9.1: Muundo wa DNA
- Page ID
- 174231
Katika miaka ya 1950, Francis Crick na James Watson walifanya kazi pamoja katika Chuo Kikuu cha Cambridge, Uingereza, kuamua muundo wa DNA. Wanasayansi wengine, kama vile Linus Pauling na Maurice Wilkins, pia walikuwa wakichunguza kikamilifu uwanja huu. Pauling alikuwa amegundua muundo wa sekondari wa protini kwa kutumia fuwele za eksirei. Crystalography ya eksirei ni njia ya kuchunguza muundo wa Masi kwa kuchunguza mifumo iliyoundwa na X-rays iliyopigwa kupitia kioo cha dutu. Mwelekeo hutoa taarifa muhimu kuhusu muundo wa molekuli ya riba. Katika maabara ya Wilkins, mtafiti Rosalind Franklin alikuwa akitumia fuwele za eksirei kuelewa muundo wa DNA. Watson na Crick walikuwa na uwezo wa kipande pamoja puzzle ya molekuli DNA kwa kutumia data Franklin (Kielelezo\(\PageIndex{1}\)). Watson na Crick pia walikuwa na vipande muhimu vya habari zinazopatikana kutoka kwa watafiti wengine kama vile sheria za Chargaff. Chargaff alikuwa ameonyesha kuwa kati ya aina nne za monoma (nucleotidi) zilizopo katika molekuli ya DNA, aina mbili zilikuwepo daima kwa kiasi sawa na aina mbili zilizobaki pia zilikuwepo kwa kiasi sawa. Hii ilimaanisha kuwa daima walikuwa wameunganishwa kwa namna fulani. Mwaka wa 1962, James Watson, Francis Crick, na Maurice Wilkins walipewa Tuzo ya Nobel ya Tiba kwa kazi yao katika kuamua muundo wa DNA.
Sasa hebu tuchunguze muundo wa aina mbili za asidi za nucleic, asidi deoxyribonucleic (DNA) na asidi ribonucleic (RNA). Vitalu vya ujenzi wa DNA ni nucleotides, ambazo zinajumuisha sehemu tatu: deoxyribose (5-carbon sukari), kikundi cha phosphate, na msingi wa nitrojeni (Kielelezo\(\PageIndex{2}\)). Kuna aina nne za besi za nitrojeni katika DNA. Adenine (A) na guanine (G) ni purines mbili-pete, na cytosine (C) na thymine (T) ni ndogo, pyrimidines moja-pete. Nucleotide inaitwa kulingana na msingi wa nitrojeni unao.
Kundi la phosphate la vifungo moja vya nucleotide kwa ushirikiano na molekuli ya sukari ya nucleotide ijayo, na kadhalika, kutengeneza polymer ndefu ya monomers ya nucleotide. Vikundi vya sukari-phosphate vinasimama kwenye “uti wa mgongo” kwa kila kamba moja ya DNA, na misingi ya nucleotide hutoka kwenye uti wa mgongo huu. Atomi za kaboni za sukari ya kaboni tano zinahesabiwa mwendo wa saa kutoka oksijeni kama 1', 2', 3', 4', na 5' (1' inasomewa kama “mkuu mmoja”). Kundi la phosphate linaunganishwa na kaboni ya 5' ya nucleotide moja na kaboni ya 3' ya nucleotide inayofuata. Katika hali yake ya asili, kila molekuli ya DNA ni kweli linajumuisha vipande viwili vya moja vilivyofanyika pamoja na urefu wake na vifungo vya hidrojeni kati ya besi.
Watson na Crick walipendekeza kwamba DNA imeundwa na vipande viwili vinavyopotoka kuzunguka kila mmoja ili kuunda helix ya mkono wa kulia, inayoitwa helix mara mbili. Base-pairing hufanyika kati ya purine na pyrimidine: yaani, jozi na T, na G jozi na C. kwa maneno mengine, adenine na thymine ni jozi ya msingi ya ziada, na cytosine na guanine pia ni jozi ya msingi ya ziada. Huu ndio msingi wa utawala wa Chargaff; kwa sababu ya mshikamano wao, kuna adenini nyingi kama thymine katika molekuli ya DNA na guanine kama vile cytosine. Adenine na thymine huunganishwa na vifungo viwili vya hidrojeni, na cytosine na guanine vinaunganishwa na vifungo vitatu vya hidrojeni. Vipande viwili ni kupambana na sambamba katika asili; yaani, strand moja itakuwa na kaboni 3' ya sukari katika nafasi ya “juu”, wakati strand nyingine itakuwa na kaboni 5' katika nafasi ya juu. Kipenyo cha DNA mara mbili helix ni sare kote kwa sababu purine (pete mbili) daima jozi na pyrimidine (pete moja) na urefu wao pamoja daima ni sawa (Kielelezo\(\PageIndex{3}\)).
Muundo wa RNA
Kuna asidi ya pili ya nucleic katika seli zote zinazoitwa asidi ribonucleic, au RNA. Kama DNA, RNA ni polymer ya nucleotides. Kila moja ya nucleotides katika RNA inajumuisha msingi wa nitrojeni, sukari ya kaboni tano, na kikundi cha phosphate. Katika kesi ya RNA, sukari tano kaboni ni ribose, si deoxyribose. Ribose ina kundi la hidroxyl katika kaboni ya 2', tofauti na deoxyribose, ambayo ina atomi ya hidrojeni tu (Kielelezo\(\PageIndex{4}\)).
Nucleotides ya RNA ina besi za nitrojeni adenine, cytosine, na guanine. Hata hivyo, hawana thymine, ambayo badala yake inabadilishwa na uracil, inayoonyeshwa na “U.” RNA ipo kama molekuli moja-stranded badala ya helix mbili-stranded. Wanabiolojia wa molekuli wameita aina kadhaa za RNA kwa misingi ya kazi zao. Hizi ni pamoja na RNA ya mjumbe (mRNA), uhamisho RNA (tRNA), na RNA ya ribosomu (rRNA) -molekuli zinazohusika katika uzalishaji wa protini kutoka kwa msimbo wa DNA.
Jinsi DNA Inapangwa katika Kiini
DNA ni molekuli inayofanya kazi; inapaswa kuigwa wakati seli iko tayari kugawanya, na lazima “isome” ili kuzalisha molekuli, kama vile protini, kutekeleza kazi za seli. Kwa sababu hii, DNA inalindwa na vifurushi kwa njia maalum sana. Aidha, molekuli za DNA zinaweza kuwa ndefu sana. Iliyoweka mwisho hadi mwisho, molekuli ya DNA katika seli moja ya binadamu ingekuja urefu wa mita 2. Hivyo, DNA kwa seli lazima iwe vifurushi kwa njia iliyoamriwa sana ili kufaa na kufanya kazi ndani ya muundo (kiini) ambacho hakionekani kwa jicho la uchi. Chromosomes ya prokaryotes ni rahisi zaidi kuliko yale ya eukaryotes katika sifa zao nyingi (Kielelezo\(\PageIndex{5}\)). Prokaryotes nyingi zina kromosomu moja, ya mviringo inayopatikana katika eneo katika cytoplasm inayoitwa nucleoid.
Ukubwa wa genome katika mojawapo ya prokaryotes zilizojifunza vizuri zaidi, Escherichia coli, ni jozi za msingi milioni 4.6, ambazo zinaweza kupanua umbali wa karibu 1.6 mm ikiwa imetambulishwa. Hivyo hii inafaa ndani ya seli ndogo ya bakteria? DNA inaendelea zaidi ya helix mara mbili katika kile kinachojulikana kama supercoiling. Protini zingine zinajulikana kwa kushiriki katika supercoiling; protini nyingine na enzymes husaidia katika kudumisha muundo wa supercoiled.
Eukaryotes, ambazo kila kromosomu zinajumuisha molekuli ya DNA linear, huajiri aina tofauti ya mkakati wa kufunga ili kufaa DNA yao ndani ya kiini (Kielelezo\(\PageIndex{6}\)). Katika ngazi ya msingi zaidi, DNA inafungwa kuzunguka protini zinazojulikana kama histones kuunda miundo inayoitwa nucleosomes. DNA imefungwa kwa ukali karibu na msingi wa histone. Nucleosomu hii inaunganishwa na ile inayofuata kwa strand fupi ya DNA isiyo na histones. Hii inajulikana pia kama muundo wa “shanga kwenye kamba”; nucleosomu ni “shanga” na urefu mfupi wa DNA kati yao ni “kamba.” Nucleosomes, na DNA yao coiled kuzunguka yao, stack compactly juu ya kila mmoja kuunda 30-nm-upana fiber. Fiber hii inaingizwa zaidi katika muundo mkali na zaidi. Katika hatua ya metapase ya mitosis, wakati chromosomes zimewekwa katikati ya seli, chromosomes zinaunganishwa zaidi. Wao ni takriban 700 nm kwa upana, na hupatikana kwa kushirikiana na protini za scaffold.
Katika interphase, awamu ya mzunguko wa seli kati ya mitoses ambayo chromosomes ni decondensed, kromosomu eukaryotic na mikoa miwili tofauti ambayo inaweza kuwa tofauti na madoa. Kuna mkoa uliojaa vifurushi ambavyo vinatengeneza giza, na kanda ndogo sana. Mikoa yenye uchafu wa giza huwa na jeni ambazo hazifanyi kazi, na hupatikana katika mikoa ya centromere na telomeres. Mikoa yenye uchafu mdogo huwa na jeni ambazo zinafanya kazi, huku DNA iliyowekwa vifurushi karibu na nucleosomes lakini haijaunganishwa zaidi.
DHANA KATIKA HATUA
Tazama uhuishaji huu wa ufungaji wa DNA.
Muhtasari
Mfano wa muundo wa mara mbili-helix wa DNA ulipendekezwa na Watson na Crick. Molekuli ya DNA ni polymer ya nucleotides. Kila nucleotide inajumuisha msingi wa nitrojeni, sukari ya kaboni tano (deoxyribose), na kikundi cha phosphate. Kuna besi nne za nitrojeni katika DNA, purines mbili (adenine na guanine) na pyrimidines mbili (cytosine na thymine). Molekuli ya DNA inajumuisha vipande viwili. Kila strand inajumuisha nucleotides iliyounganishwa pamoja kwa covalently kati ya kundi la phosphate la moja na sukari ya deoxyribose ya ijayo. Kutoka kwa uti wa mgongo huu huongeza besi. Msingi wa dhamana moja ya kamba kwa misingi ya strand ya pili na vifungo vya hidrojeni. Adenine daima hufunga na thymine, na cytosine daima hufunga na guanine. Kuunganishwa husababisha vipande viwili kuzunguka kila mmoja kwa sura inayoitwa helix mara mbili. Asidi ya Ribonucleic (RNA) ni asidi ya pili ya nucleic inayopatikana kwenye seli. RNA ni polymer moja iliyopigwa ya nucleotides. Pia inatofautiana na DNA kwa kuwa ina ribose ya sukari, badala ya deoxyribose, na uracil ya nucleotide badala ya thymine. Molekuli mbalimbali za RNA hufanya kazi katika mchakato wa kutengeneza protini kutoka kwa kanuni za maumbile katika DNA.
Prokaryotes zina chromosome moja, mbili-stranded mviringo. Eukaryotes zina molekuli za DNA za mstari mbili zilizopigwa katika chromosomes. Helix ya DNA imevikwa karibu na protini ili kuunda nucleosomes. Coils ya protini ni coiled zaidi, na wakati wa mitosis na meiosis, chromosomes kuwa hata zaidi coiled ili kuwezesha harakati zao. Chromosomes zina mikoa miwili tofauti ambayo inaweza kutofautishwa kwa kudanganya, kuonyesha digrii tofauti za ufungaji na kuamua kama DNA katika eneo inaonyeshwa (euchromatin) au la (heterochromatin).
faharasa
- deoxyribose
- molekuli ya sukari ya kaboni tano yenye atomi ya hidrojeni badala ya kundi la hidroxyl katika nafasi ya 2'; sehemu ya sukari ya nucleotides ya DNA
- helix mbili
- sura ya Masi ya DNA, ambayo vipande viwili vya nucleotides vinazunguka kila mmoja kwa sura ya ond;
- msingi wa nitrojeni
- molekuli yenye nitrojeni ambayo hufanya kama msingi; mara nyingi akimaanisha moja ya vipengele vya purine au pyrimidine ya asidi ya nucleic
- kundi la phosphate
- kikundi cha Masi yenye atomi ya kati ya fosforasi inayofungwa na atomi nne za oksijeni