Структура ДНК.

1 слайд: Заголовок

2 слайд: ДНК - «Строительный материал» жизни. Введение

Сегодня мы знаем, что молекула ДНК является носителем кода, который управляет химизмом всего живого, а двойная спираль молекулы ДНК стала одним из самых известных научных символов. Основные кирпичики, из которых построена ДНК, — это пятиатомный сахар дезоксирибоза , фосфатная группа и четыре азотистых основания — тимин, гуанин, цитозин и аденин. Чтобы лучше представить себе полученные ими результаты, вообразите длинную лестницу. Вертикальные стойки этой лестницы состоят из молекул сахара, кислорода и фосфора. Важную функциональную информацию в молекуле несут ступеньки лестницы. Они состоят из двух молекул, каждая из которых крепится к одной из вертикальных стоек. Эти молекулы — четыре азотистых основания — представляют собой одиночные или двойные кольца, содержащие атомы углерода, азота и кислорода и способные образовывать две или три водородные связи с другими основаниями. Форма этих молекул позволяет им образовывать связи — законченные ступеньки — лишь определенного типа: между А и Т и между Г и Ц. Другие связи возникнуть не могут. Следовательно, каждая ступенька представлена либо А—Т либо Г—Ц. Теперь вообразите, что вы берете собранную таким образом лестницу за два конца и скручиваете — вы получите знакомую двойную спираль ДНК.

(Примечание: этой картинки в презентации нет)

3 Слайд: Структурная организация днк: первичная структура

После того как появилась возможность использования метода рентгеновской кристаллографии для изучения биологических макромолекул и получения совершенных рентгенограмм, удалось выяснить молекулярную структуру ДНК. Указанный метод основан на том, что пучок параллельных рентгеновских лучей, падающих на кристаллическое скопление атомов, образует дифракционную картину, которая в основном зависит от атомной массы этих атомов, их расположения в пространстве. В 40-х годах прошлого века была выдвинута теория о трехмерной структуре молекулы ДНК. У. Астбюри доказал, что дезоксирибонуклеиновая кислота представляет собой стопку из наложенных один на другой плоских нуклеотидов.

Формирование линейной полинуклеотидной цепочки (первичной структуры молекулы нуклеиновой кислоты) происходит при соединении пентозы одного нуклеотида с фосфатом другого нуклеотида путем образования фосфоэфирной связи.

При этом в зависимости от порядкового номера углеродного атома (3' либо 5') концевой молекулы пентозы, участвующего в образовании фосфодиэфирной связи с фосфатом, такая цепочка имеет маркированный 3'-конец и 5'-конец.

Уотсон и Крик спроектировали модель двойной спирали дезоксирибонуклеиновой кислоты(вторичная структура). Согласно данной модели две полинуклеотидных цепи обвивают друг друга, при этом образуется своеобразная спираль. Азотистые основания в них расположены внутри структуры, а фосфодиэфирный остов — снаружи.

Линейная ДНК в клетке имеет форму вытянутой молекулы, она упакована в компактную структуру и занимает всего 1/5 объема клетки. Например, длина ДНК хромосомы человека достигает 8 см, а упакована так, что умещается в хромосоме с длиной 5 нм. Подобная укладка возможна благодаря наличию спирализованных структур ДНК. Из этого следует, что двухцепочечная спираль ДНК в пространстве может подвергаться дальнейшей укладке в определенную третичную структуру — суперспираль. Суперспиральная конформация ДНК характерна для хромосом высших организмов. Подобная третичная структура стабилизируется за счет ковалентных связей с остатками аминокислот, входящих в состав тех белков, которые образуют нуклеопротеидный комплекс (хроматин). Следовательно, ДНК эукариотических клеток ассоциирована с белками главным образом основного характера — гистонами, а также кислыми белками и фосфопротеидами.

Вывод: Для традиционных биоинформатиков ДНК — это текст, длинная линейная молекула. На самом деле полезно понимать, что это молекула — не линейная, а имеет сложную трехмерную структуру. Если молекула ДНК будет линейна, она вытянется в несколько метров. В клетке она свернута в плотный клубок, и это неслучайно. Например, выяснилось, что пространственно близкие участки ДНК «любят» находиться в похожем состоянии с точки зрения работы генов. Сегодня эта сложная наука находится в самом начале развития: уже накоплено довольно много данных, и делаются самые первые попытки по их осмыслению.

4-6 слайды: Правила Чаргаффа

4 слайд: Эдвин Чаргафф. Родился в 1905 году в городе Черновицы в Австро-Венгрии. Он учился в Венском университете, а после его окончания, в 1928 году, работал в Йельском университете. Затем вернулся в Европу, где работал в Берлинском университете (с 1930 по 1933 год) и в Пастеровском университете в Париже (с 1933 по 1934 год). В 1935 году Чаргафф переехал в США, где работал в Колумбийском университете профессором биохимии. В 1940 году учёный принял американское гражданство. Его интересы были сосредоточены на химии нуклеиновых кислот. В 1950 году Чаргафф установил закономерность, определяющую соотношения пуриновых и пиримидиновых оснований в молекулах ДНК и РНК, синтезируемых живыми организмами. Впоследствии установленная закономерность была названа «правилом Чаргаффа». Эту закономерность Джеймс Уотсон и Френсис Крик использовали при разработке двуспиральной модели молекулы ДНК.

5 слайд: «Тетрануклеотидная» теория. В ней ДНК состоит из повторяющихся блоков по четыре разных азотистых основания (А,Т,Г,Ц). Чаргаффу и сотрудникам удалось разделить нуклеотиды ДНК при помощи бумажной хроматографии и определить точные количественные соотношения нуклеотидов разных типов. Они значительно отличались от эквимолярных, которых можно было бы ожидать, если бы все четыре основания были представлены в равных пропорциях. 

6 слайд: Правила Чаргаффа. В 1905 г. Эдвин Чаргафф обнаружил:

1.Число пуриновых оснований равно числу пиримидиновых оснований.

2.Число «А» = «Т», число «Г» = «Ц».

3.(А + Т) + (Г + Ц) = 100%

Соотношение (A+Т):(Г+Ц) может быть различным у ДНК организмов разных видов. У одних преобладают пары АТ, в других — ГЦ. Нуклеотидный состав ДНК разных биологических видов различен и характеризуется коэффициентом специфичности — соотношением А + Т/G + С.

Вывод: Правило Чаргаффа было очень важно для открытия структурной организации двойной спирали ДНК. Дело в том, что при образовании двойной спирали всегда напротив аденина в одной цепи устанавливается тимин в другой цепи, а напротив гуанина — цитозин, то есть цепи ДНК как бы дополняют друг друга.

Большинство природных молекул РНК являются одноцепочечными, правила Чаргаффа выполняются лишь для небольшого числа двухнитевых вирусных РНК.

7-8 слайды: Комплементарные пары нуклеотидов