid organisme eukariotik, sebagian besar gen diwakili oleh dua alel yang bersama-sama mempengaruhi pembentukan sifat.

4.2.5 Klasifikasi fungsional mutasi gen

Perubahan struktur gen, sebagai suatu peraturan, tidak menguntungkan, mengurangi kelangsungan hidup sel, organisme (mutasi berbahaya), dan kadang-kadang menyebabkan kematian mereka (mutasi mematikan). Mutasi yang jarang terjadi tidak secara signifikan mempengaruhi kelangsungan hidup pembawanya, sehingga dianggap netral. Akhirnya, alel yang memiliki efek menguntungkan (mutasi menguntungkan) muncul sangat jarang, memberikan pembawa mereka dengan kelangsungan hidup preferensial. Dalam kebanyakan kasus, alel gen yang baru muncul bertindak sebagai resesif dalam kaitannya dengan alel tipe "liar" yang umum di alam, yaitu. tidak muncul dalam kombinasi dengannya. Tetapi kadang-kadang bentuk mutan dari suatu gen dapat menjadi dominan, mis. menekan manifestasi alel "liar", yang lebih umum di kumpulan gen populasi.

4.2.6 Mekanisme yang mengurangi efek samping mutasi gen

Sebagai akibat dari mutasi gen, makna informasi biologis berubah. Konsekuensi dari ini bisa dua kali lipat. Dalam lingkungan yang sedikit berubah, informasi baru biasanya mengurangi kelangsungan hidup. Dengan perubahan tajam dalam kondisi keberadaan, dengan berkembangnya ceruk ekologi baru, ketersediaan berbagai informasi bermanfaat. Dalam hal ini, intensitas proses mutasi dalam kondisi alami dipertahankan pada tingkat yang tidak menyebabkan penurunan kelangsungan hidup spesies yang sangat besar. Peran penting dalam membatasi efek merugikan dari mutasi adalah mekanisme anti-mutasi yang muncul dalam evolusi.

Beberapa mekanisme ini dibahas di atas. Kita berbicara tentang fitur fungsi DNA polimerase, yang memilih nukleotida yang diperlukan dalam proses replikasi DNA, dan juga melakukan koreksi diri selama pembentukan untai DNA baru, bersama dengan pengeditan endonuklease. Berbagai mekanisme perbaikan struktur DNA dan peran degenerasi kode genetik dianalisis secara rinci. Solusi untuk masalah ini adalah sifat triplet dari kode biologis, yang memungkinkan jumlah minimum substitusi dalam triplet, yang menyebabkan distorsi informasi. Dengan demikian, 64% substitusi nukleotida ketiga dalam triplet tidak mengubah makna semantiknya. Benar, substitusi nukleotida kedua dalam 100% menyebabkan distorsi makna triplet.

Pasangan kromosom dalam kariotipe diploid sel somatik eukariotik berfungsi sebagai faktor perlindungan terhadap konsekuensi yang merugikan dari mutasi gen.

Pasangan alel gen mencegah manifestasi fenotipik dari mutasi jika mereka resesif.

Kontribusi tertentu pada pengurangan efek berbahaya dari mutasi gen dibuat oleh fenomena ekstrakopi gen yang mengkode makromolekul vital. Ini terdiri dari kehadiran dalam genotipe beberapa puluh, dan kadang-kadang ratusan salinan identik dari gen tersebut. Contohnya adalah gen rRNA, tRNA, protein histon, yang tanpanya aktivitas vital sel mana pun tidak mungkin dilakukan.

Dengan adanya ekstrakopi, perubahan mutasi pada satu atau bahkan beberapa gen identik tidak menyebabkan konsekuensi bencana bagi sel. Salinan yang tetap tidak berubah sudah cukup untuk memastikan fungsi normal.

Ketidaksetaraan fungsional substitusi asam amino dalam polipeptida juga penting. Jika asam amino baru dan yang diganti memiliki sifat fisikokimia yang serupa, perubahan struktur tersier dan sifat biologis protein tidak signifikan.

Dengan demikian, hemoglobin HbS dan HbC manusia mutan berbeda dari hemoglobin HbA normal dengan penggantian rantai p asam glutamat di posisi ke-6 dengan valin atau lisin, masing-masing. Penggantian pertama secara dramatis mengubah sifat-sifat hemoglobin dan mengarah pada perkembangan penyakit serius - anemia sel sabit.

Dengan penggantian kedua, sifat-sifat hemoglobin berubah pada tingkat yang jauh lebih rendah.

Alasan perbedaan ini adalah bahwa asam glutamat dan lisin menunjukkan sifat hidrofilik yang serupa, sedangkan valin adalah asam amino hidrofobik.

Dengan demikian, mekanisme ini berkontribusi pada pelestarian gen yang dipilih selama evolusi dan, pada saat yang sama, akumulasi berbagai alel mereka dalam kumpulan gen suatu populasi, membentuk cadangan variabilitas herediter. Yang terakhir menentukan plastisitas evolusioner populasi yang tinggi, mis. kemampuan untuk bertahan hidup dalam berbagai kondisi.

4.3 Penggunaan informasi genetik dalam proses kehidupan

4.3.1 Peran RNA dalam realisasi informasi herediter

Informasi herediter, yang ditulis dengan bantuan kode genetik, disimpan dalam molekul DNA dan berlipat ganda untuk memberikan "instruksi" yang diperlukan bagi sel-sel yang baru terbentuk untuk perkembangan dan fungsinya yang normal. Pada saat yang sama, DNA tidak secara langsung berpartisipasi dalam mendukung kehidupan sel. Peran perantara, yang berfungsi untuk menerjemahkan informasi herediter yang disimpan dalam DNA ke dalam bentuk kerja, dimainkan oleh asam ribonukleat - RNA.

Tidak seperti molekul DNA, asam ribonukleat diwakili oleh satu rantai polinukleotida, yang terdiri dari empat jenis nukleotida yang mengandung gula, ribosa, fosfat dan salah satu dari empat basa nitrogen - adenin, guanin, urasil atau sitosin. RNA disintesis pada molekul DNA menggunakan enzim RNA polimerase sesuai dengan prinsip komplementaritas dan antiparalelisme, dan urasil melengkapi DNA adenin dalam RNA. Seluruh variasi RNA yang bekerja di dalam sel dapat dibagi menjadi tiga jenis utama: mRNA, tRNA, rRNA.

Matriks, atau informasi, RNA (mRNA, atau mRNA). Transkripsi. Untuk mensintesis protein dengan sifat yang diinginkan, "instruksi" tentang urutan asam amino yang termasuk dalam rantai peptida datang ke lokasi konstruksinya. Instruksi ini terkandung dalam urutan nukleotida matriks, atau RNA informasi (mRNA, mRNA) yang disintesis di daerah DNA yang sesuai. Proses sintesis mRNA disebut transkripsi.

Sintesis mRNA dimulai dengan penemuan oleh RNA polimerase dari situs khusus dalam molekul DNA, yang menunjukkan situs awal transkripsi - promotor. Setelah menempel pada promotor, RNA polimerase melepaskan putaran heliks DNA yang berdekatan. Dua untai DNA menyimpang pada titik ini, dan pada salah satunya enzim mensintesis mRNA. Perakitan ribonukleotida menjadi rantai terjadi sesuai dengan komplementaritasnya dengan nukleotida DNA, dan juga antiparalel dengan rantai DNA templat. Karena fakta bahwa RNA polimerase mampu merakit polinukleotida hanya dari ujung 5' ke ujung 3', hanya satu dari dua untai DNA yang dapat berfungsi sebagai templat untuk transkripsi, yaitu yang menghadap enzim dengan 3-nya. ' end ( 3 "→ 5"). Rantai seperti itu disebut kodogenik (Gbr. 3.24). Antiparalelisme dari hubungan dua rantai polinukleotida dalam molekul DNA memungkinkan RNA polimerase untuk memilih templat dengan benar untuk sintesis mRNA.

Bergerak di sepanjang rantai DNA kodogenik, RNA polimerase melakukan penulisan ulang informasi secara bertahap dan tepat hingga menemukan urutan nukleotida tertentu - terminator transkripsi. Di wilayah ini, RNA polimerase dipisahkan baik dari cetakan DNA maupun dari mRNA yang baru disintesis (Gbr. 25). Fragmen molekul DNA, termasuk promotor, urutan yang ditranskripsi, dan terminator, membentuk unit transkripsi - transkripsi.

Selama sintesis, saat RNA polimerase bergerak di sepanjang molekul DNA, bagian untai tunggal DNA yang telah dilaluinya kembali digabungkan menjadi heliks ganda. MRNA yang terbentuk selama transkripsi berisi salinan persis dari informasi yang direkam di bagian DNA yang sesuai. Tiga nukleotida mRNA yang berdekatan yang mengkode asam amino disebut kodon. Urutan kodon mRNA mengkode urutan asam amino dalam rantai peptida. Kodon mRNA sesuai dengan asam amino tertentu (Tabel 1).

Tabel 1. Kode genetik mRNA (kodon terminator digarisbawahi). Nukleotida kedua

Pada		C		TETAPI		G

Gambar 24. skema sintesis mRNA

Template untuk transkripsi mRNA adalah untai DNA kodogenik yang menghadap enzim dengan 3-terminusnya

Beras. 25. Peran RNA polimerase dalam transkripsi:

I - deteksi wilayah promotor dalam molekul DNA dan pelepasan heliks DNA; II - inisiasi sintesis rantai RNA dengan mengikat dua ribonukleosida gryfosfat pertama; III - perpanjangan rantai RNA ke arah 5 "→ 3" dengan menempelkan ribonukleosida gryfosfat; IV - pelepasan ujung 5" dari RNA yang disintesis dan pemulihan heliks ganda DNA; V - penyelesaian sintesis RNA di wilayah terminator, pemisahan polimerase dari rantai RNA yang lengkap

Mentransfer RNA (tRNA). Siaran. Transfer RNA (tRNA) berperan penting dalam proses penggunaan informasi herediter oleh sel. Mengantarkan asam amino yang diperlukan ke tempat perakitan rantai peptida, tRNA bertindak sebagai mediator translasi.

Molekul tRNA adalah rantai polinukleotida yang disintesis pada sekuens DNA spesifik. Mereka terdiri dari sejumlah kecil nukleotida - 75-95. Sebagai hasil dari hubungan komplementer basa yang terletak di berbagai bagian rantai polinukleotida tRNA, ia memperoleh struktur yang menyerupai bentuk daun semanggi (Gbr. 26).

Gbr.26. Struktur molekul tRNA yang khas

Ini memiliki empat bagian utama yang melakukan fungsi yang berbeda. "Tangkai" akseptor dibentuk oleh dua bagian terminal tRNA yang saling terhubung. Ini adalah tujuh pasangan basa. Bagian tengah dari cabang-cabang ini - antikodon - terdiri dari lima pasang nukleotida dan mengandung antikodon di tengah lingkarannya. Antikodon adalah tiga nukleotida yang melengkapi kodon mRNA, yang mengkodekan asam amino yang diangkut oleh tRNA ini ke tempat sintesis peptida.

Antara cabang akseptor dan antikodon adalah dua cabang samping. Dalam loop mereka, mereka mengandung basa yang dimodifikasi - dihydrouridine (D-loop) dan triplet TψC, di mana y adalah pseudouriain (T^C-loop). Antara cabang aiticodone dan T^C ada loop tambahan, yang mencakup 3-5 hingga 13-21 nukleotida.

Secara umum, berbagai jenis tRNA dicirikan oleh keteguhan urutan nukleotida tertentu, yang paling sering terdiri dari 76 nukleotida. Variasi jumlah mereka terutama disebabkan oleh perubahan jumlah nukleotida dalam loop tambahan. Daerah komplementer yang mendukung struktur tRNA biasanya dilestarikan. Struktur primer tRNA, ditentukan oleh urutan nukleotida, membentuk struktur sekunder tRNA, yang berbentuk daun semanggi. Pada gilirannya, struktur sekunder menentukan struktur tersier tiga dimensi, yang dicirikan oleh pembentukan dua heliks ganda tegak lurus (Gbr. 27). Salah satunya dibentuk oleh cabang akseptor dan TψC, yang lain oleh antikodon dan cabang D.

Di ujung salah satu heliks ganda adalah asam amino yang diangkut, di ujung yang lain adalah antikodon. Daerah-daerah ini adalah yang paling terpencil satu sama lain. Stabilitas struktur tersier tRNA dipertahankan karena munculnya ikatan hidrogen tambahan antara basa rantai polinukleotida, yang terletak di bagian yang berbeda, tetapi secara spasial dekat dalam struktur tersier.

Berbagai jenis tRNA memiliki struktur tersier yang serupa, meskipun dengan beberapa variasi.

Gambar 27. Organisasi spasial tRNA:

I - struktur sekunder tRNA dalam bentuk "daun semanggi", ditentukan oleh struktur primernya (urutan nukleotida dalam rantai);

II - proyeksi dua dimensi dari struktur tersier tRNA;

III - tata letak molekul tRNA di ruang angkasa

Salah satu ciri tRNA adalah adanya basa yang tidak biasa di dalamnya yang muncul sebagai hasil modifikasi kimia setelah dimasukkannya basa normal ke dalam rantai polinukleotida. Basa yang diubah ini menentukan keragaman struktural tRNA yang besar dalam rencana umum strukturnya. Yang paling menarik adalah modifikasi basa yang membentuk antikodon, yang mempengaruhi spesifisitas interaksinya dengan kodon. Misalnya, basa inosin atipikal, kadang-kadang pada posisi pertama antikodon tRNA, dapat saling melengkapi dengan tiga basa ketiga berbeda dari kodon mRNA - U, C dan A (Gbr. 3.28). Karena salah satu ciri kode genetik adalah degenerasinya (lihat bagian 3.4.1.2), banyak asam amino yang dikodekan oleh beberapa kodon, yang biasanya berbeda dalam basa ketiganya. Karena ikatan nonspesifik dari basis antikodon yang dimodifikasi, satu tRNA mengenali beberapa kodon sinonim.

Gbr.28. Ikatan hidrogen dari inosin ke tiga basa nitrogen yang berbeda Ikatan hidrogen ditunjukkan oleh titik

Keberadaan beberapa jenis tRNA yang mampu mengikat kodon yang sama juga telah ditetapkan. Akibatnya, bukan 61 (berdasarkan jumlah kodon), tetapi sekitar 40 molekul tRNA yang berbeda ditemukan di sitoplasma sel. Jumlah ini cukup untuk mengangkut 20 asam amino yang berbeda ke tempat perakitan protein.

Seiring dengan fungsi pengenalan yang tepat dari kodon tertentu dalam mRNA, molekul tRNA memberikan asam amino yang didefinisikan secara ketat yang dienkripsi dengan kodon ini ke tempat sintesis rantai peptida. Hubungan spesifik tRNA dengan asam amino "nya" berlangsung dalam dua tahap dan mengarah pada pembentukan senyawa yang disebut aminoasil-tRNA (Gbr. 29).

Gbr.29. Perlekatan asam amino pada tRNA yang sesuai:

I - Tahap 1, interaksi asam amino dan ATP dengan pelepasan pirofosfat;

II - tahap 2, perlekatan asam amino yang diadaptasi ke ujung 3" RNA

Pada tahap pertama, asam amino diaktifkan dengan berinteraksi dengan gugus karboksilnya dengan ATP. Akibatnya, asam amino teradipylated terbentuk.

Pada tahap kedua, senyawa ini berinteraksi dengan gugus OH yang terletak di ujung 3 tRNA yang sesuai, dan asam amino mengikat gugus karboksilnya, melepaskan AMP. Dengan demikian, proses ini berlanjut dengan pengeluaran energi yang diperoleh selama hidrolisis ATP menjadi AMP.

Spesifisitas kombinasi asam amino dan tRNA yang membawa antikodon yang sesuai dicapai karena sifat-sifat enzim aminoasil-tRNA sintetase. Di dalam sitoplasma, ada satu set lengkap enzim yang mampu mengenali secara spasial, di satu sisi, asam aminonya, dan di sisi lain, antikodon tRNA yang sesuai (Gbr. 3.30). Informasi herediter, "direkam" dalam molekul DNA dan "ditulis ulang" dalam mRNA, diuraikan selama translasi karena dua proses pengenalan spesifik permukaan molekul. Pertama, enzim aminoasil-tRNA sintetase memastikan koneksi tRNA dengan asam amino yang diangkutnya. Aminoasil-tRNA kemudian berpasangan secara komplementer dengan mRNA melalui interaksi antikodon-kodon. Dengan bantuan sistem tRNA, bahasa rantai nukleotida mRNA. diterjemahkan ke dalam bahasa urutan asam amino peptida (Gbr. 30).

RNA ribosom (rRNA). Siklus sintesis protein ribosom. Proses interaksi antara mRNA dan tRNA, yang memastikan terjemahan informasi dari bahasa nukleotida ke dalam bahasa asam amino, dilakukan pada ribosom. Yang terakhir adalah kompleks kompleks rRNA dan berbagai protein, di mana yang pertama membentuk perancah. RNA ribosom tidak hanya merupakan komponen struktural ribosom, tetapi juga memastikan ikatannya dengan urutan nukleotida mRNA tertentu. Ini menetapkan awal dan kerangka pembacaan untuk pembentukan rantai peptida. Selain itu, mereka menyediakan interaksi antara ribosom dan tRNA. Banyak protein yang membentuk ribosom, bersama dengan rRNA, melakukan peran struktural dan enzimatik.

Gambar 30. Skema terjemahan kode genetik: I - perlekatan asam amino (triptofan) ke tRNA yang sesuai menggunakan enzim aminoasil-tRNA sintetase; II - perlekatan tRNA yang membawa asam aminonya ke mRNA karena pengikatan antikodonnya ke kodon mRNA

Ribosom pro dan eukariota sangat mirip dalam struktur dan fungsi. Mereka terdiri dari dua subpartikel: besar dan kecil. Pada eukariota, subunit kecil dibentuk oleh satu molekul rRNA dan 33 molekul protein yang berbeda. Subunit besar menggabungkan tiga molekul rRNA dan sekitar 40 protein. Ribosom prokariotik dan ribosom mitokondria dan plastid mengandung lebih sedikit komponen.

Ribosom memiliki dua alur. Salah satunya memegang rantai polipeptida yang sedang tumbuh, yang lain - mRNA. Selain itu, dua situs pengikatan tRNA diisolasi dalam ribosom. Aminoasil-tRNA terletak di aminoasil, A-site, membawa asam amino tertentu. Di peptidil, P-bagian, tRNA biasanya terletak, yang dimuat dengan rantai asam amino yang dihubungkan oleh ikatan peptida. Pembentukan situs A dan P disediakan oleh kedua subunit ribosom.

Pada setiap saat, ribosom melindungi segmen mRNA dengan panjang sekitar 30 nukleotida. Ini memastikan interaksi hanya dua tRNA dengan dua kodon mRNA yang berdekatan (Gbr. 31).

Penerjemahan informasi ke dalam "bahasa" asam amino diekspresikan dalam pembentukan rantai peptida secara bertahap sesuai dengan instruksi yang terkandung dalam mRNA. Proses ini terjadi pada ribosom, yang menyediakan urutan untuk menguraikan informasi menggunakan tRNA. Tiga fase dapat dibedakan selama translasi: inisiasi, elongasi, dan terminasi sintesis rantai peptida.

Gambar 31. Situs pengikatan molekul tRNA dan ribosom:

I - ribosom yang diturunkan, ribosom II - yang dimuat; ak - asam amino

Fase inisiasi, atau awal sintesis peptida, terdiri dari penggabungan dua subpartikel ribosom yang sebelumnya dipisahkan dalam sitoplasma pada situs mRNA tertentu dan melekatkan aminoasil-tRNA pertama padanya. Ini juga mengatur kerangka untuk membaca informasi yang terkandung dalam mRNA (Gbr. 32).

Dalam molekul mRNA apa pun, di dekat ujung 5 ", ada situs yang melengkapi rRNA dari subunit kecil ribosom dan secara khusus dikenali olehnya. Di sebelahnya adalah kodon awal inisiasi AUT, yang mengkode amino metionin asam Subunit kecil ribosom terhubung ke mRNA sedemikian rupa sehingga kodon awal AUT terletak di wilayah yang sesuai dengan situs-P. Pada saat yang sama, hanya tRNA awal yang membawa metionin yang dapat mengambil tempat di bagian-P yang belum selesai dari subunit kecil dan komplementer terhubung ke kodon awal. Setelah peristiwa yang dijelaskan, subunit besar dan kecil dari ribosom bergabung untuk membentuk plot peptidil dan aminoasil (Gbr. 3.32).

Gambar 32. Inisiasi sintesis protein:

I - koneksi subchapshchy kecil ribosom dengan mRNA, perlekatan pada kodon awal tRNA yang membawa metionin, yang terletak di bagian-P yang belum selesai; II - koneksi subpartikel besar dan kecil ribosom dengan pembentukan situs P - dan A; tahap selanjutnya dikaitkan dengan penempatan di situs-A aminoasil-tRNA yang sesuai dengan kodon mRNA yang terletak di dalamnya, awal pemanjangan; ak - asam amino

Pada akhir fase inisiasi, situs-P ditempati oleh aminoasil-tRNA yang terkait dengan metionin, sedangkan situs-A ribosom terletak di sebelah kodon awal.

Proses inisiasi translasi yang dijelaskan dikatalisis oleh protein khusus - faktor inisiasi, yang secara bergerak terkait dengan subunit kecil ribosom. Setelah menyelesaikan fase inisiasi dan pembentukan kompleks aminoasil-tRNA yang memulai ribosom-mRNA, faktor-faktor ini dipisahkan dari ribosom.

Fase pemanjangan, atau pemanjangan peptida, mencakup semua reaksi dari pembentukan ikatan peptida pertama hingga perlekatan asam amino terakhir. Ini adalah peristiwa yang berulang secara siklis di mana ada pengenalan spesifik dari kodon aminoasil-tRNA berikutnya yang terletak di situs-A, interaksi komplementer antara antikodon dan kodon.

Karena kekhasan organisasi tiga dimensi tRNA ketika antikodonnya terhubung ke kodon mRNA. asam amino yang diangkut olehnya terletak di situs-A, di sekitar asam amino yang disertakan sebelumnya yang terletak di situs-P. Ikatan peptida terbentuk antara dua asam amino, dikatalisis oleh protein khusus yang membentuk ribosom. Akibatnya, asam amino sebelumnya kehilangan hubungannya dengan tRNA-nya dan bergabung dengan aminoasil-tRNA yang terletak di situs-A. TRNA yang terletak pada saat ini di situs-P dilepaskan dan masuk ke sitoplasma (Gbr. 33). Pergerakan tRNA yang dimuat dengan rantai peptida dari situs A ke situs P disertai dengan kemajuan ribosom di sepanjang mRNA dengan langkah yang sesuai dengan satu kodon. Sekarang kodon berikutnya bersentuhan dengan situs A, di mana ia akan secara khusus "dikenali" oleh aminoasil-tRNA yang sesuai, yang akan menempatkan asam aminonya di sana. Urutan kejadian ini diulang sampai situs-A ribosom menerima kodon pengakhiran yang tidak ada tRNA yang sesuai.

Gbr.33. Fase elongasi dalam sintesis protein:

Tahap 1 - aminoasil-tRNA bergabung dengan kodon yang terletak di situs-A;

Tahap 2 - antara asam amino yang terletak di situs A dan P, ikatan peptidial terbentuk: tRNA yang terletak di situs P dilepaskan dari asam aminonya dan meninggalkan ribosom;

Tahap 3 - ribosom bergerak di sepanjang mRNA dengan satu kodon sehingga tRNA yang dimuat dengan rantai peptida bergerak dari situs-A ke situs-P; situs A bebas dapat ditempati oleh aminoasil-tRNA . yang sesuai

Gbr.34. Penghentian sintesis rantai peptida:

Tahap 1 - pelekatan faktor pelepasan ke kodon stop;

Tahap 2 - penghentian, pelepasan peptida yang sudah selesai;

Tahap 3 - disosiasi ribosom menjadi dua subpartikel

Perakitan rantai peptida dilakukan pada tingkat yang cukup tinggi, tergantung pada suhu. Pada bakteri pada suhu 37 °C, ini dinyatakan sebagai penambahan 12 hingga 17 asam amino per 1 detik ke subdipeptida. Dalam sel eukariotik, tingkat ini lebih rendah dan dinyatakan sebagai penambahan dua asam amino dalam 1 detik.

Fase terminasi, atau penyelesaian sintesis polipeptida, dikaitkan dengan pengenalan oleh protein ribosom spesifik dari salah satu kodon terminasi (UAA, UAG, atau UGA) ketika memasuki zona situs-A ribosom. Dalam hal ini, air melekat pada asam amino terakhir dalam rantai peptida, dan ujung karboksilnya dipisahkan dari tRNA. Akibatnya, rantai peptida yang lengkap kehilangan hubungannya dengan ribosom, yang terbagi menjadi dua subpartikel (Gbr. 34).

4.3.2 Fitur organisasi dan ekspresi informasi genetik pada pro dan eukariota

Menurut organisasi kimia bahan hereditas dan variabilitas, sel eukariotik dan prokariotik pada dasarnya tidak berbeda satu sama lain. Materi genetik mereka diwakili oleh DNA. Yang umum bagi mereka adalah prinsip pencatatan informasi genetik, serta kode genetik. Asam amino yang sama dienkripsi dalam pro dan eukariota dengan kodon yang sama. Pada prinsipnya, penggunaan informasi herediter yang disimpan dalam DNA dilakukan dengan cara yang sama pada jenis sel ini. Pertama, itu ditranskripsi ke dalam urutan nukleotida molekul mRNA, dan kemudian diterjemahkan ke dalam urutan asam amino peptida pada ribosom dengan partisipasi tRNA. Namun, beberapa fitur organisasi materi herediter, yang membedakan sel eukariotik dari sel prokariotik, menyebabkan perbedaan dalam penggunaan informasi genetiknya.

Materi herediter sel prokariotik terutama terkandung dalam molekul DNA sirkular tunggal. Itu terletak langsung di sitoplasma sel, di mana ada juga tRNA dan enzim yang diperlukan untuk ekspresi gen, beberapa di antaranya terkandung dalam ribosom. Gen prokariotik seluruhnya terdiri dari pengkodean urutan nukleotida yang diwujudkan selama sintesis protein, tRNA atau rRNA.

Materi herediter eukariota lebih besar volumenya daripada prokariota. Itu terletak terutama di struktur nuklir khusus - kromosom, yang dipisahkan dari sitoplasma oleh amplop nuklir. Peralatan yang diperlukan untuk sintesis protein, yang terdiri dari ribosom, tRNA, satu set asam amino dan enzim, terletak di sitoplasma sel.

Perbedaan signifikan ada dalam organisasi molekul gen dalam sel eukariotik. Pada kebanyakan dari mereka, urutan pengkodean ekson terganggu oleh daerah intron yang tidak digunakan dalam sintesis tRNA, rRNA, atau peptida. Jumlah daerah tersebut bervariasi dalam gen yang berbeda. Telah ditetapkan bahwa gen ovalbumin ayam mencakup 7 intron, dan gen prokolagen mamalia - 50. Daerah ini dikeluarkan dari RNA transkripsi primer, dan oleh karena itu penggunaan informasi genetik dalam sel eukariotik terjadi agak berbeda. Dalam sel prokariotik, di mana materi herediter dan peralatan untuk biosintesis protein tidak terpisah secara spasial, transkripsi dan translasi terjadi hampir bersamaan. Dalam sel eukariotik, kedua tahap ini tidak hanya dipisahkan secara spasial oleh selubung nukleus, tetapi mereka juga dipisahkan oleh proses pematangan mRNA, dari mana urutan yang tidak informatif harus dihilangkan (Gbr. 35).

Beras. 35. Skema umum dari proses ekspresi informasi genetik dalam sel eukariotik

Selain perbedaan ini pada setiap tahap ekspresi informasi genetik, beberapa fitur jalannya proses ini pada pro dan eukariota dapat dicatat.

Transkripsi pada pro dan eukariota. Transkripsi adalah sintesis RNA pada cetakan DNA. Pada prokariota, sintesis ketiga jenis RNA dikatalisis oleh satu kompleks protein kompleks - RNA polimerase.

Aparat transkripsi sel eukariotik mencakup tiga RNA polimerase nuklir, serta RNA polimerase mitokondria dan plastid. RNA polimerase I ditemukan dalam nukleolus sel dan bertanggung jawab untuk transkripsi gen rRNA. RNA polimerase II terletak di getah nuklir dan bertanggung jawab untuk sintesis prekursor mRNA. RNA polimerase III adalah fraksi kecil yang ditemukan dalam getah nukleus dan terlibat dalam sintesis rRNA dan tRNA kecil. Masing-masing enzim ini memiliki dua subunit besar dan hingga 10 subunit kecil. RNA polimerase mitokondria dan plastida berbeda dari yang nuklir.

Kompleks enzim RNA polimerase secara khusus mengenali urutan nukleotida tertentu (seringkali lebih dari satu) yang terletak pada jarak tertentu dari titik awal transkripsi - promotor. Titik awalnya adalah nukleotida DNA yang sesuai dengan nukleotida pertama yang dimasukkan oleh enzim dalam transkrip RNA.

Pada prokariota, biasanya tidak jauh dari titik awal terhadap jalannya transkripsi adalah urutan enam nukleotida - TATAAT, yang disebut blok Pribnow. Ini adalah urutan rata-rata yang terdiri dari basis yang paling sering muncul, yang paling konservatif adalah basis 1, 2 dan 6. Kehadiran dalam urutan basa ini, yang sebagian besar dihubungkan oleh ikatan hidrogen ganda dengan basa komplementer dari untai lain, jelas memfasilitasi peleburan lokal heliks ganda DNA dan pembentukan dua wilayah untai tunggal pada kontak dengan RNA polimerase. Blok Pribnov terletak di posisi dari - 11 hingga - 5 atau dari - 14 hingga - 8, mis. beberapa nukleotida sebelum titik awal transkripsi (Gbr. 36). Setelah mendeteksi urutan ini, RNA polimerase mengikat kuat padanya dan memulai sintesis RNA. Peran yang sama pentingnya dalam membangun kontak antara RNA polimerase dan DNA milik urutan nukleotida lain, yang pusatnya berada di posisi - 35. Ini disebut wilayah pengenalan - TTGACA. Di antara dua area yang ditunjukkan, jaraknya cukup konstan dan berkisar antara 16 hingga 19 pasangan basa (bp).

Promotor gen eukariotik juga mencakup setidaknya dua urutan nukleotida spesifik yang berpusat pada -25 bp dan -75 bp.

Pada jarak 19-27 nukleotida dari titik awal terhadap jalannya transkripsi di banyak gen eukariotik, urutan statistik rata-rata TAT A T A A T (blok TATA, atau blok Hogness) ditemukan, di mana, seperti pada blok Pribnow pada prokariota, basa mendominasi, membentuk ikatan yang lebih lemah. Urutan kedua, ditemukan di banyak promotor eukariotik dan terdiri dari GG C T CAATCT, disebut sebagai blok CAAT. Ini menempati posisi antara -70 dan -80 nukleotida dan juga merupakan wilayah yang dikenali oleh polimerase. Pada beberapa gen, promotor multikomponen telah ditemukan.

Jadi, pada gen individu virus herpes, tiga sekuens DNA diperlukan untuk inisiasi transkripsi yang efektif, terletak antara -19 dan -27, antara -47 dan -61, dan juga antara -80 dan -105 nukleotida.

Gambar 36. Titik kontak untuk RNA polimerase yang terletak di untai atas DNA (promotor)

Ciri-ciri daerah promotor menunjukkan bahwa tidak hanya kombinasi basa di daerah tertentu dari promotor yang penting untuk inisiasi transkripsi, tetapi juga posisi relatif dalam molekul DNA daerah ini, tempat kompleks enzim RNA polimerase berikatan.

Setelah membentuk kontak antara RNA polimerase dan situs promotor, perakitan molekul RNA dimulai, yang paling sering mencakup nukleotida pertama yang membawa basa purin (biasanya adenin) dan mengandung tiga residu 5'-fosfat.

Selanjutnya, ketika RNA polimerase bergerak di sepanjang molekul DNA, terjadi pemanjangan rantai RNA secara bertahap, yang berlanjut sampai enzim bertemu dengan daerah terminator. Terminator adalah situs di mana pertumbuhan lebih lanjut dari rantai RNA berhenti dan dilepaskan dari template DNA. RNA polimerase juga dipisahkan dari DNA, yang membangun kembali struktur untai gandanya.

Gbr.37. Sebuah wilayah DNA dengan simetri ganda - sebuah palindrom:

I - palindrom, di mana ada urutan yang sama ketika membaca dalam arah yang berlawanan;

II - palindrom di mana pengulangan terbalik yang diarsir berada pada jarak dari sumbu simetri

Dalam sel prokariotik, terminator harus mengandung palindrom - urutan untai ganda nukleotida DNA yang terbaca sama di kedua arah (Gbr. 37). Wilayah RNA yang ditranskripsi dari urutan seperti itu mampu membentuk jepit rambut beruntai ganda karena pasangan komplementer nukleotida palindrom. Mungkin ini adalah sinyal untuk penyelesaian transkripsi, yang dikenali oleh RNA polimerase (Gbr. 3.38). Jepit rambut yang dihasilkan tampaknya menghentikan polimerase di terminator. Setelah jepit rambut, molekul RNA mencakup urutan nukleotida yang mengandung urasil (polyU), yang mungkin mengambil bagian dalam pelepasan RNA dari cetakan DNA. Memang, sekuens RNA poliU yang terkait dengan sekuens DNA poliadenil (poliA) dicirikan oleh interaksi yang lemah. Patut dicatat bahwa daerah DNA yang kaya akan pasangan A-T ditemukan tidak hanya di tempat inisiasi transkripsi (blok Pribnov), tetapi juga di daerah terminator.

Terminator bakteri sangat bervariasi dalam keefektifannya. Beberapa dari mereka, seolah-olah, tidak diperhatikan oleh RNA polimerase, dan melanjutkan transkripsi di luar terminator. Pembacaan terminator seperti itu selama transkripsi gen bakteri diamati sebagai akibat dari pencegahan penghentian oleh protein spesifik - faktor anti-penghentian. Konsekuensi dari anti-terminasi adalah sintesis mRNA polisistronik, yang mencakup informasi yang dihapus dari beberapa gen struktural yang terletak secara berurutan.

Terminator gen eukariotik telah dipelajari pada tingkat yang lebih rendah daripada di prokariota, tetapi mereka juga mengandung daerah yang kaya akan pasangan G-C yang dihubungkan oleh ikatan hidrogen rangkap tiga, di mana situs dengan pasangan A-T berada. Di situs ini, transkrip mencakup sekuens poliU yang berinteraksi lemah dengan wilayah templat poliA DNA.

Ada kemungkinan bahwa wilayah terminator, yang kaya akan pasangan G-C, memainkan peran tertentu dalam menghentikan RNA polimerase, dan wilayah RNA yang mengandung UUUU memastikan pemisahan transkrip dari cetakan DNA.

Pada eukariota, pembentukan struktur yang mirip dengan jepit rambut pada RNA prokariotik tidak ditemukan. Oleh karena itu, bagaimana penghentian transkripsi terjadi di dalamnya masih belum jelas.

Semua mRNA mengandung daerah pengkode yang mewakili satu set kodon yang mengkode urutan asam amino dalam peptida. Sebagai aturan, daerah ini dimulai dengan kodon awal AUG, tetapi kadang-kadang kodon GUT digunakan pada bakteri. Di akhir urutan pengkodean adalah kodon terminasi. Selain daerah pengkodean dalam mRNA, urutan tambahan dapat ditemukan di kedua ujungnya. Di ujung 5", ini adalah wilayah pemimpin, terletak sebelum kodon start. Di ujung 3", ada trailer yang mengikuti kodon terminator.

Gbr.38. Pembentukan jepit rambut oleh wilayah RNA selama penghentian transkripsi pada prokariota

Wilayah RNA yang membawa palindrom membentuk struktur pasangan komplementer - jepit rambut (pengulangan terbalik diarsir)

Dalam mRNA polikistronik prokariota, terdapat daerah intersistronik antara daerah pengkode, yang ukurannya bervariasi (Gbr. 3.39).

Gbr.39. RNA utusan polisistronik prokariota:

1 - daerah non-coding, 2 - daerah intercistronic, 3 - daerah pengkodean, 4 - kodon terminasi

Karena fakta bahwa gen prokariotik seluruhnya terdiri dari urutan nukleotida yang terlibat dalam pengkodean informasi, RNA ditranskripsi dari mereka segera setelah sintesis mereka dapat berfungsi sebagai template untuk terjemahan. Hanya dalam kasus luar biasa pematangan awal mereka diperlukan - pemrosesan.

Tidak seperti gen prokariotik, sebagian besar gen sel eukariotik terputus-putus, karena mereka membawa urutan nukleotida non-informatif dalam komposisinya - intron yang tidak terlibat dalam pengkodean informasi. Dalam hal ini, transkrip primer yang disintesis oleh RNA polimerase II lebih besar dari yang diperlukan untuk translasi dan kurang stabil. Bersama-sama, mereka membentuk apa yang disebut RNA nuklir heterogen (tRNA), yang, sebelum meninggalkan nukleus dan mulai berfungsi secara aktif di sitoplasma, mengalami pemrosesan dan berubah menjadi mRNA matang.

pemrosesan mRNA eukariotik. Pematangan, atau pemrosesan, mRNA melibatkan modifikasi transkrip primer dan penghapusan daerah intron non-coding darinya, diikuti oleh koneksi (penyambungan) urutan pengkodean - ekson. Modifikasi transkrip utama mRNA eukariotik dimulai segera setelah sintesis ujung 5" yang mengandung salah satu basa purin (adenin atau guanin). Sebuah tutup terbentuk di ujung ini, yang menghalangi ujung 5" mRNA dengan menempel pada nukleotida pertama dari transkrip trifosfonukleosida yang mengandung guanin, ikatan 5 "-5".

Gfff + fffAfN… → GfffAfN. + ff + f Akibatnya, urutan GfffAfFM... terbentuk, di mana residu tuanine berada dalam orientasi terbalik terhadap nukleotida mRNA lainnya. Modifikasi ujung mRNA 5" juga melibatkan metilasi guanin terlampir dan dua atau tiga basa pertama transkrip primer (Gbr. 3.40). Tutup yang terbentuk pada ujung 5" mRNA memastikan pengenalan molekul mRNA oleh subpartikel kecil ribosom dalam sitoplasma. Caching dilakukan bahkan sebelum akhir sintesis transkrip primer.

Beras. 40. Pembentukan mRNA eukariotik matang selama pemrosesan:

1 - urutan non-coding, 2 - ekson, 3 - intron, 4 - kodon terminator

Setelah transkripsi selesai, sebagian nukleotida di ujung 3 "transkrip primer dihilangkan dan urutan yang terdiri dari 100-200 residu asam adenilat (poliA) (Gbr. 3.40) melekat padanya. Dipercaya bahwa ini urutan berkontribusi untuk pemrosesan lebih lanjut dan transportasi mRNA matang dari nukleus Setelah pelepasan mRNA ke dalam sitoplasma, urutan poliA secara bertahap dipersingkat di bawah aksi enzim yang membelah nukleotida di ujung 3'. Dengan demikian, panjang sekuens poliA secara tidak langsung dapat menilai waktu tinggal mRNA dalam sitoplasma. Kemungkinan, penambahan urutan polyA selama pemrosesan meningkatkan stabilitas mRNA. Namun, sekitar sepertiga mRNA tidak mengandung situs poliA sama sekali. Ini termasuk, misalnya, mRNA histon.

Pembentukan tutup pada ujung 5' dan sekuens poliA pada ujung 3' merupakan karakteristik hanya untuk pemrosesan RNA yang disintesis oleh RNA polimerase II. Selain metilasi selama pembentukan tutup di mRNA eukariota yang lebih tinggi, metilasi sebagian kecil nukleotida internal terjadi pada frekuensi sekitar satu per seribu basa mRNA.

Seiring dengan modifikasi mRNA eukariotik, pemrosesan melibatkan penghapusan dari transkrip primer daerah intron yang tidak informatif untuk protein tertentu, yang ukurannya bervariasi dari 100 hingga 10.000 nukleotida atau lebih. Intron menyumbang sekitar 80% dari semua hnRNA. Penghapusan intron diikuti dengan bergabungnya daerah eksonik disebut splicing (Gbr. 40).

Penyambungan adalah mekanisme yang harus memastikan penghapusan daerah intron yang terdefinisi dengan baik dari transkrip utama. Pelanggaran proses ini dapat menyebabkan pergeseran kerangka pembacaan selama translasi dan ketidakmungkinan mensintesis peptida normal. Keteraturan eksisi intron tampaknya dipastikan dengan adanya urutan nukleotida spesifik di ujungnya, yang berfungsi sebagai sinyal untuk penyambungan.

Beberapa mekanisme penyambungan yang masuk akal sekarang telah dijelaskan untuk memastikan keakuratan proses ini. Mungkin hal itu dicapai dengan aksi beberapa enzim yang secara khusus mengenali bagian terminal intron dan mengkatalisis pemutusan ikatan fosfodiester di perbatasan ekson-intron, dan kemudian pembentukan ikatan antara dua ekson.

Partisipasi aktif dalam penyambungan RNA nuklir kecil khusus (snRNAs) yang membentuk kompleks dengan protein (snRNPs) telah ditetapkan. Jelas, snRNA berinteraksi secara komplementer dengan urutan nukleotidanya dengan daerah terminal intron, yang membentuk loop tertutup. Pembelahan RNA di mulut loop intron mengarah pada penghapusan urutan yang tidak informatif dan penyambungan (penyambungan) ujung ekson yang berdekatan.

Kemampuan autokatalitik transkrip RNA untuk penyambungan juga dibahas. Metode penyambungan yang dijelaskan menunjukkan tidak adanya mekanisme universal untuk proses ini, namun, dalam semua kasus, penghilangan intron yang akurat dicapai dengan pembentukan mRNA spesifik yang menyediakan sintesis protein yang diperlukan untuk sel.

Saat ini, kemungkinan penyambungan alternatif (saling eksklusif) telah terbukti, di mana urutan nukleotida yang berbeda dapat dihapus dari transkrip primer yang sama dan mRNA matang yang berbeda dapat dibentuk. Akibatnya, urutan nukleotida DNA yang sama dapat berfungsi sebagai informasi untuk sintesis peptida yang berbeda. Penyambungan alternatif mungkin sangat khas dalam sistem gen imunoglobulin mamalia, di mana memungkinkan pembentukan mRNA berdasarkan transkrip tunggal untuk sintesis berbagai jenis antibodi.

Karena transformasi yang terjadi dengan transkrip RNA selama pemrosesan, mRNA eukariotik matang lebih stabil daripada mRNA prokariotik.

Setelah pemrosesan selesai, mRNA matang dipilih sebelum memasuki sitoplasma, di mana hanya 5% hnRNA yang masuk. Sisanya dibelah tanpa meninggalkan nukleus.

Dengan demikian, transformasi transkrip utama gen eukariotik, karena organisasi eksonitroniknya dan kebutuhan untuk transfer mRNA dari nukleus ke sitoplasma, menentukan fitur implementasi informasi genetik dalam sel eukariotik.

Terjemahan dalam pro dan eukariota. Dalam sel prokariotik, proses translasi dikaitkan dengan sintesis mRNA: mereka terjadi hampir bersamaan. Sebagian besar, ini disebabkan oleh kerapuhan mRNA bakteri, yang dengan cepat terdegradasi. Hubungan antara transkripsi dan translasi pada bakteri dimanifestasikan dalam konsistensi laju proses ini. Pada suhu 37°C, transkripsi berlangsung dengan kecepatan 2500 nukleotida/menit (14 kodon/detik), dan translasi terjadi pada kecepatan 15 asam amino/detik.

Translasi pada prokariota dimulai segera setelah pembentukan ujung 5 mRNA, sebelum sintesisnya berakhir. Akibatnya, mengikuti RNA polimerase, ribosom bergerak di sepanjang mRNA, menyusun rantai peptida (Gbr. 41). Beberapa saat setelah permulaan transkripsi (sekitar 1 menit) dan sebelum selesainya translasi ujung 3' template, degradasi ujung 5' dimulai.Karena fakta bahwa masa hidup mRNA yang berbeda tidak sama, jumlah protein disintesis pada template yang berbeda berbeda.

Salah satu ciri translasi pada prokariota adalah penyertaan dalam rantai peptida sebagai asam amino pertama dari metionin - formilmetionin yang dimodifikasi, dari mana semua peptida yang baru disintesis dimulai. Bahkan dalam kasus ketika peran kodon awal dilakukan oleh kode GUG, yang mengkodekan valin dalam kondisi normal, formilmetionin muncul di posisi pertama peptida. Kodon awal AUG atau GUG mengikuti situs pemimpin, yang dilindungi oleh ribosom pada saat inisiasi translasi.

Hubungan ribosom dengan mRNA adalah karena interaksi komplementer dari nukleotida salah satu rRNA dengan urutan nukleotida pemimpin mRNA.

Urutan ini (Shine-Dalgarno) terletak 4-7 basa sebelum kodon AUG dan ditemukan di mana-mana di daerah pemimpin pada prokariota.

Ketika ujung 5' mRNA terhubung ke subunit kecil ribosom, kodon awal biasanya muncul hampir di tengah fragmen mRNA yang dilindungi oleh ribosom, di wilayah yang sesuai dengan situs P-nya.

Pada eukariota, translasi terjadi di sitoplasma, tempat mRNA matang masuk dari nukleus. Ujung mRNA yang disalin dikenali oleh subunit kecil ribosom, kemudian urutan terdepan, yang mengandung hingga 100 nukleotida, berinteraksi dengan rRNA. Dalam hal ini, kodon awal AUG berada di situs P ribosom yang belum selesai. Setelah aminoasil-tRNA yang membawa metionin melekat pada kodon awal, dua subunit ribosom dipersatukan kembali dan situs A- dan P-nya terbentuk. Sintesis protein dalam sel eukariotik, dilakukan pada mRNA monokistronik, selesai setelah ribosom melewati seluruh mRNA, sampai ia mengenali kodon terminator yang menghentikan pembentukan ikatan peptida.

Transformasi protein pasca-translasi. Rantai peptida yang disintesis selama translasi, berdasarkan struktur primernya, memperoleh organisasi sekunder dan tersier, dan banyak juga organisasi kuaterner yang dibentuk oleh beberapa rantai peptida. Tergantung pada fungsi yang dilakukan oleh protein, urutan asam aminonya dapat mengalami berbagai transformasi, membentuk molekul protein yang aktif secara fungsional.

Banyak protein membran disintesis sebagai preprotein dengan urutan pemimpin di N-terminus yang memberinya pengenalan membran. Urutan ini terputus selama pematangan dan penggabungan protein ke dalam membran. Protein sekretori juga memiliki urutan pemimpin di N-terminus yang memastikan transportasi mereka melintasi membran. Beberapa protein, segera setelah translasi, membawa rangkaian asam amino tambahan yang menentukan stabilitas prekursor protein aktif. Selama pematangan protein, mereka dihilangkan, memungkinkan transisi proprotein tidak aktif menjadi protein aktif. Misalnya, insulin awalnya disintesis sebagai preproinsulin. Selama sekresi, urutan sebelumnya dibelah, dan kemudian proinsulin mengalami modifikasi di mana bagian dari rantai dihapus darinya dan berubah menjadi insulin matang.

Gbr.41. Transkripsi, translasi dan degradasi mRNA pada prokariota:

I - RNA polimerase mengikat DNA dan mulai mensintesis mRNA ke arah 5 "→ 3";

II - saat RNA polimerase maju, ribosom melekat pada ujung 5' mRNA, memulai sintesis protein;

III - sekelompok ribosom mengikuti RNA polimerase, degradasinya dimulai pada ujung 5' mRNA;

IV - proses degradasi lebih lambat dari transkripsi dan translasi;

V - setelah akhir transkripsi, mRNA dilepaskan dari DNA, translasi dan degradasi pada ujung 5 "lanjutkan di atasnya

Membentuk organisasi tersier dan kuaterner selama transformasi pasca-translasi, protein memperoleh kemampuan untuk berfungsi secara aktif, termasuk dalam struktur seluler tertentu dan melakukan fungsi enzimatik dan lainnya.

Fitur yang dipertimbangkan dari implementasi informasi genetik dalam sel pro dan eukariotik mengungkapkan kesamaan mendasar dari proses ini. Akibatnya, mekanisme ekspresi gen yang terkait dengan transkripsi dan translasi informasi selanjutnya yang dienkripsi dengan bantuan kode biologis telah berkembang secara keseluruhan bahkan sebelum kedua jenis organisasi seluler ini terbentuk. Evolusi yang berbeda dari genom pro dan eukariota menyebabkan perbedaan dalam organisasi materi keturunan mereka, yang tidak bisa tidak mempengaruhi mekanisme ekspresinya.

Peningkatan konstan pengetahuan kita tentang organisasi dan fungsi materi hereditas dan variabilitas menentukan evolusi ide tentang gen sebagai unit fungsional dari materi ini.

Blok 2. DNA. Soal 5,6,7.

Struktur DNA. Model J. Watson dan F. Crick. Sifat dan fungsi bahan keturunan.

Reproduksi sendiri materi genetik. replikasi DNA.

Organisasi materi turun-temurun dalam pro dan eukariota. Klasifikasi urutan nukleotida dalam genom eukariotik (unik, cukup berulang, sangat berulang).

Pada tahun 1868, ahli kimia Swiss F. Miescher menemukan inti sel yang diisolasi dari nanah, dan kemudian dari sperma salmon, zat yang ia sebut "nuklein" (dari bahasa Latin nukleus - nukleus). Selanjutnya, R. Altmann (1889) melaporkan bahwa "nuklein" yang diisolasi oleh F. Miescher terdiri dari dua fraksi - protein dan asam nukleat. Asam nukleat, seperti protein, memiliki struktur primer (yang dimaksud dengan urutan nukleotidanya) dan struktur tiga dimensi. Ketertarikan pada struktur DNA meningkat ketika, pada awal abad ke-20. ada anggapan bahwa DNA, kemungkinan materi genetik. Pada tahun 1952, Chargaff menemukan aturan saling melengkapi, yang kemudian dinamai menurut penciptanya. Itu terletak pada kenyataan bahwa:

1. Jumlah adenin sama dengan jumlah timin, dan guanin sama dengan sitosin: A=T, G=C.
2. Jumlah purin sama dengan jumlah pirimidin: A + G = T + C.
3. Jumlah basa dengan gugus amino pada posisi 6 sama dengan jumlah basa dengan gugus keto pada posisi 6: A+C=G+T.

Selanjutnya, x-ray DNA diperoleh oleh Wilkinson. Dan beberapa saat kemudian, Watson dan Crick pada tahun 1953 mengusulkan model DNA mereka sendiri, yang bersama dengan Wilkinson, mereka dianugerahi Hadiah Nobel pada tahun 1962.

Prinsip dasar struktur DNA.

1. Monomer nukleotida DNA yang terdiri dari basa nitrogen, deoksiribosa, dan residu asam fosfat. Basa nitrogen dapat purin A, G atau pirimidin C, T

2. Basa nitrogen terikat pada atom karbon C1 dalam molekul pentosa, dan fosfat terikat pada C5. Atom ketiga selalu memiliki golongan DIA.

3. Ketika fosfat dari satu nukleotida berinteraksi dengan hidroksil deoksiribosa dari yang lain, ikatan fosfodiester.

4. Hubungan nukleotida terjadi melalui OH dari pentosa ke posisi C3 dan fosfat dari nukleotida berikutnya.

5. DNA adalah rantai polinukleotida ganda. Dua rantai polinukleotida dihubungkan oleh ikatan hidrogen prinsip saling melengkapi A-T dan G-C. Ada dua ikatan hidrogen antara A dan T, dan tiga ikatan hidrogen antara T dan C.

6. Antiparalelisme. Ujung ke-5 dari satu rantai terhubung ke ujung ke-3 dari rantai lainnya.

7. Diameter heliks DNA adalah 2 nm, dan panjang nada adalah 3,4 nm. Ada 10 pasangan basa per giliran.

8. Struktur Utama- rantai polinukleotida.

struktur sekunder- dua rantai polinukleotida antiparalel komplementer.

Struktur tersier- spiral tiga dimensi.

9. DNA memiliki kemampuan untuk bereplikasi.

REPLIKASI.

1 - rantai templat DNA; 2 - enzim helikase, memisahkan rantai DNA matriks; 3 - DSB-protein yang mencegah penyatuan kembali rantai DNA; 4 - primata; 5 - RNA primer (disintesis oleh RNA polimerase - primase); 6 - rantai anak yang mensintesis DNA polimerase; 7 - untaian putri utama DNA; 8 - ligase yang menghubungkan fragmen Okazaki dari untai DNA yang tertinggal; 9 - Fragmen Okazaki (150-200 nukleotida); 10 - topoisomerase

Sintesis molekul DNA baru dilakukan dengan cara semi-konservatif. Ini berarti bahwa molekul anak akan mengandung satu induk dan satu untai yang baru disintesis. Karena sintesis DNA terjadi pada templat untai tunggal, itu didahului oleh pemisahan sementara wajib dari dua untai, dengan pembentukan garpu replikasi. Menggunakan mikroskop elektron, daerah replikasi ditemukan memiliki penampilan mata di dalam DNA yang tidak direplikasi (mata replikasi terdiri dari sekitar 300 nukleotida).

Replika- Fragmen DNA dari titik asal replikasi ke titik penghentiannya.

Untuk melepas heliks DNA, enzim khusus (protein). Beberapa enzim mengambil bagian dalam replikasi, yang masing-masing menjalankan fungsinya sendiri.

DNA helikase (helikase) memutuskan ikatan hidrogen antara basa, memisahkan untaian, dan memajukan garpu replikasi.

Protein yang tidak stabil memegang rantai.

DNA adalah topoisomerase. Ingatlah bahwa DNA adalah heliks. Oleh karena itu, agar garpu dapat bergerak maju, spiral harus cepat lepas. Tapi ini akan membutuhkan kehilangan energi yang besar. Faktanya, ini masih tidak terjadi. Ini difasilitasi oleh DNA topoisomerase. Mereka memperkenalkan pemutusan untai tunggal dan ganda ke dalam rantai, memungkinkan rantai untuk terpisah, dan kemudian menghilangkan pemutusan ini. Berkat salah satu untai DNA mulai berputar di sekitar untai kedua. Mereka juga terlibat dalam pelepasan cincin yang terbentuk selama replikasi DNA sirkular.

Sintesis untai DNA terjadi dengan bantuan DNA polimerase. Namun enzim ini memiliki kekhasan. Ia mampu menambahkan nukleotida ke ujung ke-3 dari rantai yang ada. Sirkuit pra-bentuk seperti itu disebut benih, yang mensintesis primata. Primer RNA berbeda dari untai DNA lainnya karena mengandung ribosa. Ukuran bijinya kecil. Benih yang telah menjalankan fungsinya dihilangkan oleh enzim khusus, dan celah yang terbentuk dalam hal ini dihilangkan. DNA polimerase(dalam hal ini, alih-alih benih, ia menggunakan ujung 3OH dari fragmen DNA yang berdekatan).

Replikasi DNA mengasumsikan bahwa sintesis dua untai terjadi secara bersamaan. Tetapi pada kenyataannya, hal-hal tidak berjalan seperti itu. Ingat rantai itu bersifat antiparalel. Dan sintesis rantai baru hanya dapat terjadi dalam arah dari ujung 5 sampai ujung 3. Oleh karena itu, sintesis terus menerus hanya terjadi pada satu rantai (leading). Pada yang kedua (tertinggal di belakang) itu terjadi di fragmen Okazaki. Sintesis masing-masing fragmen dilakukan menggunakan primer RNA. Primer kemudian dihilangkan, celah diisi dengan DNA polimerase, dan fragmen dihubungkan silang dengan enzim. ligase .

Organisasi struktural dan fungsional DNA pada pro dan eukariota

Pelajari tabelnya, salin ke buku kerja.

Asam nukleat adalah zat makromolekul yang terdiri dari mononukleotida, yang dihubungkan satu sama lain dalam rantai polimer menggunakan 3",5" - ikatan fosfodiester dan dikemas dalam sel dengan cara tertentu.

Asam nukleat adalah biopolimer dari dua varietas: asam ribonukleat (RNA) dan asam deoksiribonukleat (DNA). Setiap biopolimer terdiri dari nukleotida yang berbeda dalam residu karbohidrat (ribosa, deoksiribosa) dan salah satu basa nitrogen (urasil, timin). Dengan demikian, asam nukleat mendapatkan namanya.

Struktur asam deoksiribonukleat

Asam nukleat memiliki struktur primer, sekunder dan tersier.

Struktur primer DNA

Struktur utama DNA adalah rantai polinukleotida linier di mana mononukleotida dihubungkan oleh ikatan fosfodiester 3", 5". Bahan awal untuk merakit rantai asam nukleat dalam sel adalah nukleosida 5'-trifosfat, yang, sebagai hasil dari penghilangan residu dan asam fosfat, dapat mengikat atom karbon 3' dari nukleosida lain. . Jadi, atom karbon 3" dari satu deoksiribosa secara kovalen mengikat atom karbon 5" dari deoksiribosa lain melalui satu residu asam fosfat dan membentuk rantai polinukleotida linier asam nukleat. Oleh karena itu namanya: ikatan 3", 5"-fosfodiester. Basa nitrogen tidak mengambil bagian dalam koneksi nukleotida dari satu rantai (Gbr. 1.).

Hubungan seperti itu, antara residu asam fosfat dari satu nukleotida dan karbohidrat yang lain, mengarah pada pembentukan tulang punggung pentosa-fosfat dari molekul polinukleotida, di mana basa nitrogen ditambahkan satu demi satu dari samping. Urutan mereka dalam rantai molekul asam nukleat sangat spesifik untuk sel-sel organisme yang berbeda, yaitu. memiliki karakter tertentu (aturan Chargaff).

Rantai DNA linier, yang panjangnya tergantung pada jumlah nukleotida yang termasuk dalam rantai, memiliki dua ujung: satu disebut ujung 3 "dan mengandung hidroksil bebas, dan ujung lainnya, ujung 5", mengandung asam fosfat. residu. Sirkuitnya polar dan bisa 5"->3" dan 3"->5". Pengecualian adalah DNA sirkular.

"Teks" genetik DNA terdiri dari "kata" kode - triplet nukleotida yang disebut kodon. Segmen DNA yang mengandung informasi tentang struktur primer semua jenis RNA disebut gen struktural.

Rantai DNA polinukleodit mencapai ukuran raksasa, sehingga mereka dikemas dengan cara tertentu di dalam sel.

Mempelajari komposisi DNA, Chargaff (1949) menetapkan keteraturan penting mengenai isi basa DNA individu. Mereka membantu mengungkap struktur sekunder DNA. Pola-pola ini disebut aturan Chargaff. Aturan Chargaff jumlah nukleotida purin sama dengan jumlah nukleotida pirimidin, yaitu A + G / C + T \u003d 1 kandungan adenin sama dengan kandungan timin (A = T, atau A / T = 1); kandungan guanin sama dengan kandungan sitosin (G = C, atau G/C = 1); jumlah gugus 6-amino sama dengan jumlah gugus 6-keto basa yang terkandung dalam DNA: G + T = A + C; hanya jumlah A + T dan G + C yang variabel. Jika A + T > G-C, maka ini adalah DNA tipe AT; jika G + C > A + T, maka ini adalah jenis DNA GC. Aturan-aturan ini mengatakan bahwa ketika membangun DNA, korespondensi (pemasangan) yang agak ketat harus diperhatikan bukan untuk basa purin dan pirimidin secara umum, tetapi secara khusus untuk timin dengan adenin dan sitosin dengan guanin. Berdasarkan aturan ini, antara lain, pada tahun 1953 Watson dan Crick mengusulkan model struktur sekunder DNA, yang disebut heliks ganda (Gbr.).

Struktur sekunder DNA

Struktur sekunder DNA adalah heliks ganda, model yang diusulkan oleh D. Watson dan F. Crick pada tahun 1953.

Prasyarat untuk membuat model DNA

Sebagai hasil dari analisis awal, idenya adalah bahwa DNA asal mana pun mengandung keempat nukleotida dalam jumlah molar yang sama. Namun, pada tahun 1940-an, E. Chargaff dan rekan-rekannya, sebagai hasil analisis DNA yang diisolasi dari berbagai organisme, dengan jelas menunjukkan bahwa basa nitrogen terkandung di dalamnya dalam berbagai rasio kuantitatif. Chargaff menemukan bahwa, meskipun rasio ini sama untuk DNA dari semua sel dari spesies organisme yang sama, DNA dari spesies yang berbeda dapat sangat berbeda dalam kandungan nukleotida tertentu. Ini menunjukkan bahwa perbedaan rasio basa nitrogen mungkin terkait dengan beberapa kode biologis. Meskipun rasio basa purin dan pirimidin individu dalam sampel DNA yang berbeda tidak sama, ketika membandingkan hasil analisis, pola tertentu terungkap: di semua sampel, jumlah total purin sama dengan jumlah total pirimidin ( A + G = T + C), jumlah adenin sama dengan jumlah timin (A = T), dan jumlah guanin - jumlah sitosin (G = C). DNA yang diisolasi dari sel mamalia umumnya lebih kaya adenin dan timin dan relatif lebih miskin guanin dan sitosin, sedangkan DNA dari bakteri lebih kaya guanin dan sitosin dan relatif lebih miskin adenin dan timin. Data ini membentuk bagian penting dari materi faktual, yang menjadi dasar model struktur DNA Watson-Crick kemudian dibangun.

Indikasi tidak langsung penting lainnya tentang kemungkinan struktur DNA adalah data L. Pauling tentang struktur molekul protein. Pauling menunjukkan bahwa beberapa konfigurasi stabil yang berbeda dari rantai asam amino dimungkinkan dalam molekul protein. Salah satu konfigurasi umum rantai peptida - -helix - adalah struktur heliks reguler. Dengan struktur seperti itu, pembentukan ikatan hidrogen antara asam amino yang terletak pada putaran rantai yang berdekatan dimungkinkan. Pauling menggambarkan konfigurasi -heliks dari rantai polipeptida pada tahun 1950 dan menyarankan bahwa molekul DNA mungkin juga memiliki struktur heliks yang difiksasi oleh ikatan hidrogen.

Namun, informasi paling berharga tentang struktur molekul DNA diberikan oleh hasil analisis difraksi sinar-X. Sinar-X, melewati kristal DNA, mengalami difraksi, yaitu, mereka dibelokkan ke arah tertentu. Derajat dan sifat pembelokan sinar bergantung pada struktur molekul itu sendiri. Pola difraksi sinar-X (Gbr. 3) memberi mata yang berpengalaman sejumlah indikasi tidak langsung mengenai struktur molekul zat yang diteliti. Analisis pola difraksi sinar-X DNA menghasilkan kesimpulan bahwa basa nitrogen (memiliki bentuk datar) ditumpuk seperti tumpukan pelat. Pola sinar-X memungkinkan untuk mengidentifikasi tiga periode utama dalam struktur DNA kristal: 0,34, 2, dan 3,4 nm.

Model DNA Watson-Crick

Mulai dari data analitik Chargaff, sinar-x Wilkins, dan ahli kimia yang memberikan informasi tentang jarak yang tepat antara atom dalam suatu molekul, tentang sudut antara ikatan atom tertentu, dan tentang ukuran atom, Watson dan Crick mulai membangun model fisik komponen individu molekul DNA pada skala tertentu, dan "menyesuaikan" mereka satu sama lain sedemikian rupa sehingga sistem yang dihasilkan sesuai dengan berbagai data eksperimen [menunjukkan] .

Bahkan sebelumnya, diketahui bahwa nukleotida yang berdekatan dalam rantai DNA dihubungkan oleh jembatan fosfodiester yang menghubungkan atom karbon 5' deoksiribosa dari satu nukleotida ke atom karbon 3' deoksiribosa dari nukleotida berikutnya. Watson dan Crick tidak ragu bahwa periode 0,34 nm sesuai dengan jarak antara nukleotida berturut-turut dalam untai DNA. Selanjutnya, dapat diasumsikan bahwa periode 2 nm sesuai dengan ketebalan rantai. Dan untuk menjelaskan struktur nyata apa yang sesuai dengan periode 3,4 nm, Watson dan Crick, serta Pauling sebelumnya, berasumsi bahwa rantai itu dipelintir dalam bentuk spiral (atau, lebih tepatnya, membentuk heliks, karena spiral dalam arti sempit kata ini diperoleh ketika belokan membentuk kerucut daripada permukaan silinder di ruang angkasa). Kemudian periode 3,4 nm akan sesuai dengan jarak antara putaran spiral yang berurutan. Spiral semacam itu bisa sangat padat atau agak meregang, mis., belokannya bisa datar atau curam. Karena periode 3,4 nm tepat 10 kali jarak antara nukleotida berurutan (0,34 nm), jelas bahwa setiap putaran penuh heliks mengandung 10 nukleotida. Dari data tersebut, Watson dan Crick mampu menghitung kerapatan rantai polinukleotida yang dipilin menjadi heliks dengan diameter 2 nm, dengan jarak antar lilitan sebesar 3,4 nm. Ternyata untaian seperti itu akan memiliki kepadatan setengah dari kepadatan DNA yang sebenarnya, yang telah diketahui. Saya harus berasumsi bahwa molekul DNA terdiri dari dua rantai - bahwa itu adalah heliks ganda nukleotida.

Tugas selanjutnya adalah, tentu saja, untuk menjelaskan hubungan spasial antara dua untai yang membentuk heliks ganda. Setelah mencoba sejumlah susunan untai pada model fisiknya, Watson dan Crick menemukan bahwa yang paling cocok untuk semua data yang tersedia adalah di mana dua heliks polinukleotida berjalan dalam arah yang berlawanan; dalam hal ini, rantai yang terdiri dari residu gula dan fosfat membentuk permukaan heliks ganda, dan purin dan pirimidin terletak di dalamnya. Basa yang terletak saling berhadapan, milik dua rantai, dihubungkan berpasangan oleh ikatan hidrogen; ikatan hidrogen inilah yang menyatukan rantai, sehingga memperbaiki konfigurasi keseluruhan molekul.

Heliks ganda DNA dapat dianggap sebagai tangga tali heliks, dengan anak tangga tetap horizontal. Kemudian dua tali memanjang akan sesuai dengan rantai residu gula dan fosfat, dan palang akan sesuai dengan pasangan basa nitrogen yang dihubungkan oleh ikatan hidrogen.

Sebagai hasil studi lebih lanjut dari model yang mungkin, Watson dan Crick sampai pada kesimpulan bahwa setiap "palang" harus terdiri dari satu purin dan satu pirimidin; pada periode 2 nm (sesuai dengan diameter heliks ganda), tidak akan ada cukup ruang untuk dua purin, dan dua pirimidin tidak dapat cukup berdekatan untuk membentuk ikatan hidrogen yang tepat. Sebuah studi mendalam dari model rinci menunjukkan bahwa adenin dan sitosin, yang merupakan kombinasi dari ukuran yang tepat, masih tidak dapat ditemukan sedemikian rupa sehingga ikatan hidrogen terbentuk di antara mereka. Laporan serupa juga memaksa kombinasi guanin-timin untuk dikeluarkan, sedangkan kombinasi adenin-timin dan guanin-sitosin ditemukan cukup dapat diterima. Sifat ikatan hidrogen sedemikian rupa sehingga adenin berpasangan dengan timin, dan guanin berpasangan dengan sitosin. Konsep pasangan basa spesifik ini memungkinkan untuk menjelaskan "aturan Chargaff", yang menurutnya dalam setiap molekul DNA jumlah adenin selalu sama dengan kandungan timin, dan jumlah guanin selalu sama dengan jumlah sitosin. . Dua ikatan hidrogen terbentuk antara adenin dan timin, dan tiga ikatan antara guanin dan sitosin. Karena kekhususan ini dalam pembentukan ikatan hidrogen terhadap setiap adenin dalam satu rantai, timin berada di rantai lainnya; dengan cara yang sama, hanya sitosin yang dapat ditempatkan pada setiap guanin. Dengan demikian, rantai saling melengkapi satu sama lain, yaitu urutan nukleotida dalam satu rantai secara unik menentukan urutannya di rantai lainnya. Kedua rantai berjalan dalam arah yang berlawanan dan gugus ujung fosfatnya berada di ujung yang berlawanan dari heliks ganda.

Sebagai hasil penelitian mereka, pada tahun 1953 Watson dan Crick mengusulkan model struktur molekul DNA (Gbr. 3), yang masih relevan hingga saat ini. Menurut model, molekul DNA terdiri dari dua rantai polinukleotida komplementer. Setiap untai DNA adalah polinukleotida yang terdiri dari beberapa puluh ribu nukleotida. Di dalamnya, nukleotida tetangga membentuk tulang punggung pentosa-fosfat biasa karena kombinasi residu asam fosfat dan deoksiribosa oleh ikatan kovalen yang kuat. Basa nitrogen dari satu rantai polinukleotida diatur dalam urutan yang ditentukan secara ketat terhadap basa nitrogen yang lain. Pergantian basa nitrogen dalam rantai polinukleotida tidak teratur.

Susunan basa nitrogen dalam rantai DNA bersifat komplementer (dari bahasa Yunani "komplemen" - adisi), mis. melawan adenin (A) selalu timin (T), dan melawan guanin (G) - hanya sitosin (C). Ini dijelaskan oleh fakta bahwa A dan T, serta G dan C, sangat sesuai satu sama lain, yaitu. saling memuji. Korespondensi ini diberikan oleh struktur kimia basa, yang memungkinkan pembentukan ikatan hidrogen dalam sepasang purin dan pirimidin. Antara A dan T ada dua ikatan, antara G dan C - tiga. Ikatan ini memberikan stabilisasi parsial molekul DNA di ruang angkasa. Stabilitas heliks ganda berbanding lurus dengan jumlah ikatan G≡C, yang lebih stabil daripada ikatan A=T.

Urutan nukleotida yang diketahui dalam satu untai DNA memungkinkan, dengan prinsip saling melengkapi, untuk membentuk nukleotida untai lain.

Selain itu, telah ditetapkan bahwa basa nitrogen yang memiliki struktur aromatik terletak satu di atas yang lain dalam larutan berair, seolah-olah membentuk setumpuk koin. Proses pembentukan tumpukan molekul organik ini disebut susun. Rantai polinukleotida dari molekul DNA dari model Watson-Crick yang dipertimbangkan memiliki keadaan fisikokimia yang serupa, basa nitrogennya disusun dalam bentuk tumpukan koin, di antara bidang-bidang di mana interaksi van der Waals (interaksi susun) terjadi.

Ikatan hidrogen antara basa komplementer (horizontal) dan interaksi susun antara bidang basa dalam rantai polinukleotida karena gaya van der Waals (secara vertikal) memberikan stabilisasi tambahan pada molekul DNA di ruang angkasa.

Tulang punggung gula-fosfat dari kedua rantai diputar ke luar, dan basanya mengarah ke dalam, menuju satu sama lain. Arah untaian dalam DNA adalah antiparalel (salah satunya memiliki arah 5"->3", yang lain - 3"->5", yaitu ujung 3" dari satu untai terletak di seberang ujung 5"). dari yang lain.). Rantai membentuk heliks kanan dengan sumbu yang sama. Satu putaran heliks adalah 10 nukleotida, ukuran putaran 3,4 nm, tinggi setiap nukleotida adalah 0,34 nm, diameter heliks adalah 2,0 nm. Sebagai hasil dari rotasi satu untai di sekitar yang lain, alur utama (berdiameter sekitar 20 ) dan alur kecil (sekitar 12 ) terbentuk dalam heliks ganda DNA. Bentuk heliks ganda Watson-Crick ini kemudian disebut bentuk-B. Dalam sel, DNA biasanya ada dalam bentuk B, yang paling stabil.

Fungsi DNA

Model yang diusulkan menjelaskan banyak sifat biologis asam deoksiribonukleat, termasuk penyimpanan informasi genetik dan keragaman gen, yang disediakan oleh berbagai kombinasi berurutan dari 4 nukleotida dan fakta keberadaan kode genetik, kemampuan untuk mereproduksi sendiri dan mengirimkan informasi genetik, yang disediakan oleh proses replikasi, dan implementasi informasi genetik dalam bentuk protein, serta senyawa lain yang dibentuk dengan bantuan protein enzim.

Fungsi dasar DNA.

1. DNA adalah pembawa informasi genetik, yang dipastikan oleh fakta keberadaan kode genetik.
2. Reproduksi dan transmisi informasi genetik dalam generasi sel dan organisme. Fungsi ini disediakan oleh proses replikasi.
3. Implementasi informasi genetik dalam bentuk protein, serta senyawa lain yang dibentuk dengan bantuan protein enzim. Fungsi ini disediakan oleh proses transkripsi dan translasi.

Bentuk organisasi DNA untai ganda

DNA dapat membentuk beberapa jenis heliks ganda (Gbr. 4). Saat ini, enam bentuk sudah diketahui (dari A ke E dan Z-bentuk).

Bentuk struktural DNA, seperti yang ditetapkan oleh Rosalind Franklin, bergantung pada saturasi molekul asam nukleat dengan air. Dalam studi serat DNA menggunakan analisis difraksi sinar-X, ditunjukkan bahwa pola difraksi sinar-X secara radikal tergantung pada kelembaban relatif, pada tingkat saturasi air serat ini, eksperimen berlangsung. Jika serat cukup jenuh dengan air, maka satu radiografi diperoleh. Ketika dikeringkan, pola sinar-X yang sama sekali berbeda muncul, sangat berbeda dari pola sinar-X dari serat kelembaban tinggi.

Molekul DNA kelembaban tinggi disebut B-shape. Di bawah kondisi fisiologis (konsentrasi garam rendah, tingkat hidrasi tinggi), tipe struktural DNA yang dominan adalah bentuk-B (bentuk utama DNA untai ganda adalah model Watson-Crick). Pitch heliks dari molekul semacam itu adalah 3,4 nm. Ada 10 pasangan komplementer per putaran dalam bentuk tumpukan "koin" bengkok - basa nitrogen. Tumpukan disatukan oleh ikatan hidrogen antara dua "koin" yang berlawanan dari tumpukan, dan "digulung" dengan dua pita tulang punggung fosfodiester yang dipilin menjadi heliks tangan kanan. Bidang basa nitrogen tegak lurus terhadap sumbu heliks. Pasangan komplementer yang bertetangga diputar relatif satu sama lain sebesar 36°. Diameter heliks adalah 20Å, dengan nukleotida purin menempati 12 dan nukleotida pirimidin menempati 8Å.

Molekul DNA dengan kelembaban rendah disebut bentuk-A. Bentuk A terbentuk di bawah kondisi hidrasi yang kurang tinggi dan pada kandungan ion Na + atau K + yang lebih tinggi. Konformasi tangan kanan yang lebih lebar ini memiliki 11 pasangan basa per putaran. Bidang basa nitrogen memiliki kecenderungan yang lebih kuat terhadap sumbu heliks, mereka menyimpang dari normal ke sumbu heliks sebesar 20°. Ini menyiratkan adanya rongga internal dengan diameter 5 . Jarak antara nukleotida yang berdekatan adalah 0,23 nm, panjang kumparan 2,5 nm, dan diameter heliks 2,3 nm.

Awalnya, bentuk-A DNA dianggap kurang penting. Namun, belakangan ternyata bentuk-A dari DNA, serta bentuk-B, sangat penting secara biologis. Heliks RNA-DNA dalam kompleks template-seed memiliki bentuk-A, serta heliks RNA-RNA dan struktur jepit rambut RNA (gugus 2'-hidroksil ribosa tidak memungkinkan molekul RNA membentuk bentuk-B) . A-bentuk DNA ditemukan dalam spora. Telah ditetapkan bahwa DNA bentuk-A 10 kali lebih tahan terhadap sinar UV daripada bentuk-B.

Bentuk A dan bentuk B disebut bentuk kanonik DNA.

Formulir C-E juga tangan kanan, pembentukan mereka hanya dapat diamati dalam eksperimen khusus, dan, tampaknya, mereka tidak ada secara in vivo. Bentuk-C DNA memiliki struktur yang mirip dengan B-DNA. Jumlah pasangan basa per putaran adalah 9,33, dan panjang heliks adalah 3,1 nm. Pasangan basa miring pada sudut 8 derajat relatif terhadap posisi tegak lurus terhadap sumbu. Ukuran alurnya mendekati alur B-DNA. Dalam hal ini, alur utama agak lebih kecil, dan alur minor lebih dalam. Polinukleotida DNA alami dan sintetis dapat masuk ke dalam bentuk-C.

Tabel 1. Karakteristik beberapa jenis struktur DNA
Tipe spiral	SEBUAH	B	Z
Nada spiral	0,32 nm	3,38 nm	4,46 nm
Putaran spiral	Benar	Benar	Kiri
Jumlah pasangan basa per putaran	11	10	12
Jarak antara bidang dasar	0,256 nm	0,338 nm	0,371 nm
Konformasi ikatan glikosidik	anti	anti	anti-C syn-G
Konformasi cincin furanosa	C3 "-endo	C2 "-endo	C3 "-endo-G C2 "-endo-C
Lebar alur, kecil/besar	1,11/0,22 nm	0,57/1,17 nm	0,2/0,88 nm
Kedalaman alur, kecil/besar	0,26/1,30 nm	0,82/0,85 nm	1,38/0,37 nm
Diameter spiral	2,3 nm	2.0 nm	1,8 nm

Elemen struktural DNA
(struktur DNA non-kanonik)

Elemen struktural DNA termasuk struktur yang tidak biasa dibatasi oleh beberapa urutan khusus:

DNA bentuk-Z - terbentuk di tempat-tempat DNA bentuk-B, di mana purin bergantian dengan pirimidin atau dalam pengulangan yang mengandung sitosin termetilasi. Palindrom adalah urutan flip, pengulangan terbalik dari urutan basa, memiliki simetri orde kedua sehubungan dengan dua untai DNA dan membentuk "jepit rambut" dan "persilangan". Bentuk-H DNA dan DNA heliks rangkap tiga terbentuk ketika ada situs yang hanya mengandung purin dalam satu untai dupleks Watson-Crick normal, dan di untai kedua, masing-masing, pirimidin saling melengkapi. G-quadruplex (G-4) adalah heliks DNA empat untai, di mana 4 basa guanin dari untai yang berbeda membentuk G-kuartet (G-tetrads), disatukan oleh ikatan hidrogen untuk membentuk G-quadruplex.

DNA bentuk Z ditemukan pada tahun 1979 saat mempelajari heksanukleotida d(CG)3 - . Itu dibuka oleh profesor MIT Alexander Rich dan stafnya. Bentuk Z telah menjadi salah satu elemen struktural DNA yang paling penting karena fakta bahwa pembentukannya diamati di daerah DNA di mana purin bergantian dengan pirimidin (misalnya, 5'-HCHCHC-3'), atau dalam pengulangan 5' -CHCHCH-3' mengandung sitosin termetilasi. Kondisi penting untuk pembentukan dan stabilisasi Z-DNA adalah adanya nukleotida purin di dalam sin-konformasi, bergantian dengan basa pirimidin dalam anti-konformasi.

Molekul DNA alami sebagian besar ada dalam bentuk B yang tepat kecuali mereka mengandung urutan seperti (CG)n. Namun, jika urutan tersebut adalah bagian dari DNA, maka daerah ini, ketika kekuatan ionik dari larutan atau kation yang menetralkan muatan negatif pada tulang punggung fosfodiester, dapat berubah menjadi bentuk-Z, sementara daerah DNA lain dalam rantai tetap ada. dalam bentuk B klasik. Kemungkinan transisi semacam itu menunjukkan bahwa dua untai dalam heliks ganda DNA berada dalam keadaan dinamis dan dapat melepaskan diri relatif satu sama lain, berpindah dari bentuk kanan ke bentuk kiri dan sebaliknya. Konsekuensi biologis dari labilitas tersebut, yang memungkinkan transformasi konformasi struktur DNA, belum sepenuhnya dipahami. Dipercaya bahwa daerah Z-DNA berperan dalam regulasi ekspresi gen tertentu dan terlibat dalam rekombinasi genetik.

Bentuk Z DNA adalah heliks ganda kidal, di mana tulang punggung fosfodiester adalah zigzag sepanjang sumbu molekul. Oleh karena itu nama molekul (zigzag)-DNA. Z-DNA adalah yang paling sedikit terpelintir (12 pasangan basa per putaran) dan paling tipis yang diketahui di alam. Jarak antar nukleotida yang berdekatan adalah 0,38 nm, panjang kumparan 4,56 nm, dan diameter Z-DNA 1,8 nm. Selain itu, penampilan molekul DNA ini dibedakan dengan adanya alur tunggal.

Bentuk Z DNA telah ditemukan pada sel prokariotik dan eukariotik. Saat ini, antibodi telah diperoleh yang dapat membedakan antara bentuk-Z dan bentuk-B dari DNA. Antibodi ini mengikat ke daerah spesifik dari kromosom raksasa sel kelenjar ludah Drosophila (Dr. melanogaster). Reaksi pengikatan mudah diikuti karena struktur yang tidak biasa dari kromosom ini, di mana daerah yang lebih padat (cakram) kontras dengan daerah yang kurang padat (interdisk). Daerah Z-DNA terletak di interdisc. Dari sini dapat disimpulkan bahwa bentuk-Z benar-benar ada dalam kondisi alami, meskipun ukuran masing-masing bagian dari bentuk-Z belum diketahui.

(shifter) - urutan basa yang paling terkenal dan sering terjadi dalam DNA. Palindrom adalah kata atau frasa yang dibaca dari kiri ke kanan dan sebaliknya dengan cara yang sama. Contoh kata atau frasa tersebut adalah: SHUT, COSSACK, FLOOD, AND A ROSE FALLED ON AZOR'S PAWS. Ketika diterapkan pada bagian DNA, istilah ini (palindrom) berarti pergantian nukleotida yang sama di sepanjang rantai dari kanan ke kiri dan dari kiri ke kanan (seperti huruf dalam kata "gubuk", dll.).

Sebuah palindrom dicirikan oleh adanya pengulangan terbalik dari urutan basa yang memiliki simetri orde kedua sehubungan dengan dua untai DNA. Urutan tersebut, untuk alasan yang jelas, saling melengkapi dan cenderung membentuk struktur jepit rambut atau salib (Gbr.). Jepit rambut membantu protein pengatur untuk mengenali tempat di mana teks genetik DNA kromosom disalin.

Dalam kasus di mana pengulangan terbalik hadir dalam untai DNA yang sama, urutan seperti itu disebut pengulangan cermin. Pengulangan cermin tidak memiliki sifat pelengkap sendiri dan oleh karena itu tidak mampu membentuk struktur jepit rambut atau salib. Urutan jenis ini ditemukan di hampir semua molekul DNA besar dan dapat berkisar dari hanya beberapa pasangan basa hingga beberapa ribu pasangan basa.

Keberadaan palindrom berupa struktur cruciform pada sel eukariotik belum terbukti, meskipun sejumlah struktur cruciform telah ditemukan secara in vivo pada sel E. coli. Kehadiran sekuens pelengkap diri dalam RNA atau DNA untai tunggal adalah alasan utama pelipatan rantai nukleat dalam larutan menjadi struktur spasial tertentu, yang ditandai dengan pembentukan banyak "jepit rambut".

DNA bentuk-H- ini adalah heliks yang dibentuk oleh tiga untai DNA - heliks tiga DNA. Ini adalah kompleks heliks ganda Watson-Crick dengan untai DNA untai tunggal ketiga, yang cocok dengan alurnya yang besar, dengan pembentukan yang disebut pasangan Hoogsteen.

Pembentukan tripleks semacam itu terjadi sebagai akibat dari penambahan heliks ganda DNA sedemikian rupa sehingga setengah dari bagiannya tetap dalam bentuk heliks ganda, dan bagian kedua terputus. Dalam hal ini, salah satu spiral yang terputus membentuk struktur baru dengan paruh pertama heliks ganda - heliks rangkap tiga, dan yang kedua ternyata tidak terstruktur, dalam bentuk bagian filamen tunggal. Ciri transisi struktural ini adalah ketergantungan yang tajam pada pH medium, yang protonnya menstabilkan struktur baru. Karena fitur ini, struktur baru disebut DNA bentuk-H, yang pembentukannya ditemukan di plasmid superkoil yang mengandung daerah homopurin-homopirimidin, yang merupakan pengulangan cermin.

Dalam studi lebih lanjut, kemungkinan transisi struktural dari beberapa polinukleotida untai ganda homopurin-homopirimidin ditetapkan dengan pembentukan struktur untai tiga yang mengandung:

• satu homopurin dan dua untai homopirimidin ( Tripleks Py-Pu-Py) [Interaksi Hoogsteen].

  Blok penyusun tripleks Py-Pu-Py adalah triad CGC+ dan TAT isomorfik kanonik. Stabilisasi tripleks membutuhkan protonasi dari triad CGC+, sehingga tripleks ini bergantung pada pH larutan.

• satu homopirimidin dan dua untai homopurin ( Tripleks Py-Pu-Pu) [interaksi Hoogsteen terbalik].

  Blok penyusun tripleks Py-Pu-Pu adalah triad CGG dan TAA isomorfik kanonik. Sifat penting dari tripleks Py-Pu-Pu adalah ketergantungan stabilitas mereka pada keberadaan ion bermuatan ganda, dan ion yang berbeda diperlukan untuk menstabilkan tripleks dari urutan yang berbeda. Karena pembentukan tripleks Py-Pu-Pu tidak memerlukan protonasi nukleotida penyusunnya, tripleks tersebut dapat ada pada pH netral.

  Catatan: interaksi Hoogsteen langsung dan terbalik dijelaskan oleh simetri 1-metiltimin: rotasi 180 ° mengarah pada fakta bahwa tempat atom O4 ditempati oleh atom O2, sedangkan sistem ikatan hidrogen dipertahankan.

Ada dua jenis heliks rangkap tiga:

1. triple helix paralel di mana polaritas untai ketiga sama dengan rantai homopurin dari dupleks Watson-Crick
2. heliks rangkap tiga antiparalel, di mana polaritas rantai ketiga dan homopurin berlawanan.

Rantai homolog secara kimia pada tripleks Py-Pu-Pu dan Py-Pu-Py berada dalam orientasi antiparalel. Ini lebih lanjut dikonfirmasi oleh data spektroskopi NMR.

G-quadruplex- DNA untai 4 Struktur seperti itu terbentuk jika ada empat guanin, yang membentuk apa yang disebut G-quadruplex - tarian bundar empat guanin.

Petunjuk pertama tentang kemungkinan pembentukan struktur semacam itu diperoleh jauh sebelum karya terobosan Watson dan Crick - pada awal 1910. Kemudian ahli kimia Jerman Ivar Bang menemukan bahwa salah satu komponen DNA - asam guanosic - membentuk gel pada konsentrasi tinggi, sedangkan komponen DNA lainnya tidak memiliki sifat ini.

Pada tahun 1962, dengan menggunakan metode difraksi sinar-X, dimungkinkan untuk menetapkan struktur sel gel ini. Ternyata terdiri dari empat residu guanin, menghubungkan satu sama lain dalam lingkaran dan membentuk persegi yang khas. Di tengah, ikatan didukung oleh ion logam (Na, K, Mg). Struktur yang sama dapat dibentuk dalam DNA jika mengandung banyak guanin. Kotak datar ini (G-kuartet) ditumpuk untuk membentuk struktur yang cukup stabil dan padat (G-quadruplexes).

Empat untai DNA terpisah dapat dijalin menjadi kompleks beruntai empat, tetapi ini merupakan pengecualian. Lebih sering, untai tunggal asam nukleat hanya diikat menjadi simpul, membentuk penebalan karakteristik (misalnya, di ujung kromosom), atau DNA untai ganda membentuk quadruplex lokal di beberapa situs yang kaya guanin.

Yang paling banyak dipelajari adalah keberadaan quadruplexes di ujung kromosom - pada telomer dan oncopromoter. Namun, pemahaman lengkap tentang lokalisasi DNA tersebut dalam kromosom manusia masih belum diketahui.

Semua struktur DNA yang tidak biasa dalam bentuk linier ini tidak stabil dibandingkan dengan DNA bentuk B. Namun, DNA sering ada dalam bentuk cincin ketegangan topologi ketika memiliki apa yang dikenal sebagai supercoiling. Dalam kondisi ini, struktur DNA non-kanonik mudah dibentuk: bentuk-Z, "persilangan" dan "jepit rambut", bentuk-H, kuadrupleks guanin, dan motif-i.

• Bentuk superkoil - dicatat ketika dilepaskan dari inti sel tanpa merusak tulang punggung pentosa-fosfat. Ini memiliki bentuk cincin tertutup supertwisted. Dalam keadaan supertwisted, heliks ganda DNA "dipelintir sendiri" setidaknya sekali, yaitu mengandung setidaknya satu supercoil (berbentuk angka delapan).
• Keadaan DNA yang rileks - diamati dengan satu pemutusan (putusnya satu untai). Dalam hal ini, superkoil menghilang dan DNA berbentuk cincin tertutup.
• Bentuk linier DNA diamati ketika dua untai heliks ganda putus.

Ketiga bentuk DNA yang terdaftar mudah dipisahkan dengan elektroforesis gel.

Struktur tersier DNA

Struktur tersier DNA terbentuk sebagai hasil dari puntiran tambahan di ruang molekul beruntai ganda - superkoilnya. Supercoiling molekul DNA dalam sel eukariotik, berbeda dengan prokariota, dilakukan dalam bentuk kompleks dengan protein.

Hampir semua DNA eukariotik terletak di kromosom inti, hanya sebagian kecil ditemukan di mitokondria, dan pada tumbuhan dan di plastida. Substansi utama kromosom sel eukariotik (termasuk kromosom manusia) adalah kromatin, yang terdiri dari DNA untai ganda, protein histon dan non-histon.

Protein histon dari kromatin

Histon adalah protein sederhana yang menyusun hingga 50% kromatin. Di semua sel hewan dan tumbuhan yang dipelajari, lima kelas utama histon ditemukan: H1, H2A, H2B, H3, H4, berbeda dalam ukuran, komposisi asam amino, dan muatan (selalu positif).

Histon mamalia H1 terdiri dari rantai polipeptida tunggal yang mengandung sekitar 215 asam amino; ukuran histon lainnya bervariasi dari 100 hingga 135 asam amino. Semuanya spiral dan dipelintir menjadi bola dengan diameter sekitar 2,5 nm, mengandung sejumlah besar asam amino lisin dan arginin bermuatan positif yang luar biasa. Histon dapat diasetilasi, termetilasi, terfosforilasi, poli(ADP)-ribosilasi, dan histon H2A dan H2B dapat dihubungkan secara kovalen dengan ubiquitin. Apa peran modifikasi tersebut dalam pembentukan struktur dan kinerja fungsi oleh histon belum sepenuhnya dijelaskan. Diasumsikan bahwa ini adalah kemampuan mereka untuk berinteraksi dengan DNA dan menyediakan salah satu mekanisme untuk mengatur aksi gen.

Histon berinteraksi dengan DNA terutama melalui ikatan ion (jembatan garam) yang terbentuk antara gugus fosfat DNA yang bermuatan negatif dan residu lisin dan arginin yang bermuatan positif dari histon.

Protein kromatin non-histon

Protein non-histon, tidak seperti histon, sangat beragam. Hingga 590 fraksi berbeda dari protein nonhistone pengikat DNA telah diisolasi. Mereka juga disebut protein asam, karena asam amino asam mendominasi dalam strukturnya (mereka adalah polianion). Regulasi spesifik aktivitas kromatin dikaitkan dengan berbagai protein non-histon. Misalnya, enzim yang penting untuk replikasi dan ekspresi DNA dapat mengikat kromatin secara sementara. Protein lain, katakanlah mereka yang terlibat dalam berbagai proses pengaturan, mengikat DNA hanya di jaringan tertentu atau pada tahap diferensiasi tertentu. Setiap protein melengkapi urutan spesifik nukleotida DNA (situs DNA). Grup ini meliputi:

• keluarga protein jari seng spesifik situs. Setiap "jari seng" mengenali situs tertentu yang terdiri dari 5 pasangan nukleotida.
• keluarga protein spesifik lokasi - homodimer. Fragmen protein semacam itu yang bersentuhan dengan DNA memiliki struktur "helix-turn-helix".
• protein mobilitas tinggi (protein HMG - dari bahasa Inggris, protein gel mobilitas tinggi) adalah sekelompok protein struktural dan pengatur yang terus-menerus dikaitkan dengan kromatin. Mereka memiliki berat molekul kurang dari 30 kD dan ditandai dengan kandungan asam amino yang tinggi. Karena berat molekulnya yang rendah, protein HMG sangat mobile selama elektroforesis gel poliakrilamida.
• enzim replikasi, transkripsi dan perbaikan.

Dengan partisipasi struktural, protein pengatur dan enzim yang terlibat dalam sintesis DNA dan RNA, benang nukleosom diubah menjadi kompleks protein dan DNA yang sangat padat. Struktur yang dihasilkan 10.000 kali lebih pendek dari molekul DNA asli.

kromatin

Kromatin adalah kompleks protein dengan DNA inti dan zat anorganik. Sebagian besar kromatin tidak aktif. Ini berisi DNA yang padat dan padat. Ini adalah heterokromatin. Ada kromatin konstitutif, tidak aktif secara genetik (DNA satelit) yang terdiri dari daerah yang tidak diekspresikan, dan fakultatif - tidak aktif dalam beberapa generasi, tetapi dalam keadaan tertentu mampu berekspresi.

Kromatin aktif (eukromatin) tidak terkondensasi, mis. dikemas kurang rapat. Dalam sel yang berbeda, isinya berkisar antara 2 hingga 11%. Di sel-sel otak, itu adalah yang paling - 10-11%, di sel-sel hati - 3-4 dan ginjal - 2-3%. Ada transkripsi aktif eukromatin. Pada saat yang sama, organisasi strukturalnya memungkinkan untuk menggunakan informasi genetik DNA yang sama yang melekat pada jenis organisme tertentu dengan cara yang berbeda dalam sel-sel khusus.

Dalam mikroskop elektron, gambar kromatin menyerupai manik-manik: penebalan bulat berukuran sekitar 10 nm, dipisahkan oleh jembatan filamen. Penebalan bulat ini disebut nukleosom. Nukleosom adalah unit struktural kromatin. Setiap nukleosom mengandung luka segmen DNA superkoil sepanjang 146 bp untuk membentuk 1,75 putaran kiri per inti nukleosom. Inti nukleosom adalah oktamer histon yang terdiri dari histon H2A, H2B, H3 dan H4, dua molekul dari masing-masing jenis (Gbr. 9), yang terlihat seperti piringan dengan diameter 11 nm dan ketebalan 5,7 nm. Histon kelima, H1, bukan bagian dari inti nukleosom dan tidak terlibat dalam proses melilit DNA di sekitar oktamer histon. Ini kontak DNA pada titik-titik di mana heliks ganda masuk dan keluar dari inti nukleosom. Ini adalah bagian intercore (penghubung) DNA, yang panjangnya bervariasi tergantung pada jenis sel dari 40 hingga 50 pasangan nukleotida. Akibatnya, panjang fragmen DNA yang merupakan bagian dari nukleosom juga bervariasi (dari 186 hingga 196 pasangan nukleotida).

Nukleosom mengandung sekitar 90% DNA, sisanya adalah penghubung. Diyakini bahwa nukleosom adalah fragmen dari kromatin "diam", sedangkan penghubungnya aktif. Namun, nukleosom dapat terungkap dan menjadi linier. Nukleosom yang tidak terlipat sudah merupakan kromatin aktif. Ini jelas menunjukkan ketergantungan fungsi pada struktur. Dapat diasumsikan bahwa semakin banyak kromatin dalam komposisi nukleosom globular, semakin kurang aktifnya. Jelas, dalam sel yang berbeda proporsi yang tidak sama dari kromatin istirahat dikaitkan dengan jumlah nukleosom tersebut.

Pada foto mikroskopis elektron, tergantung pada kondisi isolasi dan tingkat peregangan, kromatin dapat terlihat tidak hanya sebagai benang panjang dengan penebalan - "manik-manik" nukleosom, tetapi juga sebagai fibril (serat) yang lebih pendek dan lebih padat dengan diameter 30 nm, pembentukan yang diamati selama interaksi histone H1 yang terkait dengan wilayah penghubung DNA dan histone H3, yang mengarah pada putaran tambahan heliks enam nukleosom per putaran dengan pembentukan solenoida dengan diameter 30 nm . Dalam hal ini, protein histon dapat mengganggu transkripsi sejumlah gen dan dengan demikian mengatur aktivitasnya.

Sebagai hasil dari interaksi DNA dengan histon yang dijelaskan di atas, segmen heliks ganda DNA dari 186 pasangan basa dengan diameter rata-rata 2 nm dan panjang 57 nm berubah menjadi heliks dengan diameter 10 nm dan panjang. dari 5nm. Dengan kompresi berikutnya dari heliks ini ke serat dengan diameter 30 nm, tingkat kondensasi meningkat enam kali lipat.

Pada akhirnya, pengemasan dupleks DNA dengan lima histon menghasilkan kondensasi DNA 50 kali lipat. Namun, bahkan tingkat kondensasi yang begitu tinggi tidak dapat menjelaskan pemadatan DNA yang hampir 50.000-100.000 kali lipat dalam kromosom metafase. Sayangnya, rincian pengemasan lebih lanjut dari kromatin hingga kromosom metafase belum diketahui; oleh karena itu, hanya fitur umum dari proses ini yang dapat dipertimbangkan.

Tingkat pemadatan DNA dalam kromosom

Setiap molekul DNA dikemas ke dalam kromosom yang terpisah. Sel manusia diploid mengandung 46 kromosom, yang terletak di inti sel. Panjang total DNA semua kromosom sel adalah 1,74 m, tetapi diameter nukleus tempat kromosom dikemas jutaan kali lebih kecil. Kemasan DNA yang kompak dalam kromosom dan kromosom dalam inti sel disediakan oleh berbagai protein histon dan non-histon yang berinteraksi dalam urutan tertentu dengan DNA (lihat di atas). Pemadatan DNA dalam kromosom memungkinkan untuk mengurangi dimensi liniernya sekitar 10.000 kali - secara kondisional dari 5 cm menjadi 5 mikron. Ada beberapa tingkat pemadatan (Gbr. 10).

• DNA double helix adalah molekul bermuatan negatif dengan diameter 2 nm dan panjang beberapa cm.
• tingkat nukleosomal- kromatin terlihat dalam mikroskop elektron sebagai rantai "manik-manik" - nukleosom - "pada seutas benang". Nukleosom adalah unit struktural universal yang ditemukan baik dalam eukromatin dan heterokromatin, dalam inti interfase dan kromosom metafase.

  Tingkat pemadatan nukleosom disediakan oleh protein khusus - histon. Delapan domain histon bermuatan positif membentuk inti (core) nukleosom di mana molekul DNA bermuatan negatif dililit. Ini memberikan pemendekan dengan faktor 7, sedangkan diameter meningkat dari 2 menjadi 11 nm.

• tingkat solenoida

  Tingkat solenoid organisasi kromosom dicirikan oleh puntiran filamen nukleosom dan pembentukan fibril yang lebih tebal dengan diameter 20-35 nm darinya - solenoida atau superbid. Pitch solenoida adalah 11 nm, dan ada sekitar 6-10 nukleosom per putaran. Pengemasan solenoida dianggap lebih mungkin daripada pengemasan superbid, yang menurutnya fibril kromatin dengan diameter 20–35 nm adalah rantai butiran, atau superbid, yang masing-masing terdiri dari delapan nukleosom. Pada tingkat solenoida, ukuran linier DNA berkurang 6-10 kali lipat, diameternya meningkat menjadi 30 nm.

• tingkat lingkaran

  Level loop disediakan oleh protein pengikat DNA spesifik situs non-histone yang mengenali dan mengikat urutan DNA spesifik, membentuk loop sekitar 30-300 kb. Loop memastikan ekspresi gen, mis. loop tidak hanya struktural, tetapi juga formasi fungsional. Pemendekan pada level ini terjadi 20-30 kali. Diameternya meningkat menjadi 300 nm. Struktur "sikat lampu" seperti lingkaran pada oosit amfibi dapat dilihat pada preparat sitologi. Loop ini tampak superkoil dan mewakili domain DNA, mungkin sesuai dengan unit transkripsi dan replikasi kromatin. Protein spesifik memperbaiki dasar loop dan, mungkin, beberapa daerah internalnya. Organisasi domain seperti loop memfasilitasi pelipatan kromatin dalam kromosom metafase ke dalam struktur heliks orde yang lebih tinggi.

• tingkat domain

  Tingkat domain organisasi kromosom belum cukup dipelajari. Pada tingkat ini, pembentukan domain loop dicatat - struktur filamen (fibril) setebal 25-30 nm, yang mengandung 60% protein, 35% DNA dan 5% RNA, praktis tidak terlihat di semua fase siklus sel dengan pengecualian mitosis dan agak didistribusikan secara acak di atas inti sel. Struktur "sikat lampu" seperti lingkaran pada oosit amfibi dapat dilihat pada preparat sitologi.

  Domain loop dilekatkan dengan basisnya ke matriks protein intranuklear dalam apa yang disebut situs lampiran bawaan, sering disebut sebagai urutan MAR / SAR (MAR, dari wilayah terkait matriks bahasa Inggris; SAR, dari wilayah lampiran perancah bahasa Inggris) - Fragmen DNA beberapa ratus pasangan basa panjang yang dicirikan oleh kandungan tinggi (>65%) pasangan basa A/T. Setiap domain tampaknya memiliki satu asal replikasi dan berfungsi sebagai unit superkoil otonom. Domain loop apa pun berisi banyak unit transkripsi, yang fungsinya cenderung terkoordinasi - seluruh domain dalam keadaan aktif atau tidak aktif.

  Pada tingkat domain, sebagai akibat dari pengemasan kromatin yang berurutan, dimensi linier DNA berkurang sekitar 200 kali (700 nm).

• tingkat kromosom

  Pada tingkat kromosom, kromosom profase memadat menjadi satu metafase dengan pemadatan domain loop di sekitar kerangka aksial protein non-histon. Supercoiling ini disertai dengan fosforilasi semua molekul H1 di dalam sel. Akibatnya, kromosom metafase dapat digambarkan sebagai loop solenoida padat yang digulung menjadi spiral yang rapat. Kromosom manusia yang khas dapat berisi hingga 2600 loop. Ketebalan struktur seperti itu mencapai 1400 nm (dua kromatid), sedangkan molekul DNA dipersingkat 104 kali, mis. dari 5 cm meregangkan DNA menjadi 5 m.

Fungsi Kromosom

Dalam interaksi dengan mekanisme ekstrakromosom, kromosom menyediakan:

1. penyimpanan informasi turun-temurun
2. menggunakan informasi ini untuk membuat dan memelihara organisasi seluler
3. peraturan membaca informasi turun-temurun
4. duplikasi diri dari materi genetik
5. transfer materi genetik dari sel induk ke sel anak.

Ada bukti bahwa setelah aktivasi wilayah kromatin, yaitu selama transkripsi, histon H1 dihilangkan secara reversibel terlebih dahulu, dan kemudian oktet histon. Hal ini menyebabkan dekondensasi kromatin, transisi berturut-turut dari fibril kromatin 30 nm menjadi filamen 10 nm, dan selanjutnya membuka ke daerah DNA bebas, yaitu. hilangnya struktur nukleosom.

Perilaku: pendekatan evolusioner Kurchanov Nikolai Anatolievich

1.2. Organisasi materi genetik

Organisasi struktural dan fungsional aparatus genetik menentukan pembagian semua organisme hidup menjadi prokariota dan eukariota. Pada prokariota (termasuk bakteri dan archaea), DNA diwakili oleh molekul melingkar dan terletak di sitoplasma sel. Pada eukariota (yang mencakup semua organisme lain), DNA adalah pembawa struktural informasi genetik. kromosom, terletak di dalam nukleus.

Kromosom adalah struktur bertingkat yang kompleks di mana DNA berinteraksi dengan berbagai protein. Tingkat dasar dari struktur ini adalah nukleosom yang merupakan butiran dari delapan molekul protein histon, DNA yang terjalin. Untai nukleohistone selanjutnya dilipat berkali-kali, membentuk kromosom kompak. Struktur ini membuka kemungkinan yang luas untuk regulasi.

Karena jumlah gen dalam suatu organisme jauh lebih besar daripada jumlah kromosom, jelaslah bahwa setiap kromosom membawa banyak gen. Setiap gen menempati tempat tertentu pada kromosom. tempat. Gen yang terletak pada kromosom yang sama disebut terkait.

Selain nukleus, sebagian kecil informasi genetik sel eukariotik terletak di organel seperti mitokondria dan kloroplas, yang memiliki sistem genetik sendiri: DNA sendiri, berbagai RNA (i-RNA, t-RNA, r -RNA) dan ribosom, yang memungkinkan tupai sintesis independen. DNA sirkular dari organel-organel ini merupakan argumen penting yang mendukung asal usul simbiosis bakteri mereka pada awal pembentukan kehidupan.

Inti sel eukariota memisahkan proses transkripsi dan translasi, yang memberikan banyak peluang untuk regulasi. Regulasi terjadi pada semua tahap ekspresi gen eukariotik. Langkah tambahan mereka adalah pengolahan - proses transformasi kompleks RNA yang disintesis selama transkripsi. Komponen terpenting dari pemrosesan mRNA adalah penyambungan, dimana pemotongan terjadi intron(daerah non-coding dari gen) dan cross-linking ekson(pengkodean wilayah). Ekson dan intron menentukan struktur "mosaik" gen eukariotik. Sebagai hasil dari pemrosesan, RNA yang disintesis dalam nukleus menjadi aktif secara fungsional.

Memahami mekanisme regulasi yang beragam telah menyebabkan perubahan radikal dalam pemahaman kita tentang organisasi struktural dan fungsional perangkat genetik saat ini.

Salah satu pendiri genetika modern, ilmuwan Denmark terkemuka W. Johannsen (1857–1927), mengusulkan istilah genetik dasar - gen, alel, genotipe, fenotipe, yang menentukan karakteristik genetik suatu individu.

Gen yang terletak di lokusnya dapat memiliki varian alel. Lokus yang memiliki lebih dari satu alel dalam suatu populasi disebut polimorfik. Biasanya, alel dilambangkan dengan huruf-huruf alfabet Latin atau Yunani, dan jika ada banyak, maka dengan superskrip. Jumlah alel gen yang berbeda dalam populasi organisme dapat berbeda. Beberapa gen memiliki banyak alel, yang lain memiliki sedikit. Bagaimanapun, jumlah alel dibatasi oleh faktor evolusi: alel yang merusak sifat adaptif spesies atau tidak sesuai dengan kehidupan dieliminasi oleh seleksi alam.

Organisme eukariotik tertentu hanya memiliki dua alel dari satu gen: sesuai dengan jumlah lokus homolog dari kromosom homolog (ayah dan ibu). Organisme yang kedua alelnya sama disebut... homozigot(untuk gen ini). Organisme yang memiliki alel berbeda disebut heterozigot(Gbr. 1.4). Alel yang terlokalisasi pada kromosom seks dari jenis kelamin heterogametik mungkin ada dalam bentuk tunggal.

Genotip dapat direpresentasikan sebagai satu set alel dari suatu organisme, dan fenotipe - sebagai satu set fitur eksternal.

Diperkenalkan pada tahun 1920 oleh ahli botani Jerman G. Winkler (1877–1945), istilah genom menjadi karakteristik seluruh spesies organisme, dan bukan individu tertentu. Konsep ini kemudian menjadi salah satu yang terpenting. Pada tahun 1980-an abad ke-20 cabang baru genetika, genomik, sedang muncul. Awalnya, genom dicirikan sebagai kumpulan lokus gen haploid. Namun, ternyata gen itu sendiri menempati bagian yang relatif kecil dari genom, meskipun mereka membentuk dasarnya. Sebagian besar ditempati oleh wilayah intergenik, di mana terdapat wilayah dengan fungsi regulasi, serta wilayah tujuan yang tidak diketahui. Daerah pengatur terkait erat dengan gen, mereka adalah semacam "instruksi" yang menentukan kerja gen pada berbagai tahap perkembangan organisme. Oleh karena itu, genom saat ini disebut seluruh rangkaian DNA sel, karakteristik DNA spesies.

Pada tahap perkembangan genetika saat ini, genomik menjadi salah satu bagian kuncinya. Keberhasilan genomik jelas ditunjukkan oleh keberhasilan penyelesaian Program Genom Manusia.

Beras. 1.4. Alel gen terkait dari dua kromosom homolog

Dari buku Mikrobiologi: catatan kuliah pengarang Tkachenko Ksenia Viktorovna

1. Organisasi materi herediter bakteri Aparatus hereditas bakteri diwakili oleh satu kromosom, yang merupakan molekul DNA, spiral dan dilipat menjadi sebuah cincin. Cincin ini pada satu titik melekat pada membran sitoplasma. pada

Dari buku The Crisis of Agricultural Civilization and Genetically Modified Organisms pengarang Glazko Valery Ivanovich

Pendekatan untuk mendeteksi materi genetik asing dalam produk makanan

Dari buku STAMP OF THE CREATOR. Hipotesis tentang asal usul kehidupan di Bumi. pengarang Filatov Felix Petrovich

Bagian kedua? Mesin pengkode genetik

Dari buku Fundamentals of Psychophysiology pengarang Alexandrov Yuri

Bab 11. Mekanisme pengkodean genetik (XI) Anda dapat membacanya di buku teks apa pun. Namun - untuk memudahkan pemahaman alasan berikut - mari kita membahas secara singkat pengoperasian mesin pengkodean. Barbieri mengaitkan pembentukan mesin semacam itu dengan

Dari buku Phenetics [Evolusi, populasi, tanda] pengarang Yablokov Alexey Vladimirovich

Bagian ketiga? Aritmatika pengkodean genetik

Dari buku The Brand of the Creator pengarang Filatov Felix Petrovich

Bab A. Tabel Analog Kode Genetik (XIII) Orang pertama yang mencoba merampingkan tabel kode genetik dan membangunnya secara rasional adalah ilmuwan terkemuka kita, Yuri Borisovich Rumer. Dia adalah seorang fisikawan, murid Max Born, mengenal Albert Einstein dengan baik,

Dari buku penulis

Bab B. Digitalisasi Baryon Kode Genetik (XIV) FORMAT 1D dan 2D Sebenarnya, bilangan kuantum yang kekal dari suatu sistem disebut bilangan baryon. Kita tidak perlu mendalami topik ini. Mungkin hanya perlu diingat bahwa baryon adalah partikel elementer,

Dari buku penulis

8.6. Signifikansi bahan patologi untuk mempelajari organisasi perilaku sistemik

Dari buku penulis

Proses mutasi - pemasok pertama bahan evolusi Faktor evolusioner dasar dibedakan berdasarkan sifat dan sifat dampaknya terhadap populasi, serta berdasarkan hasil tekanan yang diberikannya pada populasi. Pada saat yang sama, yang perlu dan cukup

Dari buku penulis

Fluktuasi populasi - pemasok bahan kedua untuk evolusi Salah satu faktor evolusi yang paling penting adalah perubahan periodik dalam jumlah individu, gelombang populasi. Dalam hal ini, kita berbicara tentang fluktuasi dalam arah positif dan negatif, saling menggantikan.

Dari buku penulis

Mempelajari dinamika komposisi genetik suatu populasi Pada awal buku ini, ditekankan bahwa salah satu tugas terpenting dari penelitian populasi modern adalah memperoleh materi tentang situasi evolusi yang paling beragam dalam populasi alami, khususnya,

Dari buku penulis

Bab A. Tabel Analog Kode Genetik (XIII) Orang pertama yang mencoba merampingkan tabel kode genetik dan membangunnya secara rasional adalah ilmuwan terkemuka kita, Yuri Borisovich Rumer. Dia adalah seorang fisikawan, murid Max Born, mengenal Albert Einstein dengan baik,

Dari buku penulis

Bab B. Digitalisasi Baryon Kode Genetik (xiv)

Menurut organisasi kimia bahan hereditas dan variabilitas, sel eukariotik dan prokariotik pada dasarnya tidak berbeda satu sama lain. Materi genetik mereka diwakili oleh DNA. Yang umum bagi mereka adalah prinsip pencatatan informasi genetik, serta kode genetik. Asam amino yang sama dienkripsi dalam pro dan eukariota dengan kodon yang sama. Pada prinsipnya, penggunaan informasi herediter yang disimpan dalam DNA dilakukan dengan cara yang sama pada jenis sel ini. Namun, beberapa fitur organisasi materi herediter, yang membedakan sel eukariotik dari sel prokariotik, menyebabkan perbedaan dalam penggunaan informasi genetiknya.

Materi herediter sel prokariotik terutama terkandung dalam molekul DNA sirkular tunggal.

Materi herediter eukariota lebih besar volumenya daripada prokariota. Itu terletak terutama di kromosom yang dipisahkan dari sitoplasma oleh selubung nukleus.

Perbedaan signifikan ada dalam organisasi molekul gen dalam sel eukariotik. Kebanyakan dari mereka memiliki urutan pengkodean ekson terganggu intron situs yang tidak digunakan dalam sintesis tRNA, rRNA atau peptida. Daerah ini dikeluarkan dari RNA transkripsi primer, dan oleh karena itu penggunaan informasi genetik dalam sel eukariotik terjadi agak berbeda. Dalam sel prokariotik, di mana materi herediter dan peralatan untuk biosintesis protein tidak terpisah secara spasial, transkripsi dan translasi terjadi hampir bersamaan. Dalam sel eukariotik, kedua tahap ini tidak hanya dipisahkan secara spasial oleh selubung nukleus, tetapi mereka juga dipisahkan dalam waktu oleh proses pematangan mRNA, yang darinya urutan yang tidak informatif harus dihilangkan.

Organisasi kimia dari materi genetik.

tingkat gen.

Unit fungsional dasar dari aparatus genetik, yang menentukan kemungkinan mengembangkan sifat individu sel atau organisme dari spesies tertentu, adalah gen(titipan turun temurun, menurut G. Mendel). Dengan mentransfer gen dalam serangkaian generasi sel atau organisme, kesinambungan materi tercapai - pewarisan sifat induk oleh keturunan.

Dibawah tanda memahami unit morfologi, fisiologis, biokimia, imunologi, klinis, dan perbedaan organisme (sel) lainnya, mis. kualitas atau properti yang terpisah di mana mereka berbeda satu sama lain.

tingkat kromosom.

Gen sel eukariotik didistribusikan di atas kromosom, membentuk tingkat organisasi KROMOSOM dari materi herediter. Tingkat organisasi ini berfungsi sebagai kondisi yang diperlukan untuk pertautan gen dan redistribusi gen induk pada keturunannya selama reproduksi seksual (persilangan).

Kromosom- struktur nukleoprotein dalam inti sel eukariotik, di mana sebagian besar informasi herediter terkonsentrasi dan yang dirancang untuk penyimpanan, implementasi, dan transmisinya.

tingkat genomik.

genom - seluruh set materi herediter yang terkandung dalam set haploid kromosom sel dari jenis organisme tertentu. Genom adalah spesifik spesies, karena merupakan kumpulan gen yang diperlukan yang memastikan pembentukan karakteristik spesies organisme selama ontogenesis normalnya.

Struktur gen.

Studi yang bertujuan untuk menjelaskan sifat kimia bahan herediter telah membuktikan secara tak terbantahkan bahwa substrat bahan hereditas dan variabilitas adalah asam nukleat, yang ditemukan oleh F. Miescher (1868) dalam inti sel nanah. Asam nukleat adalah makromolekul, mis. memiliki berat molekul yang tinggi. Ini adalah polimer yang terdiri dari monomer. nukleotida termasuk tiga komponen: Gula(pentosa), fosfat dan basa nitrogen(purin atau pirimidin). Basa nitrogen (adenin, guanin, sitosin, timin atau urasil) dilekatkan pada atom karbon pertama dalam molekul pentosa C-1′, dan fosfat terikat pada atom karbon kelima C-5′ menggunakan ikatan eter; atom karbon ketiga C-3' selalu memiliki gugus hidroksil - OH.

Sambungan nukleotida menjadi makromolekul asam nukleat terjadi melalui interaksi fosfat dari satu nukleotida dengan hidroksil yang lain sehingga terjalin di antara mereka. ikatan fosfodiester. Hasilnya adalah rantai polinukleotida. Tulang punggung rantai terdiri dari molekul fosfat dan gula bergantian. Salah satu basa nitrogen yang tercantum di atas melekat pada molekul pentosa pada posisi C-1'.

Struktur, sifat, dan fungsi DNA.

DNA terdiri dari nukleotida, yang meliputi gula - deoksiribosa, fosfat dan salah satu basa nitrogen - adenin, guanin, timin, sitosin. Molekul DNA mencakup dua rantai polinukleotida yang dihubungkan bersama dengan cara tertentu. Watson dan Crick menyarankan bahwa rantai ini terhubung satu sama lain oleh ikatan hidrogen antara basa nitrogen mereka sesuai dengan prinsip saling melengkapi. Adenin dari satu rantai dihubungkan oleh dua ikatan hidrogen dengan Timin dari rantai lain, dan tiga ikatan hidrogen terbentuk antara guanin dan sitosin dari rantai yang berbeda. Sambungan basa nitrogen semacam itu memberikan hubungan yang kuat antara dua rantai dan mempertahankan jarak yang sama di antara keduanya. Fitur penting lainnya dari dua rantai polinukleotida dalam molekul DNA adalah antiparalelismenya: ujung ke-5 dari satu rantai terhubung ke ujung ke-3 rantai lainnya dan sebaliknya. Data difraksi sinar-X menunjukkan bahwa molekul DNA, yang terdiri dari dua rantai, membentuk heliks yang berputar di sekitar porosnya. Diameter heliks 2 nm, panjang pitch 3,4 nm. Setiap belokan berisi 10 pasang nukleotida. Itu. dalam organisasi struktural molekul DNA, seseorang dapat membedakan struktur primer - rantai polinukleotida, rantai sekunder - dua komplementer dan antiparalel, dan rantai tersier.

Strukturnya adalah spiral tiga dimensi.

DNA mampu menggandakan diri - replikasi. Dalam proses replikasi, rantai komplementer disintesis pada setiap rantai polinukleotida dari molekul DNA induk. Akibatnya, dua heliks ganda identik terbentuk dari satu heliks ganda DNA. Cara penggandaan molekul seperti itu, di mana setiap molekul anak memiliki satu induk dan satu rantai yang baru disintesis, disebut semi-konservatif. Agar replikasi terjadi, DNA ibu harus dipisahkan satu sama lain untuk menjadi cetakan di mana untai komplementer molekul anak akan disintesis. Dengan bantuan enzim helikase, heliks ganda DNA di zona terpisah terurai. Daerah untai tunggal yang dihasilkan diikat oleh protein destabilisasi khusus. Molekul protein ini berbaris di sepanjang rantai polinukleotida, meregangkan tulang punggungnya dan membuat basa nitrogen tersedia untuk mengikat nukleotida komplementer. Area divergensi rantai polinukleotida di zona replikasi disebut garpu replikasi. Di setiap wilayah tersebut, dengan partisipasi enzim DNA polimerase, DNA dari dua molekul anak baru disintesis. Dalam proses sintesis, garpu replikasi bergerak di sepanjang heliks induk, menangkap semua zona baru. Hasil akhir dari replikasi adalah pembentukan dua molekul DNA yang urutan nukleotidanya identik dengan DNA induk heliks ganda,