اسید دئوکسی ریبونوکلئیک یا DNA، بلوک ساختمانی حیات است، کد حافظه بیولوژیکی که انتقال داده های ژنتیکی از نسلی به نسل دیگر را در طول تکامل موجودات زنده تضمین می کند. DNA به شکل یک مارپیچ دوتایی ساخته شده است و همچنین حاوی اطلاعاتی در مورد ساختار انواع مختلف RNA و پروتئین است. از نظر شیمیایی، DNA یک مولکول پلیمری طولانی است که از بلوک های تکراری نوکلئوتیدها تشکیل شده است. با این حال، از نقطه نظر بیولوژیکی، DNA کلید درک زندگی در ظریف ترین سطح است، راهی برای آزمایشات روی ژنوم، که امکان رمزگشایی کد DNA و آینده بشریت به عنوان طبقه ای از موجودات مستقل از تکامل طبیعی را فراهم می کند. . برای کشف ساختار DNA در سال 1953، سه دانشمند در سال 1962 جایزه نوبل فیزیولوژی یا پزشکی را دریافت کردند.

من واقعاً نمی‌خواهم کسانی را که به واقعیت نسی اعتقاد دارند ناامید کنم (این هیولا ظاهراً در دریاچه نس در اسکاتلند زندگی می‌کند معمولاً اینگونه نامیده می‌شود)، با این حال، از همه نسخه‌های موجود درباره اینکه چه کسی هنوز در اعماق دریاچه زندگی می‌کند. نیس، این قابل قبول ترین به نظر می رسد. البته دانشمندان نمی توانند با اطمینان 100% بگویند که نسی یک مارماهی است، با این حال، آنها دلایل خوبی برای این فکر دارند. بنابراین، به احتمال زیاد، نسی چیزی بیش از تکرار داستان در مورد چهره نخواهد بود. این یکی را یادت هست؟ آنها فقط در مورد او صحبت نکردند و بعداً معلوم شد که چهره معروف چیزی بیش از کار باد مریخی، آب و تخیل خشن انسان نیست.

دانشمندان از سراسر جهان در تلاشند تا مرز بین موجودات مصنوعی و زنده را محو کنند تا در نهایت ربات هایی بسازند که قادر به تولید مستقل نوع خود باشند. اولین قدم برای این امر اخیراً توسط محققان دانشگاه کرنل برداشته شد - آنها یک ماده بیولوژیکی ایجاد کردند که سه ویژگی کلیدی موجودات زنده را نشان می دهد: خود سازماندهی، متابولیسم و ​​توسعه.

اسیدهای نوکلئیک مواد درشت مولکولی متشکل از مونوکلئوتیدها هستند که در یک زنجیره پلیمری با استفاده از پیوندهای فسفودی استر 3،5 اینچی به یکدیگر متصل شده و به روش خاصی در سلول ها بسته بندی می شوند.

اسیدهای نوکلئیک بیوپلیمرهایی از دو نوع هستند: اسید ریبونوکلئیک (RNA) و اسید دئوکسی ریبونوکلئیک (DNA). هر بیوپلیمر متشکل از نوکلئوتیدهایی است که از نظر باقیمانده کربوهیدرات (ریبوز، دئوکسی ریبوز) و یکی از پایه های نیتروژنی (اوراسیل، تیمین) متفاوت هستند. بر این اساس، اسیدهای نوکلئیک نام خود را گرفتند.

ساختار اسید دئوکسی ریبونوکلئیک

اسیدهای نوکلئیک دارای ساختارهای اولیه، ثانویه و سوم هستند.

ساختار اولیه DNA

ساختار اولیه DNA یک زنجیره پلی نوکلئوتیدی خطی است که در آن مونونوکلئوتیدها با پیوندهای فسفودی استری 3 اینچی به هم متصل می شوند. ماده اولیه برای مونتاژ یک زنجیره اسید نوکلئیک در یک سلول، نوکلئوزید 5'-تری فسفات است که در نتیجه حذف بقایای β و γ اسید فسفریک، قادر است اتم 3'-کربن یک نوکلئوزید دیگر را بچسباند. . بنابراین، اتم کربن 3 اینچی یک دئوکسی ریبوز به طور کووالانسی به اتم کربن 5 اینچی دئوکسی ریبوز دیگر از طریق یک باقیمانده اسید فسفریک متصل می شود و یک زنجیره پلی نوکلئوتیدی خطی از اسید نوکلئیک را تشکیل می دهد. از این رو نام: پیوندهای فسفودی استر 3"، 5". بازهای نیتروژنی در اتصال نوکلئوتیدهای یک زنجیره شرکت نمی کنند (شکل 1.).

چنین ارتباطی بین بقایای اسید فسفریک یک نوکلئوتید و کربوهیدرات نوکلئوتید دیگر منجر به تشکیل یک ستون فقرات پنتوز فسفات از مولکول پلی نوکلئوتید می شود که بر روی آن بازهای نیتروژنی یکی پس از دیگری از کنار اضافه می شود. توالی آنها در زنجیره‌های مولکول‌های اسید نوکلئیک برای سلول‌های موجودات مختلف کاملاً خاص است، به عنوان مثال. خصلت خاصی دارد (قاعده چارگاف).

یک زنجیره DNA خطی، که طول آن به تعداد نوکلئوتیدهای موجود در زنجیره بستگی دارد، دارای دو سر است: یکی انتهای 3 نامیده می شود و حاوی هیدروکسیل آزاد است و دیگری، انتهای 5، حاوی اسید فسفریک است. باقی مانده مدار قطبی است و می تواند 5"->3" و 3"->5" باشد. یک استثنا DNA حلقوی است.

"متن" ژنتیکی DNA از رمز "کلمات" تشکیل شده است - سه قلو نوکلئوتید به نام کدون. بخش های DNA حاوی اطلاعاتی در مورد ساختار اولیه همه انواع RNA ژن های ساختاری نامیده می شوند.

زنجیره‌های DNA پلی‌نوکلئودیتی به اندازه‌های غول‌پیکر می‌رسند، بنابراین به روش خاصی در سلول بسته می‌شوند.

Chargaff (1949) با مطالعه ترکیب DNA، قوانین مهمی را در مورد محتوای بازهای DNA منفرد ایجاد کرد. آنها به کشف ساختار ثانویه DNA کمک کردند. به این الگوها قوانین چارگاف گفته می شود. قوانین چارگاف مجموع نوکلئوتیدهای پورین برابر با مجموع نوکلئوتیدهای پیریمیدین است، یعنی A + G / C + T \u003d 1 محتوای آدنین برابر با محتوای تیمین است (A = T یا A / T = 1). محتوای گوانین برابر با محتوای سیتوزین است (G = C یا G/C = 1). تعداد 6-گروه آمینو برابر است با تعداد گروه های 6-کتو از بازهای موجود در DNA: G + T = A + C. فقط مجموع A + T و G + C متغیر است. اگر A + T > G-C، آنگاه این نوع AT DNA است. اگر G + C > A + T، آنگاه این نوع DNA GC است. این قوانین می گویند که هنگام ساخت DNA، باید مطابقت (جفت شدن) نسبتاً دقیقی را نه برای بازهای پورین و پیریمیدین به طور کلی، بلکه به طور خاص برای تیمین با آدنین و سیتوزین با گوانین رعایت کرد. بر اساس این قوانین، از جمله، در سال 1953 واتسون و کریک مدلی از ساختار ثانویه DNA را به نام مارپیچ دوگانه پیشنهاد کردند (شکل).

ساختار ثانویه DNA

ساختار ثانویه DNA یک مارپیچ دوگانه است که مدل آن توسط D. Watson و F. Crick در سال 1953 ارائه شد.

پیش نیازهای ایجاد مدل DNA

در نتیجه آنالیزهای اولیه، این ایده این بود که DNA با هر منشا حاوی هر چهار نوکلئوتید در مقادیر مولی یکسان است. با این حال، در دهه 1940، E. Chargaff و همکارانش، در نتیجه تجزیه و تحلیل DNA جدا شده از موجودات مختلف، به وضوح نشان دادند که بازهای نیتروژنی در نسبت های کمی مختلف در آنها وجود دارد. شارگاف دریافت که، اگرچه این نسبت‌ها برای DNA همه سلول‌های گونه‌های مشابه ارگانیسم‌ها یکسان است، DNA گونه‌های مختلف می‌تواند به طور قابل توجهی در محتوای نوکلئوتیدهای خاص متفاوت باشد. این نشان داد که تفاوت در نسبت بازهای نیتروژنی ممکن است به برخی از کدهای بیولوژیکی مرتبط باشد. اگرچه نسبت بازهای پورین و پیریمیدین منفرد در نمونه‌های مختلف DNA یکسان نبود، اما هنگام مقایسه نتایج آنالیزها، الگوی خاصی مشخص شد: در همه نمونه‌ها، مقدار کل پورین‌ها برابر با مقدار کل پیریمیدین بود. A + G = T + C)، مقدار آدنین برابر با مقدار تیمین (A = T) و مقدار گوانین - مقدار سیتوزین (G = C) بود. DNA جدا شده از سلول‌های پستانداران به طور کلی از نظر آدنین و تیمین غنی‌تر و از نظر گوانین و سیتوزین نسبتاً فقیرتر بود، در حالی که DNA باکتری‌ها از نظر گوانین و سیتوزین غنی‌تر و از نظر آدنین و تیمین نسبتاً فقیرتر بود. این داده‌ها بخش مهمی از مطالب واقعی را تشکیل می‌دهند، که بعداً مدل ساختار DNA واتسون-کریک بر اساس آن ساخته شد.

یکی دیگر از نشانه های غیرمستقیم مهم ساختار احتمالی DNA، داده های L. Pauling در مورد ساختار مولکول های پروتئین بود. پاولینگ نشان داد که چندین پیکربندی پایدار مختلف زنجیره آمینو اسید در یک مولکول پروتئین امکان پذیر است. یکی از پیکربندی های رایج زنجیره پپتیدی - α-helix - یک ساختار مارپیچ منظم است. با چنین ساختاری، تشکیل پیوندهای هیدروژنی بین اسیدهای آمینه واقع در پیچ های مجاور زنجیره امکان پذیر است. پاولینگ پیکربندی α-مارپیچ زنجیره پلی پپتیدی را در سال 1950 توصیف کرد و پیشنهاد کرد که مولکول های DNA نیز احتمالاً ساختار مارپیچی دارند که توسط پیوندهای هیدروژنی ثابت شده است.

با این حال، با ارزش ترین اطلاعات در مورد ساختار مولکول DNA توسط نتایج تجزیه و تحلیل پراش اشعه ایکس ارائه شد. پرتوهای ایکس با عبور از یک کریستال DNA، تحت پراش قرار می گیرند، یعنی در جهات خاصی منحرف می شوند. درجه و ماهیت انحراف پرتوها به ساختار خود مولکول ها بستگی دارد. الگوی پراش اشعه ایکس (شکل 3) به چشم با تجربه تعدادی نشانه غیرمستقیم در مورد ساختار مولکول های ماده مورد مطالعه می دهد. تجزیه و تحلیل الگوهای پراش پرتو ایکس DNA منجر به این نتیجه شد که بازهای نیتروژنی (با شکل مسطح) مانند پشته ای از صفحات روی هم قرار گرفته اند. الگوهای اشعه ایکس امکان شناسایی سه دوره اصلی در ساختار DNA کریستالی را فراهم می کند: 0.34، 2 و 3.4 نانومتر.

مدل DNA واتسون-کریک

با شروع از داده های تحلیلی شارگاف، اشعه ایکس ویلکینز، و تحقیقات شیمیدان، که اطلاعاتی در مورد فواصل دقیق بین اتم ها در یک مولکول، در مورد زوایای بین پیوندهای یک اتم معین، و در مورد اندازه اتم ها، واتسون و کریک ارائه کرد. شروع به ساختن مدل‌های فیزیکی از اجزای منفرد مولکول DNA در مقیاسی معین کرد و آنها را با یکدیگر به گونه‌ای "تنظیم" کرد که سیستم حاصل با داده‌های تجربی مختلف مطابقت داشته باشد. [نمایش] .

حتی قبلاً مشخص شده بود که نوکلئوتیدهای مجاور در یک زنجیره DNA توسط پل های فسفودی استری به هم متصل می شوند که اتم 5' کربن دئوکسی ریبوز یک نوکلئوتید را به اتم 3' کربن دئوکسی ریبوز نوکلئوتید بعدی متصل می کند. واتسون و کریک شک نداشتند که یک دوره 0.34 نانومتری مربوط به فاصله بین نوکلئوتیدهای متوالی در یک رشته DNA است. علاوه بر این، می توان فرض کرد که دوره 2 نانومتر مربوط به ضخامت زنجیره است. و برای توضیح اینکه چه ساختار واقعی مربوط به دوره 3.4 نانومتری است، واتسون و کریک و همچنین پاولینگ قبلاً فرض کردند که زنجیره به شکل یک مارپیچ پیچ خورده است (یا به طور دقیق تر، یک مارپیچ را تشکیل می دهد، زیرا مارپیچ به معنای دقیق این کلمه زمانی به دست می آید که پیچ ها یک سطح مخروطی به جای استوانه ای در فضا ایجاد کنند). سپس دوره 3.4 نانومتر مطابق با فاصله بین چرخش های متوالی این مارپیچ خواهد بود. چنین مارپیچی می تواند بسیار متراکم یا تا حدودی کشیده باشد، یعنی چرخش آن می تواند صاف یا شیب دار باشد. از آنجایی که دوره 3.4 نانومتر دقیقاً 10 برابر فاصله بین نوکلئوتیدهای متوالی (0.34 نانومتر) است، واضح است که هر چرخش کامل مارپیچ حاوی 10 نوکلئوتید است. از این داده‌ها، واتسون و کریک توانستند چگالی یک زنجیره پلی‌نوکلئوتیدی پیچ خورده به مارپیچ با قطر 2 نانومتر، با فاصله بین پیچ‌ها برابر با 3.4 نانومتر را محاسبه کنند. معلوم شد که چنین رشته‌ای دارای چگالی نصف چگالی واقعی DNA است که قبلاً شناخته شده بود. من باید فرض می کردم که مولکول DNA از دو زنجیره تشکیل شده است - که یک مارپیچ دوگانه از نوکلئوتیدها است.

کار بعدی، البته، روشن کردن رابطه فضایی بین دو رشته تشکیل دهنده مارپیچ دوگانه بود. واتسون و کریک پس از آزمایش تعدادی از انواع آرایش زنجیره‌ها در مدل فیزیکی خود دریافتند که بهترین تناسب برای همه داده‌های موجود، داده‌ای است که در آن دو مارپیچ پلی‌نوکلئوتیدی در جهت‌های مخالف یکدیگر حرکت کنند. در این حالت، زنجیره‌های متشکل از بقایای قند و فسفات سطح یک مارپیچ دوگانه را تشکیل می‌دهند و پورین‌ها و پیریمیدین‌ها در داخل آن قرار دارند. پایه های واقع در مقابل یکدیگر، متعلق به دو زنجیره، به صورت جفت توسط پیوندهای هیدروژنی به هم متصل می شوند. این پیوندهای هیدروژنی هستند که زنجیره ها را در کنار هم نگه می دارند، بنابراین پیکربندی کلی مولکول را ثابت می کنند.

مارپیچ دوگانه DNA را می توان به عنوان یک نردبان طناب مارپیچ در نظر گرفت که پله های آن افقی باقی می مانند. سپس دو طناب طولی مربوط به زنجیره‌ای از قند و فسفات باقی‌مانده خواهد بود و میله‌های متقاطع به جفت پایه‌های نیتروژنی مرتبط با پیوندهای هیدروژنی مربوط می‌شوند.

در نتیجه مطالعه بیشتر مدل‌های احتمالی، واتسون و کریک به این نتیجه رسیدند که هر "میله متقاطع" باید از یک پورین و یک پیریمیدین تشکیل شود. در یک دوره 2 نانومتری (مرتبط با قطر مارپیچ دوگانه)، فضای کافی برای دو پورین وجود نخواهد داشت، و دو پیریمیدین نمی توانند به اندازه کافی به هم نزدیک باشند تا پیوندهای هیدروژنی مناسب را تشکیل دهند. مطالعه عمیق مدل دقیق نشان داد که آدنین و سیتوزین که ترکیبی با اندازه مناسب را تشکیل می دهند، هنوز نمی توانند به گونه ای مرتب شوند که پیوندهای هیدروژنی بین آنها تشکیل شود. گزارش های مشابه همچنین ترکیب گوانین- تیمین را مجبور به حذف کردند، در حالی که ترکیبات آدنین- تیمین و گوانین-سیتوزین کاملاً قابل قبول بودند. ماهیت پیوندهای هیدروژنی به گونه ای است که آدنین با تیمین جفت می شود و گوانین با سیتوزین جفت می شود. این مفهوم از جفت بازهای خاص توضیح "قانون Chargaff" را ممکن کرد، که بر اساس آن در هر مولکول DNA مقدار آدنین همیشه برابر با محتوای تیمین است و مقدار گوانین همیشه برابر با مقدار سیتوزین است. . دو پیوند هیدروژنی بین آدنین و تیمین و سه پیوند بین گوانین و سیتوزین تشکیل می شود. با توجه به این ویژگی در تشکیل پیوندهای هیدروژنی در برابر هر آدنین در یک زنجیره، تیمین در زنجیره دیگر قرار دارد. به همین ترتیب، فقط سیتوزین را می توان در مقابل هر گوانین قرار داد. بنابراین، زنجیره ها مکمل یکدیگر هستند، یعنی توالی نوکلئوتیدها در یک زنجیره به طور منحصر به فرد توالی آنها را در زنجیره دیگر تعیین می کند. دو زنجیره در جهات مخالف یکدیگر قرار دارند و گروه های انتهایی فسفات آنها در انتهای مخالف مارپیچ دوگانه قرار دارند.

در نتیجه تحقیقات خود، در سال 1953 واتسون و کریک مدلی را برای ساختار مولکول DNA پیشنهاد کردند (شکل 3)، که همچنان مربوط به حال حاضر است. طبق مدل، یک مولکول DNA از دو زنجیره پلی نوکلئوتیدی مکمل تشکیل شده است. هر رشته DNA یک پلی نوکلئوتید است که از چند ده هزار نوکلئوتید تشکیل شده است. در آن، نوکلئوتیدهای همسایه به دلیل ترکیب باقیمانده اسید فسفریک و دئوکسی ریبوز توسط یک پیوند کووالانسی قوی، یک ستون فقرات پنتوز فسفات منظم را تشکیل می دهند. بازهای نیتروژنی یک زنجیره پلی نوکلئوتیدی به ترتیبی کاملاً مشخص در برابر بازهای نیتروژنی زنجیره دیگر قرار گرفته اند. تناوب بازهای نیتروژنی در زنجیره پلی نوکلئوتیدی نامنظم است.

آرایش بازهای نیتروژنی در زنجیره DNA مکمل است (از یونانی "مکمل" - افزودن)، یعنی. در برابر آدنین (A) همیشه تیمین (T) و در برابر گوانین (G) - فقط سیتوزین (C) است. این با این واقعیت توضیح داده می شود که A و T، و همچنین G و C، به شدت با یکدیگر مطابقت دارند، یعنی. مکمل یکدیگر. این تناظر توسط ساختار شیمیایی پایه ها ارائه می شود که امکان تشکیل پیوندهای هیدروژنی را در یک جفت پورین و پیریمیدین فراهم می کند. بین A و T دو پیوند وجود دارد، بین G و C - سه. این پیوندها باعث تثبیت جزئی مولکول DNA در فضا می شود. پایداری مارپیچ دوگانه با تعداد پیوندهای G≡C که پایدارتر از پیوندهای A=T هستند، متناسب است.

توالی شناخته شده نوکلئوتیدها در یک رشته DNA، بر اساس اصل مکمل بودن، ایجاد نوکلئوتیدهای یک رشته دیگر را ممکن می سازد.

علاوه بر این، مشخص شده است که پایه های نیتروژنی دارای ساختار معطر یکی بالاتر از دیگری در یک محلول آبی قرار دارند و به عنوان یک پشته از سکه ها را تشکیل می دهند. این فرآیند تشکیل پشته های مولکول های آلی را انباشتگی می گویند. زنجیره های پلی نوکلئوتیدی مولکول DNA مدل واتسون-کریک در نظر گرفته شده دارای یک حالت فیزیکوشیمیایی مشابه هستند، پایه های نیتروژنی آنها به شکل پشته ای از سکه ها مرتب شده اند که بین صفحات آن برهم کنش های واندروالس (برهم کنش های انباشته) رخ می دهد.

پیوندهای هیدروژنی بین بازهای مکمل (به صورت افقی) و برهمکنش انباشته بین صفحات پایه در یک زنجیره پلی نوکلئوتیدی به دلیل نیروهای واندروالس (عمودی) به مولکول DNA تثبیت اضافی در فضا ارائه می دهد.

ستون فقرات قند فسفات هر دو زنجیره به سمت بیرون چرخانده شده و پایه ها به سمت داخل هستند. جهت رشته ها در DNA ضد موازی است (یکی از آنها دارای جهت 5"->3"، دیگری - 3"->5 است، یعنی انتهای 3" یک رشته در مقابل انتهای 5" قرار دارد. از دیگر.). زنجیرها مارپیچ های راست با یک محور مشترک را تشکیل می دهند. یک دور مارپیچ 10 نوکلئوتید است، اندازه چرخش 3.4 نانومتر، ارتفاع هر نوکلئوتید 0.34 نانومتر، قطر مارپیچ 2.0 نانومتر است. در نتیجه چرخش یک رشته به دور رشته دیگر، یک شیار اصلی (به قطر حدود 20 Å) و یک شیار کوچک (حدود 12 A) در مارپیچ دوگانه DNA ایجاد می شود. این شکل از مارپیچ دوگانه واتسون-کریک بعدها شکل B نامیده شد. در سلول ها، DNA معمولاً به شکل B وجود دارد که پایدارترین است.

توابع DNA

مدل پیشنهادی بسیاری از خواص بیولوژیکی اسید دئوکسی ریبونوکلئیک، از جمله ذخیره اطلاعات ژنتیکی و تنوع ژن‌ها را که توسط طیف گسترده‌ای از ترکیب‌های متوالی 4 نوکلئوتید ارائه می‌شود و واقعیت وجود کد ژنتیکی، توانایی خود تولید مثل و انتقال اطلاعات ژنتیکی ارائه شده توسط فرآیند تکثیر و اجرای اطلاعات ژنتیکی به شکل پروتئین و همچنین هر ترکیب دیگری که با کمک پروتئین های آنزیمی ایجاد می شود.

عملکردهای اساسی DNA

1. DNA حامل اطلاعات ژنتیکی است که با وجود کد ژنتیکی تضمین می شود.
2. تولید مثل و اطلاعات ژنتیکی منتقل شده در نسل های سلولی و موجودات. این تابع توسط فرآیند تکرار ارائه می شود.
3. اجرای اطلاعات ژنتیکی در قالب پروتئین و همچنین هر ترکیب دیگری که با کمک پروتئین های آنزیمی تشکیل می شود. این عملکرد توسط فرآیندهای رونویسی و ترجمه ارائه می شود.

اشکال سازماندهی DNA دو رشته ای

DNA می تواند چندین نوع مارپیچ دوگانه را تشکیل دهد (شکل 4). در حال حاضر، شش شکل از قبل شناخته شده است (از A تا E و Z-form).

اشکال ساختاری DNA، همانطور که توسط روزالیند فرانکلین ایجاد شده است، به اشباع مولکول اسید نوکلئیک با آب بستگی دارد. در مطالعات الیاف DNA با استفاده از تجزیه و تحلیل پراش اشعه ایکس، نشان داده شد که الگوی پراش اشعه ایکس به طور اساسی به این بستگی دارد که آزمایش در چه رطوبت نسبی، در چه درجه ای از اشباع آب این فیبر انجام می شود. اگر فیبر به اندازه کافی با آب اشباع شده بود، یک رادیوگرافی گرفته می شد. وقتی خشک شد، یک الگوی اشعه ایکس کاملاً متفاوت ظاهر شد، که بسیار متفاوت از الگوی اشعه ایکس یک فیبر با رطوبت بالا بود.

مولکول DNA با رطوبت بالا B شکل نامیده می شود. در شرایط فیزیولوژیکی (غلظت کم نمک، درجه هیدراتاسیون بالا)، نوع ساختاری غالب DNA، فرم B است (شکل اصلی DNA دو رشته ای مدل Watson-Crick است). گام مارپیچ چنین مولکولی 3.4 نانومتر است. 10 جفت مکمل در هر نوبت به شکل پشته های پیچ خورده "سکه" - پایه های نیتروژنی وجود دارد. پشته ها توسط پیوندهای هیدروژنی بین دو "سکه" مقابل پشته ها به هم متصل می شوند و با دو نوار از ستون فقرات فسفودی استر که به شکل یک مارپیچ سمت راست پیچیده شده اند، "حلقه" می شوند. صفحات پایه های نیتروژنی بر محور مارپیچ عمود هستند. جفت های مکمل همسایه نسبت به یکدیگر 36 درجه می چرخند. قطر مارپیچ 20Å است که نوکلئوتید پورین 12Å و نوکلئوتید پیریمیدین 8Å را اشغال می کند.

مولکول DNA با رطوبت کمتر A-form نامیده می شود. فرم A در شرایط هیدراتاسیون کمتر و در محتوای بالاتر یون های Na + یا K + تشکیل می شود. این ساختار راست دست گسترده تر دارای 11 جفت پایه در هر چرخش است. صفحات پایه های نیتروژن دار تمایل بیشتری به محور مارپیچ دارند، آنها از حالت عادی به محور مارپیچ 20 درجه منحرف می شوند. این به معنای وجود یک فضای خالی داخلی با قطر 5 Å است. فاصله بین نوکلئوتیدهای مجاور 0.23 نانومتر، طول سیم پیچ 2.5 نانومتر و قطر مارپیچ 2.3 نانومتر است.

در ابتدا تصور می شد که شکل A DNA از اهمیت کمتری برخوردار باشد. با این حال، بعداً مشخص شد که فرم A DNA و همچنین فرم B از اهمیت بیولوژیکی بالایی برخوردار است. مارپیچ RNA-DNA در مجموعه قالب-دانه دارای فرم A و همچنین ساختارهای RNA-RNA مارپیچ و سنجاق سر است (گروه 2'-هیدروکسیل ریبوز اجازه نمی دهد مولکول های RNA فرم B را تشکیل دهند) . شکل A DNA در هاگ ها یافت می شود. ثابت شده است که فرم A DNA 10 برابر بیشتر از فرم B در برابر اشعه ماوراء بنفش مقاوم است.

فرم A و فرم B را اشکال متعارف DNA می نامند.

فرم های C-Eهمچنین راست دست، تشکیل آنها را فقط می توان در آزمایش های خاص مشاهده کرد، و ظاهراً آنها در داخل بدن وجود ندارند. شکل C DNA ساختاری مشابه B-DNA دارد. تعداد جفت پایه در هر دور 9.33 و طول مارپیچ 3.1 نانومتر است. جفت پایه ها با زاویه 8 درجه نسبت به موقعیت عمود بر محور متمایل می شوند. شیارها از نظر اندازه نزدیک به شیارهای B-DNA هستند. در این حالت، شیار اصلی تا حدودی کوچکتر است و شیار فرعی عمیق تر است. پلی نوکلئوتیدهای DNA طبیعی و مصنوعی می توانند به فرم C منتقل شوند.

جدول 1. ویژگی های برخی از انواع ساختارهای DNA
نوع مارپیچ	آ	ب	ز
زمین مارپیچ	0.32 نانومتر	3.38 نانومتر	4.46 نانومتر
پیچش مارپیچ	درست	درست	ترک کرد
تعداد جفت پایه در هر نوبت	11	10	12
فاصله بین هواپیماهای پایه	0.256 نانومتر	0.338 نانومتر	0.371 نانومتر
ساختار پیوند گلیکوزیدی	ضد	ضد	ضد سی syn-G
ساختار حلقه فورانوز	C3 "-endo	C2 "-endo	C3 "-endo-G C2 "-endo-C
عرض شیار، کوچک/بزرگ	1.11/0.22 نانومتر	0.57/1.17 نانومتر	0.2/0.88 نانومتر
عمق شیار، کوچک/بزرگ	0.26/1.30 نانومتر	0.82/0.85 نانومتر	1.38/0.37 نانومتر
قطر مارپیچ	2.3 نانومتر	2.0 نانومتر	1.8 نانومتر

عناصر ساختاری DNA
(ساختارهای DNA غیر متعارف)

عناصر ساختاری DNA شامل ساختارهای غیرمعمول محدود شده توسط چند توالی خاص است:

شکل Z DNA - در مکان هایی از فرم B DNA تشکیل می شود، جایی که پورین ها متناوب با پیریمیدین ها یا در تکرارهای حاوی سیتوزین متیله می شوند. پالیندروم‌ها توالی‌های تلنگری هستند، تکرارهای معکوس توالی‌های پایه، دارای تقارن مرتبه دوم نسبت به دو رشته DNA و تشکیل «گیره‌های مو» و «صلیب». شکل H DNA و مارپیچ های سه گانه DNA در حضور محلی که فقط حاوی پورین ها در یک رشته از دوبلکس معمولی Watson-Crick است و در رشته دوم به ترتیب پیریمیدین های مکمل آنها تشکیل می شوند. G-quadruplex (G-4) یک مارپیچ DNA چهار رشته‌ای است که در آن 4 باز گوانین از رشته‌های مختلف G-quartets (G-tetrads) را تشکیل می‌دهند که توسط پیوندهای هیدروژنی به هم متصل می‌شوند تا G-quadruplexes را تشکیل دهند.

شکل Z از DNAدر سال 1979 هنگام مطالعه هگزانوکلئوتید d(CG)3 - کشف شد. توسط استاد MIT الکساندر ریچ و کارکنانش افتتاح شد. شکل Z به یکی از مهمترین عناصر ساختاری DNA تبدیل شده است زیرا تشکیل آن در مناطق DNA مشاهده شد که پورین ها متناوب با پیریمیدین ها (به عنوان مثال 5'-HCHCHC-3') یا در تکرارهای 5' مشاهده شد. -CHCHCH-3' حاوی سیتوزین متیله. یک شرط ضروری برای تشکیل و تثبیت Z-DNA، حضور نوکلئوتیدهای پورین در آن در ترکیب ترکیبی، متناوب با بازهای پیریمیدین در ضد ترکیب بود.

مولکول های DNA طبیعی عمدتاً به شکل B درست وجود دارند مگر اینکه حاوی توالی هایی مانند (CG)n باشند. با این حال، اگر چنین توالی‌هایی بخشی از DNA باشند، این نواحی، زمانی که قدرت یونی محلول یا کاتیون‌هایی که بار منفی روی ستون فقرات فسفودی استر را خنثی می‌کنند، می‌توانند به شکل Z تغییر کنند، در حالی که سایر مناطق DNA در زنجیره باقی می‌مانند. در فرم کلاسیک B. امکان چنین انتقالی نشان می دهد که دو رشته در مارپیچ دوگانه DNA در حالت پویا هستند و می توانند نسبت به یکدیگر باز شوند و از شکل سمت راست به سمت چپ و بالعکس عبور کنند. پیامدهای بیولوژیکی این ناپایداری، که امکان تبدیل ساختاری ساختار DNA را فراهم می کند، هنوز به طور کامل درک نشده است. اعتقاد بر این است که مناطق Z-DNA در تنظیم بیان ژن های خاص نقش دارند و در نوترکیبی ژنتیکی شرکت می کنند.

شکل Z DNA یک مارپیچ دوگانه چپ است که در آن ستون فقرات فسفودی استر در امتداد محور مولکول زیگزاگ است. از این رو نام مولکول (زیگزاگ)-DNA است. Z-DNA کمترین پیچ خوردگی (12 جفت باز در هر نوبت) و نازک ترین است که در طبیعت شناخته شده است. فاصله بین نوکلئوتیدهای مجاور 0.38 نانومتر، طول سیم پیچ 4.56 نانومتر و قطر Z-DNA 1.8 نانومتر است. علاوه بر این، ظاهر این مولکول DNA با وجود یک شیار متمایز می شود.

شکل Z DNA در سلول های پروکاریوتی و یوکاریوتی یافت شده است. تا به امروز، آنتی بادی هایی به دست آمده اند که می توانند بین فرم Z و فرم B DNA تمایز قائل شوند. این آنتی بادی ها به مناطق خاصی از کروموزوم های غول پیکر سلول های غدد بزاقی مگس سرکه (دکتر ملانوگاستر) متصل می شوند. به دلیل ساختار غیرمعمول این کروموزوم ها، که در آن نواحی چگال تر (دیسک ها) با مناطق کم تراکم (بین دیسک ها) تضاد دارند، واکنش اتصال آسان است. مناطق Z-DNA در بین دیسک ها قرار دارند. از این نتیجه می شود که فرم Z در واقع در شرایط طبیعی وجود دارد، اگرچه اندازه بخش های جداگانه فرم Z هنوز مشخص نیست.

(تغییر دهنده ها) - معروف ترین و متداول ترین توالی های پایه در DNA. پالیندروم کلمه یا عبارتی است که از چپ به راست و بالعکس به همان صورت خوانده می شود. نمونه هایی از این کلمات یا عبارات عبارتند از: کلبه، قزاق، سیل، و گل سرخ بر روی پنجه های آزور افتاد. هنگامی که به بخش هایی از DNA اطلاق می شود، این اصطلاح (palindrome) به معنای همان تناوب نوکلئوتیدها در طول زنجیره از راست به چپ و از چپ به راست است (مانند حروف در کلمه "کلبه" و غیره).

پالیندروم با حضور تکرارهای معکوس توالی های پایه که دارای تقارن مرتبه دوم نسبت به دو رشته DNA هستند مشخص می شود. چنین توالی ها، به دلایل واضح، خود مکمل هستند و تمایل به ایجاد ساختارهای صلیبی یا سنجاق سر دارند (شکل). سنجاق سر به پروتئین های تنظیم کننده کمک می کند تا مکان کپی شدن متن ژنتیکی DNA کروموزوم را تشخیص دهند.

در مواردی که یک تکرار معکوس در همان رشته DNA وجود دارد، چنین توالی را تکرار آینه ای می نامند. تکرارهای آینه ای خاصیت خود تکمیلی ندارند و بنابراین قادر به ایجاد ساختارهای سنجاق سر یا صلیبی نیستند. توالی هایی از این نوع تقریباً در تمام مولکول های DNA بزرگ یافت می شوند و می توانند از چند جفت باز تا چندین هزار جفت باز متغیر باشند.

وجود پالیندروم ها به شکل ساختارهای صلیبی در سلول های یوکاریوتی ثابت نشده است، اگرچه تعدادی از ساختارهای صلیبی در داخل بدن در سلول های E. coli یافت شده است. وجود توالی های خود تکمیلی در RNA یا DNA تک رشته ای دلیل اصلی تا شدن زنجیره نوکلئیک در محلول ها به یک ساختار فضایی خاص است که با تشکیل بسیاری از "گیره های مو" مشخص می شود.

شکل H از DNA- این یک مارپیچ است که توسط سه رشته DNA تشکیل شده است - مارپیچ سه گانه DNA. این مجموعه ای از مارپیچ دوگانه Watson-Crick با سومین رشته DNA تک رشته ای است که در شیار بزرگ آن قرار می گیرد و به اصطلاح جفت هوگستین را تشکیل می دهد.

تشکیل چنین تریپلکس در نتیجه افزودن مارپیچ دوگانه DNA اتفاق می افتد به گونه ای که نیمی از بخش آن به شکل یک مارپیچ دوتایی باقی می ماند و نیمه دوم قطع می شود. در این مورد، یکی از مارپیچ های جدا شده ساختار جدیدی را با نیمه اول مارپیچ دوتایی - یک مارپیچ سه گانه تشکیل می دهد، و دومی به شکل یک بخش تک رشته ای بدون ساختار است. یکی از ویژگی های این انتقال ساختاری وابستگی شدید به pH محیط است که پروتون های آن ساختار جدید را تثبیت می کنند. با توجه به این ویژگی، ساختار جدید H-form DNA نامیده شد که تشکیل آن در پلاسمیدهای ابرپیچ دار حاوی نواحی هوموپورین-هموپیریمیدین که یک تکرار آینه ای هستند، یافت شد.

در مطالعات بیشتر، امکان انتقال ساختاری برخی از پلی نوکلئوتیدهای دو رشته ای هوموپورین-هوموپیریمیدین با تشکیل یک ساختار سه رشته ای حاوی:

• یک رشته هوموپورین و دو رشته هموپیریمیدین ( تریپلکس Py-Pu-Py) [تعامل هوگستین].

  بلوک های تشکیل دهنده تری پلکس Py-Pu-Py سه گانه های هم شکل متعارف CGC+ و TAT هستند. تثبیت تری پلکس نیازمند پروتونه شدن سه گانه CGC+ است، بنابراین این تری پلکس ها به pH محلول وابسته هستند.

• یک هموپیریمیدین و دو رشته هوموپورین ( تریپلکس Py-Pu-Pu) [برهم کنش هوگستین معکوس].

  بلوک‌های تشکیل‌دهنده سه‌گانه Py-Pu-Pu، سه‌گانه‌های هم‌مورف CGG و TAA هستند. یکی از ویژگی های اساسی تری پلکس های Py-Pu-Pu وابستگی پایداری آنها به حضور یون های دارای بار مضاعف است و یون های مختلفی برای تثبیت تری پلکس های توالی های مختلف مورد نیاز است. از آنجایی که تشکیل تری پلکس های Py-Pu-Pu نیازی به پروتونه شدن نوکلئوتیدهای تشکیل دهنده آنها ندارد، چنین تری پلکس ها می توانند در pH خنثی وجود داشته باشند.

  توجه: برهمکنش مستقیم و معکوس هوگستین با تقارن 1-متیل تیمین توضیح داده می شود: چرخش 180 درجه منجر به این واقعیت می شود که مکان اتم O4 توسط اتم O2 اشغال شده است، در حالی که سیستم پیوندهای هیدروژنی حفظ می شود.

دو نوع مارپیچ سه گانه وجود دارد:

1. مارپیچ های سه گانه موازی که در آنها قطبیت رشته سوم با زنجیره هموپورین دوبلکس واتسون-کریک برابر است.
2. مارپیچ های سه گانه ضد موازی که در آنها قطبیت های زنجیره سوم و هوموپورین متضاد هستند.

زنجیره های همولوگ شیمیایی در هر دو سه پلکس Py-Pu-Pu و Py-Pu-Py در جهت ضد موازی هستند. این بیشتر توسط داده های طیف سنجی NMR تایید شد.

جی کوادروپلکس- DNA 4 رشته ای چنین ساختاری در صورت وجود چهار گوانین تشکیل می شود که به اصطلاح G-quadruplex - یک رقص دور چهار گوانین را تشکیل می دهند.

اولین نکات در مورد امکان شکل گیری چنین ساختارهایی مدت ها قبل از پیشرفت موفقیت آمیز واتسون و کریک - در اوایل سال 1910 - به دست آمد. سپس شیمیدان آلمانی ایوار بنگ کشف کرد که یکی از اجزای DNA - اسید گوانوزیک - در غلظت های بالا ژل می سازد، در حالی که سایر اجزای DNA این خاصیت را ندارند.

در سال 1962 با استفاده از روش پراش اشعه ایکس، امکان ایجاد ساختار سلولی این ژل فراهم شد. معلوم شد که از چهار باقیمانده گوانین تشکیل شده است که یکدیگر را در یک دایره به هم متصل کرده و یک مربع مشخص را تشکیل می دهند. در مرکز، پیوند توسط یک یون فلزی (Na, K, Mg) پشتیبانی می شود. اگر DNA حاوی مقدار زیادی گوانین باشد، همین ساختارها می توانند در DNA ایجاد شوند. این مربع‌های مسطح (G-Quartets) برای تشکیل ساختارهای نسبتاً پایدار و متراکم (G-quadruplexes) روی هم چیده شده‌اند.

چهار رشته مجزا از DNA را می توان به کمپلکس های چهار رشته ای بافته کرد، اما این یک استثنا است. اغلب، یک رشته از اسید نوکلئیک به سادگی به یک گره گره می خورد و ضخیم شدن های مشخصی را ایجاد می کند (مثلاً در انتهای کروموزوم ها)، یا DNA دو رشته ای یک چهارتایی موضعی را در برخی از محل های غنی از گوانین تشکیل می دهد.

بیشترین مطالعه شده وجود چهارگانه در انتهای کروموزوم ها - روی تلومرها و در انکوپروموترها است. با این حال، درک کاملی از محلی سازی چنین DNA در کروموزوم های انسانی هنوز شناخته نشده است.

تمام این ساختارهای غیرعادی DNA به شکل خطی در مقایسه با فرم B DNA ناپایدار هستند. با این حال، DNA اغلب به شکل حلقه‌ای از کشش توپولوژیکی وجود دارد که دارای چیزی باشد که به عنوان ابرپیچ‌پیچ شناخته می‌شود. تحت این شرایط، ساختارهای DNA غیر متعارف به راحتی تشکیل می شوند: شکل های Z، "صلیب ها" و "گیره های مو"، فرم های H، چهارگوش های گوانین، و i-motif.

• شکل ابرپیچ - هنگامی که از هسته سلول بدون آسیب به ستون فقرات پنتوز فسفات آزاد می شود، مشخص می شود. به شکل حلقه های بسته فوق پیچ خورده است. در حالت ابرپیچ خوردگی، مارپیچ دوگانه DNA حداقل یک بار "روی خود پیچ ​​خورده" می شود، یعنی حداقل دارای یک ابرکویل است (شکل شکل هشت را به خود می گیرد).
• حالت آرام DNA - با یک شکست (شکستن یک رشته) مشاهده می شود. در این حالت ابرپیچ ها ناپدید می شوند و DNA به شکل یک حلقه بسته در می آید.
• شکل خطی DNA زمانی مشاهده می شود که دو رشته از مارپیچ دوتایی شکسته شوند.

هر سه شکل ذکر شده DNA به راحتی توسط ژل الکروفورز جدا می شوند.

ساختار سوم DNA

ساختار سوم DNAدر نتیجه چرخش اضافی در فضای یک مولکول دو رشته ای - ابرپیچ آن - تشکیل می شود. ابرپیچ مولکول DNA در سلول های یوکاریوتی، بر خلاف پروکاریوت ها، به شکل کمپلکس هایی با پروتئین ها انجام می شود.

تقریباً تمام DNA یوکاریوتی در کروموزوم های هسته قرار دارد، فقط مقدار کمی از آن در میتوکندری ها و گیاهان و پلاستیدها یافت می شود. ماده اصلی کروموزوم های سلول های یوکاریوتی (از جمله کروموزوم های انسانی) کروماتین است که از DNA دو رشته ای، هیستون و پروتئین های غیر هیستونی تشکیل شده است.

پروتئین های هیستونی کروماتین

هیستون ها پروتئین های ساده ای هستند که تا 50 درصد کروماتین را تشکیل می دهند. در تمام سلول های مورد مطالعه حیوانات و گیاهان، پنج کلاس اصلی هیستون یافت شد: H1، H2A، H2B، H3، H4، که از نظر اندازه، ترکیب اسید آمینه و بار (همیشه مثبت) متفاوت بودند.

هیستون H1 پستانداران از یک زنجیره پلی پپتیدی منفرد شامل تقریباً 215 اسید آمینه تشکیل شده است. اندازه هیستون های دیگر از 100 تا 135 اسید آمینه متفاوت است. همه آنها مارپیچی شده و به شکل یک کروی با قطر حدود 2.5 نانومتر پیچ خورده و حاوی مقدار غیرمعمول زیادی از اسیدهای آمینه با بار مثبت لیزین و آرژنین هستند. هیستون ها را می توان استیله، متیله، فسفریله، پلی(ADP)-ریبوسیله کرد و هیستون های H2A و H2B را می توان به صورت کووالانسی به یوبیکوئیتین متصل کرد. نقش چنین تغییراتی در شکل‌گیری ساختار و عملکرد هیستون‌ها هنوز به طور کامل مشخص نشده است. فرض بر این است که این توانایی آنها در تعامل با DNA و ارائه یکی از مکانیسم های تنظیم عملکرد ژن ها است.

هیستون‌ها عمدتاً از طریق پیوندهای یونی (پل‌های نمکی) که بین گروه‌های فسفات با بار منفی DNA و باقی مانده‌های لیزین و آرژنین با بار مثبت هیستون‌ها تشکیل می‌شوند، با DNA تعامل دارند.

پروتئین های غیر هیستونی کروماتین

پروتئین های غیر هیستونی، بر خلاف هیستون ها، بسیار متنوع هستند. بیش از 590 بخش مختلف از پروتئین های غیرهیستونی متصل به DNA جدا شده است. آنها همچنین پروتئین اسیدی نامیده می شوند، زیرا اسیدهای آمینه اسیدی در ساختار آنها غالب است (آنها پلی آنیون هستند). تنظیم خاص فعالیت کروماتین با انواع پروتئین های غیر هیستونی مرتبط است. به عنوان مثال، آنزیم های ضروری برای همانندسازی و بیان DNA می توانند به طور موقت به کروماتین متصل شوند. پروتئین های دیگر، می گویند آنهایی که در فرآیندهای تنظیمی مختلف دخیل هستند، فقط در بافت های خاص یا در مراحل خاصی از تمایز به DNA متصل می شوند. هر پروتئین مکمل یک توالی خاص از نوکلئوتیدهای DNA (محل DNA) است. این گروه شامل:

• خانواده ای از پروتئین های انگشت روی مخصوص سایت هر "انگشت روی" یک محل خاص متشکل از 5 جفت نوکلئوتید را تشخیص می دهد.
• خانواده ای از پروتئین های مخصوص سایت - همودایمرها. قطعه ای از چنین پروتئینی در تماس با DNA دارای ساختار "مارپیچ-گردش-مارپیچ" است.
• پروتئین های با تحرک بالا (پروتئین های HMG - از انگلیسی، پروتئین های ژل با تحرک بالا) گروهی از پروتئین های ساختاری و تنظیمی هستند که به طور مداوم با کروماتین در ارتباط هستند. آنها وزن مولکولی کمتر از 30 کیلو دالتون دارند و با محتوای بالای آمینو اسیدهای باردار مشخص می شوند. پروتئین‌های HMG به دلیل وزن مولکولی پایین‌شان، در طول الکتروفورز ژل پلی آکریل آمید بسیار متحرک هستند.
• آنزیم های تکثیر، رونویسی و ترمیم.

با مشارکت پروتئین‌های ساختاری، تنظیم‌کننده و آنزیم‌های دخیل در سنتز DNA و RNA، رشته نوکلئوزوم به مجموعه‌ای بسیار متراکم از پروتئین‌ها و DNA تبدیل می‌شود. ساختار حاصل 10000 برابر کوتاهتر از مولکول DNA اصلی است.

کروماتین

کروماتین مجموعه ای از پروتئین ها با DNA هسته ای و مواد معدنی است. بیشتر کروماتین غیر فعال است. حاوی DNA متراکم و فشرده است. این هتروکروماتین است. کروماتین سازنده و ژنتیکی غیرفعال (DNA ماهواره ای) متشکل از نواحی بیان نشده و اختیاری - غیرفعال در تعدادی از نسل ها وجود دارد، اما تحت شرایط خاصی قادر به بیان است.

کروماتین فعال (euchromatin) متراکم نشده است، یعنی. کمتر محکم بسته بندی شده است. در سلول های مختلف، محتوای آن از 2 تا 11 درصد متغیر است. در سلول های مغز، بیشترین - 10-11٪، در سلول های کبد - 3-4 و کلیه ها - 2-3٪ است. رونویسی فعال یوکروماتین وجود دارد. در عین حال، سازماندهی ساختاری آن امکان استفاده از اطلاعات ژنتیکی DNA یکسان موجود در یک نوع معین از ارگانیسم را به روش های مختلف در سلول های تخصصی ممکن می سازد.

در یک میکروسکوپ الکترونی، تصویر کروماتین شبیه مهره‌هایی است: ضخامت‌های کروی به اندازه حدود 10 نانومتر، که توسط پل‌های رشته‌ای از هم جدا شده‌اند. به این ضخامت های کروی، نوکلئوزوم می گویند. نوکلئوزوم واحد ساختاری کروماتین است. هر نوکلئوزوم حاوی یک قطعه DNA ابرپیچ به طول 146 جفت باز است که به ازای هر هسته نوکلئوزوم 1.75 چرخش به چپ ایجاد می کند. هسته نوکلئوزومی یک اکتامر هیستونی است که از هیستون های H2A، H2B، H3 و H4، دو مولکول از هر نوع تشکیل شده است (شکل 9)، که شبیه دیسکی با قطر 11 نانومتر و ضخامت 5.7 نانومتر است. هیستون پنجم، H1، بخشی از هسته نوکلئوزومی نیست و در فرآیند پیچش DNA در اطراف اکتامر هیستون دخالتی ندارد. در نقاطی که مارپیچ دوگانه وارد هسته نوکلئوزومی شده و از آن خارج می شود با DNA تماس می گیرد. اینها بخشهای بین هسته ای (پیوند دهنده) DNA هستند که طول آنها بسته به نوع سلول از 40 تا 50 جفت نوکلئوتیدی متفاوت است. در نتیجه، طول قطعه DNA که بخشی از نوکلئوزوم است نیز متفاوت است (از 186 تا 196 جفت نوکلئوتید).

نوکلئوزوم حاوی حدود 90 درصد DNA است و بقیه آن پیوند دهنده است. اعتقاد بر این است که نوکلئوزوم ها قطعاتی از کروماتین "ساکت" هستند، در حالی که پیوند دهنده فعال است. با این حال، نوکلئوزوم ها می توانند باز شوند و خطی شوند. نوکلئوزوم های باز شده قبلاً کروماتین فعال هستند. این به وضوح وابستگی تابع به ساختار را نشان می دهد. می توان فرض کرد که هر چه کروماتین در ترکیب نوکلئوزوم های کروی بیشتر باشد، فعالیت آن کمتر است. بدیهی است که در سلول های مختلف نسبت نابرابر کروماتین در حال استراحت با تعداد این نوکلئوزوم ها مرتبط است.

در عکس های میکروسکوپی الکترونی، بسته به شرایط جداسازی و میزان کشش، کروماتین می تواند نه تنها به عنوان یک رشته طولانی با ضخیم شدن - "دانه های" نوکلئوزوم ها، بلکه به عنوان یک فیبریل (فیبر) کوتاه تر و متراکم تر با قطر ظاهر شود. 30 نانومتر که تشکیل آن در حین برهمکنش هیستون H1 مرتبط با ناحیه پیوند دهنده DNA و هیستون H3 مشاهده می شود که منجر به پیچش اضافی مارپیچ شش نوکلئوزوم در هر نوبت با تشکیل یک سولنوئید با قطر 30 نانومتر می شود. . در این حالت، پروتئین هیستون می تواند در رونویسی تعدادی از ژن ها اختلال ایجاد کند و در نتیجه فعالیت آنها را تنظیم کند.

در نتیجه برهمکنش های DNA با هیستون هایی که در بالا توضیح داده شد، قطعه ای از مارپیچ دوگانه DNA با 186 جفت باز با قطر متوسط ​​2 نانومتر و طول 57 نانومتر به مارپیچ با قطر 10 نانومتر و طول تبدیل می شود. از 5 نانومتر با فشرده سازی بعدی این مارپیچ به فیبری با قطر 30 نانومتر، درجه تراکم شش برابر دیگر افزایش می یابد.

در نهایت، بسته بندی DNA دوبلکس با پنج هیستون منجر به تراکم 50 برابری DNA می شود. با این حال، حتی چنین درجه بالایی از تراکم نمی تواند فشردگی تقریبا 50000 تا 100000 برابری DNA در کروموزوم متافاز را توضیح دهد. متأسفانه، جزئیات بیشتر بسته بندی کروماتین تا کروموزوم متافاز هنوز مشخص نیست؛ بنابراین، تنها ویژگی های کلی این فرآیند را می توان در نظر گرفت.

سطوح تراکم DNA در کروموزوم ها

هر مولکول DNA در یک کروموزوم جداگانه بسته بندی می شود. سلول های انسانی دیپلوئید حاوی 46 کروموزوم هستند که در هسته سلول قرار دارند. طول کل DNA همه کروموزوم های یک سلول 1.74 متر است، اما قطر هسته ای که کروموزوم ها در آن قرار دارند میلیون ها بار کوچکتر است. چنین بسته بندی فشرده ای از DNA در کروموزوم ها و کروموزوم ها در هسته سلول توسط انواع پروتئین های هیستونی و غیرهیستونی که در یک توالی خاص با DNA برهمکنش دارند (به بالا مراجعه کنید) ایجاد می شود. فشردگی DNA در کروموزوم ها باعث می شود که ابعاد خطی آن حدود 10000 برابر - مشروط از 5 سانتی متر تا 5 میکرون - کاهش یابد. چندین سطح از فشرده سازی وجود دارد (شکل 10).

• مارپیچ دوگانه DNA یک مولکول با بار منفی با قطر 2 نانومتر و طول چند سانتی متر است.
• سطح نوکلئوزومی- کروماتین در یک میکروسکوپ الکترونی به صورت زنجیره ای از "مهره ها" - نوکلئوزوم ها - "روی یک نخ" به نظر می رسد. نوکلئوزوم یک واحد ساختاری جهانی است که هم در یوکروماتین و هم در هتروکروماتین، در هسته اینترفاز و کروموزوم‌های متافاز یافت می‌شود.

  سطح تراکم نوکلئوزومی توسط پروتئین های ویژه - هیستون ها تامین می شود. هشت حوزه هیستونی با بار مثبت، هسته (هسته) نوکلئوزومی را تشکیل می دهند که مولکول DNA با بار منفی در اطراف آن زخمی شده است. این کوتاه شدن را با ضریب 7 ایجاد می کند، در حالی که قطر از 2 به 11 نانومتر افزایش می یابد.

• سطح شیر برقی

  سطح سولنوئید سازمان کروموزوم با پیچ خوردن رشته نوکلئوزومی و تشکیل فیبریل های ضخیم تر به قطر 20-35 نانومتر از آن - سولنوئیدها یا سوپربایدها مشخص می شود. گام سولنوئید 11 نانومتر است و در هر دور حدود 6-10 نوکلئوزوم وجود دارد. بسته‌بندی سولنوئیدی محتمل‌تر از بسته‌بندی فوق‌العاده در نظر گرفته می‌شود، طبق آن یک فیبریل کروماتین با قطر 20 تا 35 نانومتر زنجیره‌ای از گرانول‌ها یا سوپربایدها است که هر کدام از هشت نوکلئوزوم تشکیل شده‌اند. در سطح سولنوئید، اندازه خطی DNA 6-10 برابر کاهش می یابد، قطر به 30 نانومتر افزایش می یابد.

• سطح حلقه

  سطح حلقه توسط پروتئین‌های متصل شونده به DNA غیر هیستونی اختصاص داده می‌شود که توالی‌های DNA خاصی را شناسایی کرده و به آن متصل می‌شوند و حلقه‌هایی با حدود 30-300 کیلوبایت تشکیل می‌دهند. حلقه بیان ژن را تضمین می کند، یعنی. حلقه نه تنها ساختاری، بلکه یک شکل گیری عملکردی است. کوتاه شدن در این سطح 20-30 برابر رخ می دهد. قطر به 300 نانومتر افزایش می یابد. ساختارهای حلقه مانند "Lampbrush" در تخمک های دوزیستان را می توان در آماده سازی سیتولوژی مشاهده کرد. به نظر می رسد این حلقه ها ابرپیچ هستند و حوزه های DNA را نشان می دهند که احتمالاً مربوط به واحدهای رونویسی و همانندسازی کروماتین است. پروتئین های خاص پایه حلقه ها و احتمالاً برخی از مناطق داخلی آنها را ثابت می کنند. سازماندهی دامنه حلقه مانند تاخوردگی کروماتین را در کروموزوم های متافاز به ساختارهای مارپیچ با مرتبه بالاتر تسهیل می کند.

• سطح دامنه

  سطح دامنه سازماندهی کروموزوم به اندازه کافی مطالعه نشده است. در این سطح، تشکیل دامنه های حلقه ذکر شده است - ساختارهای رشته ها (فیبریل ها) با ضخامت 25-30 نانومتر، که حاوی 60٪ پروتئین، 35٪ DNA و 5٪ RNA هستند، عملاً در تمام مراحل چرخه سلولی نامرئی هستند. به استثنای میتوز و تا حدودی به طور تصادفی بر روی هسته سلول توزیع می شوند. ساختارهای حلقه مانند "Lampbrush" در تخمک های دوزیستان را می توان در آماده سازی سیتولوژی مشاهده کرد.

  دامنه‌های حلقه با پایه خود به ماتریکس پروتئین درون هسته‌ای در به اصطلاح مکان‌های پیوست داخلی متصل می‌شوند، که اغلب به عنوان توالی‌های MAR/SAR شناخته می‌شوند (MAR، از ناحیه مرتبط با ماتریس انگلیسی؛ SAR، از مناطق اتصال داربست انگلیسی) - قطعات DNA چند صد جفت باز طولانی را که با محتوای بالای (بیش از 65٪) از جفت بازهای A/T مشخص می شود، تکه تکه می کند. به نظر می رسد هر دامنه دارای یک منشاء تکثیر است و به عنوان یک واحد ابرپیچ خود مستقل عمل می کند. هر دامنه حلقه شامل واحدهای رونویسی زیادی است که عملکرد آنها احتمالاً هماهنگ است - کل دامنه یا در حالت فعال یا غیرفعال است.

  در سطح دامنه، در نتیجه بسته بندی متوالی کروماتین، ابعاد خطی DNA حدود 200 برابر (700 نانومتر) کاهش می یابد.

• سطح کروموزوم

  در سطح کروموزومی، کروموزوم پروفاز با متراکم شدن حوزه های حلقه در اطراف چارچوب محوری پروتئین های غیر هیستونی به یک متافاز متراکم می شود. این ابرپیچش با فسفوریلاسیون تمام مولکول های H1 در سلول همراه است. در نتیجه، کروموزوم متافاز را می توان به صورت حلقه های الکترومغناطیسی متراکم که در یک مارپیچ محکم پیچیده شده اند، نشان داد. یک کروموزوم انسانی معمولی می تواند تا 2600 حلقه داشته باشد. ضخامت چنین ساختاری به 1400 نانومتر (دو کروماتید) می رسد، در حالی که مولکول DNA 104 برابر کوتاه می شود، یعنی. از 5 سانتی متر DNA کشیده تا 5 میکرومتر.

عملکرد کروموزوم ها

در تعامل با مکانیسم های خارج کروموزومی، کروموزوم ها فراهم می کنند

1. ذخیره سازی اطلاعات ارثی
2. استفاده از این اطلاعات برای ایجاد و حفظ سازمان سلولی
3. تنظیم خواندن اطلاعات ارثی
4. خود تکراری مواد ژنتیکی
5. انتقال ماده ژنتیکی از سلول مادر به سلول دختر

شواهدی وجود دارد که با فعال شدن یک ناحیه کروماتین، یعنی. در طول رونویسی، ابتدا هیستون H1 به طور برگشت پذیر از آن حذف می شود و سپس هشت هیستون. این باعث تراکم زدایی کروماتین، انتقال متوالی یک فیبریل کروماتین 30 نانومتری به یک رشته 10 نانومتری و باز شدن بیشتر آن در مناطقی از DNA آزاد می شود، به عنوان مثال. از دست دادن ساختار نوکلئوزومی

اسید دئوکسی ریبونوکلئیک (DNA) یک ماکرومولکول است (یکی از سه مولکول اصلی، دو مورد دیگر RNA و پروتئین) است که ذخیره سازی، انتقال از نسلی به نسل دیگر و اجرای برنامه ژنتیکی برای رشد و عملکرد موجودات زنده را فراهم می کند. DNA حاوی اطلاعاتی در مورد ساختار انواع مختلف RNA و پروتئین است.

در سلول های یوکاریوتی (حیوانات، گیاهان و قارچ ها)، DNA در هسته سلول به عنوان بخشی از کروموزوم ها و همچنین در برخی از اندامک های سلولی (میتوکندری و پلاستیدها) یافت می شود. در سلول های موجودات پروکاریوتی (باکتری ها و آرکیاها)، یک مولکول DNA دایره ای یا خطی به نام نوکلوئید از داخل به غشای سلولی متصل است. آن‌ها و یوکاریوت‌های پایین‌تر (مثلاً مخمرها) دارای مولکول‌های DNA کوچک مستقل و عمدتاً دایره‌ای هستند که پلاسمید نامیده می‌شوند. علاوه بر این، مولکول های DNA تک یا دو رشته ای می توانند ژنوم ویروس های حاوی DNA را تشکیل دهند.

از نقطه نظر شیمیایی، DNA یک مولکول پلیمری طولانی است که از بلوک های تکراری - نوکلئوتیدها تشکیل شده است. هر نوکلئوتید از یک پایه نیتروژن دار، یک قند (دئوکسی ریبوز) و یک گروه فسفات تشکیل شده است. پیوندهای بین نوکلئوتیدها در یک زنجیره توسط دئوکسی ریبوز و یک گروه فسفات (پیوندهای فسفودی استر) ایجاد می شود. در اکثریت قریب به اتفاق موارد (به استثنای برخی از ویروس‌های حاوی DNA تک رشته‌ای)، ماکرومولکول DNA از دو زنجیره تشکیل شده است که توسط بازهای نیتروژنی به یکدیگر متصل شده‌اند. این مولکول دو رشته ای مارپیچ است. به طور کلی به ساختار مولکول DNA «مارپیچ دوگانه» می گویند.

رمزگشایی ساختار DNA (1953) یکی از نقاط عطف در تاریخ زیست شناسی بود. فرانسیس کریک، جیمز واتسون و موریس ویلکینز در سال 1962 جایزه نوبل فیزیولوژی یا پزشکی را به خاطر مشارکت برجسته‌شان در این کشف دریافت کردند. روزالیند فرانکلین، که رادیوگرافی‌هایی را دریافت کرد که بدون آن واتسون و کریک نمی‌توانستند نتیجه‌گیری کنند. ساختار DNA، در سال 1958 بر اثر سرطان درگذشت، و جایزه نوبل، متأسفانه، پس از مرگ داده نمی شود.

تاریخچه تحصیل

ساختار مولکولی

نوکلئوتیدها

مارپیچ دوتایی

ایجاد پیوند بین مارپیچ ها

اصلاحات شیمیایی پایه ها

آسیب DNA

پیچ و تاب فوق العاده

ساختار در انتهای کروموزوم ها

عملکردهای بیولوژیکی

ساختار ژنوم

توالی ژنومی که پروتئین را کد نمی کند

رونویسی و پخش

همانند سازی

تعامل با پروتئین ها

پروتئین های ساختاری و تنظیمی

آنزیم هایی که DNA را تغییر می دهند

توپوایزومرازها و هلیکازها

نوکلئازها و لیگازها

پلیمرازها

نوترکیبی ژنتیکی

تکامل متابولیسم مبتنی بر DNA

کتابشناسی - فهرست کتب

تاریخچه تحصیل

DNA به عنوان یک ماده شیمیایی توسط Johann Friedrich Miescher در سال 1868 از بقایای سلول های موجود در چرک جدا شد. او ماده ای را جدا کرد که شامل نیتروژن و فسفر است. در ابتدا ماده جدید نامگذاری شد نوکلئینو بعداً وقتی میشر تشخیص داد که این ماده خاصیت اسیدی دارد، این ماده نامگذاری شد اسید نوکلئیک. عملکرد بیولوژیکی ماده تازه کشف شده نامشخص بود و برای مدت طولانی DNA یک انبار فسفر در بدن محسوب می شد. علاوه بر این، حتی در آغاز قرن بیستم، بسیاری از زیست شناسان معتقد بودند که DNA هیچ ارتباطی با انتقال اطلاعات ندارد، زیرا ساختار مولکول، به نظر آنها، بیش از حد یکنواخت است و نمی تواند حاوی اطلاعات رمزگذاری شده باشد.

به تدریج ثابت شد که حامل اطلاعات ژنتیکی DNA است و نه پروتئین ها، همانطور که قبلاً تصور می شد. یکی از اولین شواهد قاطع از آزمایش های O. Avery، Colin McLeod و McLean McCarthy (1944) در مورد تغییر شکل باکتری ها به دست آمد. آنها توانستند نشان دهند که به اصطلاح دگرگونی (کسب خواص بیماری زا توسط یک کشت بی ضرر در نتیجه افزودن باکتری های بیماری زا مرده به آن) مسئول جدا شده از پنوموکوک است. DNA آزمایش دانشمندان آمریکایی آلفرد هرشی و مارتا چیس (آزمایش 1952 هرشی چیس) با پروتئین ها و DNA باکتریوفاژهای نشاندار شده با ایزوتوپ های رادیواکتیو نشان داد که فقط اسید نوکلئیک فاژ به سلول آلوده و نسل جدید فاژ منتقل می شود. حاوی همان پروتئین ها و اسید نوکلئیک فاژ اصلی است.

تا دهه 1950، ساختار دقیق DNA و همچنین نحوه انتقال اطلاعات ارثی ناشناخته باقی مانده بود. اگرچه مشخص بود که DNA از چندین رشته نوکلئوتید تشکیل شده است، اما هیچ کس دقیقاً نمی دانست که چه تعداد از این رشته ها و چگونه به هم متصل شده اند.

ساختار مارپیچ دوگانه DNA توسط فرانسیس کریک و جیمز واتسون در سال 1953 بر اساس داده های اشعه ایکس به دست آمده توسط موریس ویلکینز و روزالیند فرانکلین و "قوانین شارگاف" پیشنهاد شد که بر اساس آن نسبت های دقیقی در هر مولکول DNA مشاهده می شود. , اتصال تعداد پایه های نیتروژنی انواع مختلف . بعدها، مدل ساختار DNA ارائه شده توسط واتسون و کریک به اثبات رسید و کار آنها در سال 1962 جایزه نوبل فیزیولوژی یا پزشکی را دریافت کرد. جایزه پس از مرگ اهدا نمی شود

جالب اینجاست که در سال 1957، الکساندر ریچ، گری فلسنفلد و دیوید دیویس آمریکایی ها اسید نوکلئیک متشکل از سه مارپیچ را توصیف کردند. و در سالهای 1985-1986، ماکسیم داوودوویچ فرانک-کامنتسکی در مسکو نشان داد که چگونه DNA دو رشته ای به شکل H تا می شود، که از نه دو، بلکه از سه رشته DNA تشکیل شده است.

ساختار مولکول.

دئوکسی ریبونوکلئیک اسید (DNA) یک پلیمر زیستی (پلیانیون) است که مونومر آن یک نوکلئوتید است.

هر نوکلئوتید متشکل از یک باقیمانده اسید فسفریک است که در موقعیت 5 اینچی به دئوکسی ریبوز قند متصل است، که یکی از چهار پایه نیتروژنی نیز از طریق یک پیوند گلیکوزیدی (C-N) در موقعیت 1 اینچ متصل است. وجود یک قند مشخص است که یکی از تفاوت های اصلی بین DNA و RNA را تشکیل می دهد که در نام این اسیدهای نوکلئیک ثبت شده است (RNA حاوی قند ریبوز است). نمونه ای از یک نوکلئوتید آدنوزین مونوفسفات است که در آن پایه متصل به فسفات و ریبوز آدنین است (در شکل نشان داده شده است).

بر اساس ساختار مولکول ها، بازهایی که نوکلئوتیدها را تشکیل می دهند به دو گروه تقسیم می شوند: پورین ها (آدنین [A] و گوانین [G]) توسط هتروسیکل های پنج و شش عضوی متصل تشکیل می شوند. پیریمیدین ها (سیتوزین [C] و تیمین [T]) - یک هتروسیکل شش عضوی.

به عنوان یک استثنا، به عنوان مثال، در باکتریوفاژ PBS1، نوع پنجم از بازها در DNA یافت می شود - اوراسیل ([U])، یک پایه پیریمیدینی که در غیاب یک گروه متیل روی حلقه، معمولاً جایگزین تیمین می شود، با تیمین متفاوت است. در RNA

لازم به ذکر است که تیمین و اوراسیل آنطور که قبلاً تصور می شد به ترتیب به DNA و RNA محدود نمی شوند. بنابراین، پس از سنتز برخی از مولکول های RNA، تعداد قابل توجهی از اوراسیل های موجود در این مولکول ها با کمک آنزیم های خاص متیله شده و به تیمین تبدیل می شوند. در انتقال و RNA های ریبوزومی رخ می دهد.

مارپیچ دوتایی.

پلیمر DNA ساختار نسبتاً پیچیده ای دارد. نوکلئوتیدها به صورت کووالانسی به زنجیره های بلند پلی نوکلئوتیدی متصل می شوند. این زنجیره ها در اکثریت قریب به اتفاق موارد (به جز برخی از ویروس ها با ژنوم DNA تک رشته ای) به صورت جفت با استفاده از پیوندهای هیدروژنی در یک ساختار ثانویه به نام مارپیچ دوتایی ترکیب می شوند. ستون فقرات هر یک از زنجیره ها از قند فسفات متناوب تشکیل شده است. در یک رشته DNA، نوکلئوتیدهای مجاور توسط پیوندهای فسفودی استری به هم متصل می شوند که در نتیجه برهمکنش بین گروه 3"-هیدروکسیل (3"-OH) مولکول دئوکسی ریبوز یک نوکلئوتید و گروه 5"-فسفات ایجاد می شود. 5"-PO 3) از دیگری. به انتهای نامتقارن زنجیره DNA 3 اینچ (سه پریم) و 5 اینچ (پنج پریم) می گویند. قطبیت زنجیره نقش مهمی در سنتز DNA ایفا می کند (طولانی شدن زنجیره فقط با افزودن نوکلئوتیدهای جدید به انتهای آزاد 3 امکان پذیر است).

همانطور که در بالا ذکر شد، در اکثریت قریب به اتفاق موجودات زنده، DNA نه از یک، بلکه از دو زنجیره پلی نوکلئوتیدی تشکیل شده است. این دو زنجیره بلند به شکل یک مارپیچ دوتایی به دور یکدیگر پیچیده شده‌اند که توسط پیوندهای هیدروژنی ایجاد شده بین پایه‌های نیتروژنی زنجیره‌های تشکیل‌دهنده آن در مقابل یکدیگر تثبیت می‌شوند. در طبیعت، این مارپیچ اغلب راست دست است. جهات از انتهای 3 تا 5 اینچ در دو رشته تشکیل دهنده مولکول DNA متضاد هستند (رشته ها "ضد موازی" با یکدیگر هستند).

عرض مارپیچ دوگانه از 22 تا 24 A یا 2.2 - 2.4 نانومتر است، طول هر نوکلئوتید 3.3 Å (0.33 نانومتر) است. همانطور که در کنار پلکان مارپیچی، روی مارپیچ دوگانه DNA، در شکاف‌های بین ستون فقرات فسفات مولکول، می‌توان لبه‌های پایه‌ها را دید که حلقه‌های آن در یک صفحه عمود بر هم قرار دارند. به محور طولی درشت مولکول.

در مارپیچ دوگانه، یک شیار کوچک (12 Å) و یک شیار بزرگ (22 Å) متمایز می شود. پروتئین‌هایی مانند فاکتورهای رونویسی که به توالی‌های خاصی در DNA دو رشته‌ای متصل می‌شوند، معمولاً با لبه‌های پایه در شیار اصلی تعامل دارند، جایی که در دسترس‌تر هستند.

هر پایه روی یکی از رشته ها با یک پایه خاص در رشته دوم همراه است. چنین اتصال خاص مکمل نامیده می شود. پورین ها مکمل پیریمیدین ها هستند (یعنی می توانند با آنها پیوند هیدروژنی ایجاد کنند): آدنین فقط با تیمین پیوند می دهد و سیتوزین با گوانین. در مارپیچ دوگانه، زنجیره‌ها نیز با برهمکنش‌های آبگریز و انباشته شدن، که مستقل از توالی پایه DNA هستند، به هم متصل می‌شوند.

مکمل بودن مارپیچ دوگانه به این معنی است که اطلاعات موجود در یک رشته در رشته دیگر نیز وجود دارد. برگشت‌پذیری و ویژگی برهمکنش‌های بین جفت‌های باز مکمل برای همانندسازی DNA و سایر عملکردهای DNA در موجودات زنده مهم است.

از آنجایی که پیوندهای هیدروژنی غیر کووالانسی هستند، به راحتی شکسته و بازیابی می شوند. زنجیرهای مارپیچ دوتایی می توانند مانند یک زیپ تحت تأثیر آنزیم ها (هلیکاز) یا در دمای بالا باز شوند. جفت بازهای مختلف تعداد متفاوتی پیوند هیدروژنی را تشکیل می دهند. AT توسط دو، GC - توسط سه پیوند هیدروژنی به هم متصل می شوند، بنابراین انرژی بیشتری برای شکستن GC مورد نیاز است. درصد جفت HC و طول مولکول DNA مقدار انرژی مورد نیاز برای تفکیک زنجیره ها را تعیین می کند: مولکول های DNA بلند با محتوای بالای HC مقاوم تر هستند.

بخش هایی از مولکول های DNA که به دلیل عملکردشان باید به راحتی جدا شوند، مانند توالی TATA در پروموترهای باکتریایی، معمولاً حاوی مقادیر زیادی A و T هستند.

بازهای نیتروژنی در DNA را می توان به صورت کووالانسی اصلاح کرد که در تنظیم بیان ژن استفاده می شود. به عنوان مثال، در سلول های مهره داران، متیلاسیون سیتوزین برای تشکیل 5-متیل سیتوزین توسط سلول های سوماتیک برای انتقال مشخصات بیان ژن به سلول های دختر استفاده می شود. متیلاسیون سیتوزین بر جفت شدن بازها در مارپیچ دوگانه DNA تأثیر نمی گذارد. در مهره داران، متیلاسیون DNA در سلول های سوماتیک به متیلاسیون سیتوزین در توالی CH محدود می شود. میانگین سطح متیلاسیون در موجودات مختلف، به عنوان مثال، در نماتد متفاوت است Caenorhabditis elegansمتیلاسیون سیتوزین مشاهده نمی شود، و سطح بالایی از متیلاسیون، تا 1٪ در مهره داران یافت شد. سایر اصلاحات پایه عبارتند از متیلاسیون آدنین در باکتری ها و گلیکوزیلاسیون اوراسیل برای تشکیل یک "J-base" در کینتوپلاست ها.

متیلاسیون سیتوزین با تشکیل 5- متیل سیتوزین در بخش پروموتر ژن با حالت غیر فعال آن ارتباط دارد. متیلاسیون سیتوزین همچنین برای غیرفعال شدن در پستانداران مهم است. متیلاسیون DNA در چاپ ژنومی استفاده می شود. اختلالات قابل توجهی در پروفایل متیلاسیون DNA در طول سرطان زایی رخ می دهد.

علیرغم نقش بیولوژیکی آن، 5-متیل سیتوزین می تواند به طور خود به خود گروه آمینه خود (دآمینات) را از دست داده و به تیمین تبدیل شود، بنابراین سیتوزین های متیله منبع افزایش تعداد جهش ها هستند.

NK می تواند توسط انواع جهش زاها، که شامل مواد اکسید کننده و آلکیله کننده، و همچنین تابش الکترومغناطیسی پرانرژی - اشعه ماوراء بنفش و اشعه ایکس است، آسیب ببیند. نوع آسیب DNA به نوع جهش زا بستگی دارد. به عنوان مثال، اشعه ماوراء بنفش با تشکیل دیمرهای تیمین در آن به DNA آسیب می رساند، که زمانی رخ می دهد که پیوندهای کووالانسی بین بازهای مجاور ایجاد شود.

اکسیدان هایی مانند رادیکال های آزاد یا پراکسید هیدروژن باعث ایجاد چندین نوع آسیب DNA، از جمله تغییرات پایه، به ویژه گوانوزین، و همچنین شکستگی های دو رشته ای در DNA می شوند. بر اساس برخی برآوردها، روزانه حدود 500 باز توسط ترکیبات اکسید کننده در هر سلول انسانی آسیب می بینند. در میان انواع آسیب، خطرناک ترین شکستگی های دو رشته ای است، زیرا تعمیر آنها دشوار است و می تواند منجر به از بین رفتن بخش های کروموزوم (حذف) و جابجایی شود.

بسیاری از مولکول‌های جهش‌زا بین دو جفت باز مجاور قرار می‌گیرند. اکثر این ترکیبات مانند اتیدیوم، دانوروبیسین، دوکسوروبیسین و تالیدومید دارای ساختار معطر هستند. برای اینکه یک ترکیب میان‌قلابی بین پایه‌ها قرار گیرد، باید ساختار مارپیچ دوگانه را از هم جدا کرده، باز کنند و بشکنند. این تغییرات در ساختار DNA با رونویسی و همانندسازی تداخل کرده و باعث جهش می شود. بنابراین، ترکیبات بینابینی اغلب سرطان زا هستند که شناخته شده ترین آنها بنزوپیرن، آکریدین ها و آفلاتوکسین هستند. با وجود این خواص منفی، به دلیل توانایی آنها در مهار رونویسی و تکثیر DNA، اینترکالاتورها در شیمی درمانی برای سرکوب سلول های سرطانی در حال رشد سریع استفاده می شوند.

اگر انتهای طناب را بگیرید و شروع به پیچاندن آنها در جهات مختلف کنید، کوتاه تر می شود و "فیلم های فوق العاده" روی طناب ایجاد می شود. DNA همچنین می تواند ابرپیچ شود. در حالت عادی، رشته DNA به ازای هر 10.4 باز یک دور می‌چرخاند، اما در حالت ابرپیچ‌پیچ، مارپیچ را می‌توان محکم‌تر یا پیچ‌خورده‌تر کرد. دو نوع ابرپیچش وجود دارد: مثبت - در جهت چرخش های معمولی، که در آن پایه ها نزدیکتر به یکدیگر قرار دارند. و منفی - در جهت مخالف. در طبیعت، مولکول‌های DNA معمولاً در ابرپیچ‌پیچ منفی هستند که توسط آنزیم‌ها - توپوایزومرازها وارد می‌شوند. این آنزیم ها پیچ و تاب اضافی را که در DNA در نتیجه رونویسی و همانندسازی ایجاد می شود، حذف می کنند.

در انتهای کروموزوم های خطی ساختارهای DNA تخصصی به نام تلومر وجود دارد. وظیفه اصلی این مناطق حفظ یکپارچگی انتهای کروموزوم است. تلومرها همچنین از انتهای DNA در برابر تخریب توسط اگزونوکلئازها محافظت می کنند و از فعال شدن سیستم ترمیم جلوگیری می کنند. از آنجایی که DNA پلیمرازهای معمولی نمی توانند انتهای 3 اینچی کروموزوم ها را تکثیر کنند، یک آنزیم خاص، تلومراز، این کار را انجام می دهد.

در سلول های انسانی، تلومرها اغلب با DNA تک رشته ای نشان داده می شوند و از چندین هزار واحد تکرار شونده از توالی TTAGGG تشکیل شده اند. این توالی‌های غنی از گوانین، انتهای کروموزوم‌ها را تثبیت می‌کنند و ساختارهای بسیار غیرمعمولی به نام G-quadroplexes را تشکیل می‌دهند که از چهار پایه به جای دو پایه متقابل تشکیل شده‌اند. چهار باز گوانین که همه اتم های آنها در یک صفحه قرار دارند، صفحه ای را تشکیل می دهند که با پیوندهای هیدروژنی بین بازها و کیلاسیون یک یون فلزی (اغلب پتاسیم) در مرکز آن تثبیت شده است. این صفحات یکی از روی هم چیده شده اند.

ساختارهای دیگری نیز می توانند در انتهای کروموزوم ها تشکیل شوند: پایه ها می توانند در یک زنجیره یا در زنجیره های مختلف موازی قرار گیرند. علاوه بر این ساختارهای "پشته"، تلومرها ساختارهای حلقه مانند بزرگی به نام حلقه های T یا حلقه های تلومری تشکیل می دهند. در آنها، DNA تک رشته ای به شکل یک حلقه پهن است که توسط پروتئین های تلومری تثبیت شده است. در انتهای حلقه T، DNA تلومری تک رشته ای به DNA دو رشته ای می پیوندد و جفت شدن رشته ها در این مولکول را مختل می کند و با یکی از رشته ها پیوند ایجاد می کند. این سازند سه رشته ای حلقه D نامیده می شود.

DNA حامل اطلاعات ژنتیکی است که به صورت دنباله ای از نوکلئوتیدها با استفاده از کد ژنتیکی نوشته می شود. دو ویژگی اساسی موجودات زنده با مولکول های DNA مرتبط است - وراثت و تنوع. طی فرآیندی به نام تکثیر DNA، دو کپی از زنجیره اصلی تشکیل می‌شود که در هنگام تقسیم به سلول‌های دختر به ارث می‌رسد، به‌طوری‌که سلول‌های حاصل از نظر ژنتیکی با نمونه اصلی یکسان هستند.

اطلاعات ژنتیکی در طی بیان ژنوم در فرآیندهای رونویسی (سنتز مولکول های RNA بر روی یک الگوی DNA) و ترجمه (سنتز پروتئین ها بر روی یک الگوی RNA) محقق می شود.

توالی نوکلئوتیدها اطلاعات مربوط به انواع مختلف RNA را رمزگذاری می کند: اطلاعات یا الگو (mRNA)، ریبوزومی (rRNA) و انتقال (tRNA). تمام این انواع RNA در طول فرآیند رونویسی از DNA سنتز می شوند. نقش آنها در بیوسنتز پروتئین (فرایند ترجمه) متفاوت است. RNA پیام رسان حاوی اطلاعاتی در مورد توالی اسیدهای آمینه در یک پروتئین است، RNA ریبوزومی به عنوان پایه ای برای ریبوزوم ها عمل می کند (کمپلکس های نوکلئوپروتئین پیچیده که وظیفه اصلی آن جمع آوری پروتئین از اسیدهای آمینه منفرد بر اساس mRNA است)، RNA انتقال آمینو را تحویل می دهد. اسیدها به محل تجمع پروتئین - به مرکز فعال ریبوزوم، "خزنده" در طول mRNA.

بیشتر DNA طبیعی ساختاری دو رشته ای دارد، خطی (یوکاریوت ها، برخی ویروس ها و جنس های خاصی از باکتری ها) یا دایره ای (پروکاریوت ها، کلروپلاست ها و میتوکندری ها). برخی از ویروس ها و باکتریوفاژها حاوی DNA تک رشته ای خطی هستند. مولکول های DNA در حالت فشرده و متراکم قرار دارند.در سلول های یوکاریوتی، DNA به طور عمده در هسته به شکل مجموعه ای از کروموزوم ها قرار دارد. DNA باکتری ها (پروکاریوت ها) معمولاً توسط یک مولکول DNA دایره ای منفرد که در شکل نامنظمی در سیتوپلاسم قرار دارد به نام نوکلوئید نشان داده می شود. اطلاعات ژنتیکی ژنوم از ژن ها تشکیل شده است. ژن واحد انتقال اطلاعات ارثی و بخشی از DNA است که بر ویژگی خاصی از یک موجود زنده تأثیر می گذارد. این ژن شامل یک چارچوب خواندن باز است که رونویسی می شود، و همچنین چارچوب های تنظیمی، مانند یک پروموتر و یک تقویت کننده، که بیان فریم های خواندن باز را کنترل می کند.

در بسیاری از گونه ها، تنها بخش کوچکی از توالی ژنوم کل پروتئین ها را کد می کند. بنابراین، تنها حدود 1.5 درصد از ژنوم انسان از اگزون های کدکننده پروتئین و بیش از 50 درصد از DNA انسان از توالی های DNA تکراری غیر کدکننده تشکیل شده است. دلایل وجود چنین مقدار زیادی از DNA غیر کد کننده در ژنوم های یوکاریوتی و تفاوت فاحش اندازه ژنوم (C-value) یکی از معماهای علمی حل نشده است. تحقیقات در این زمینه همچنین به تعداد زیادی از قطعات ویروس باقیمانده در این بخش از DNA اشاره می کند.

در حال حاضر، شواهد بیشتر و بیشتری در حال انباشته شدن است که با ایده توالی‌های غیرکدکننده به‌عنوان «DNA ناخواسته» در تضاد است (Eng. DNA ناخواسته). تلومرها و سانترومرها حاوی ژن های کمی هستند، اما برای عملکرد و ثبات کروموزوم مهم هستند. شکل رایج توالی‌های غیرکدکننده انسانی، شبه‌زا هستند، کپی‌هایی از ژن‌هایی که توسط جهش‌ها غیرفعال می‌شوند. این توالی ها چیزی شبیه به پستانداران مولکولی هستند، اگرچه گاهی اوقات می توانند به عنوان ماده اولیه برای تکثیر ژن و واگرایی بعدی عمل کنند. یکی دیگر از منابع تنوع پروتئین در بدن، استفاده از اینترون ها به عنوان "خطوط برش و چسب" در پیوند جایگزین است. در نهایت، توالی های غیر کد کننده پروتئین می توانند RNA های کمکی سلولی، مانند snRNA ها را رمزگذاری کنند. یک مطالعه رونویسی اخیر روی ژنوم انسان نشان داد که 10٪ از ژنوم باعث ایجاد RNA پلی آدنیله می شود و مطالعه روی ژنوم موش نشان داد که 62٪ از آن رونویسی می شود.

اطلاعات ژنتیکی رمزگذاری شده در DNA باید خوانده شود و در نهایت در سنتز پلیمرهای زیستی مختلف که سلول ها را می سازند بیان شود. توالی پایه یک رشته DNA مستقیماً توالی پایه RNA را که در فرآیندی به نام رونویسی به آن "بازنویسی" می شود، تعیین می کند. در مورد mRNA، این توالی اسیدهای آمینه پروتئین را تعریف می کند. رابطه بین توالی نوکلئوتیدی mRNA و توالی اسید آمینه توسط قوانین ترجمه تعیین می شود که به آنها کد ژنتیکی می گویند. کد ژنتیکی شامل سه حرف "کلمات" به نام کدون است که از سه نوکلئوتید (یعنی ACT CAG TTT و غیره) تشکیل شده است. در طول رونویسی، نوکلئوتیدهای ژن توسط RNA پلیمراز بر روی RNA سنتز شده کپی می شوند. این کپی، در مورد mRNA، توسط ریبوزوم رمزگشایی می شود، که با جفت شدن RNA پیام رسان با ناقلین متصل به اسیدهای آمینه، توالی mRNA را "خوانده" می کند. از آنجایی که 4 پایه در ترکیب های 3 حرفی استفاده می شود، در مجموع 64 کدون (ترکیب 4³) وجود دارد. کدون ها 20 اسید آمینه استاندارد را کد می کنند که هر کدام در بیشتر موارد با بیش از یک کدون مطابقت دارد. یکی از سه کدون که در انتهای mRNA قرار دارند به معنای اسید آمینه نیست و انتهای پروتئین را تعیین می کند، این کدون های "توقف" یا "بی معنی" هستند - TAA، TGA، TAG.

تقسیم سلولی برای تولید مثل یک ارگانیسم تک سلولی و رشد یک ارگانیسم چند سلولی ضروری است، اما قبل از تقسیم، یک سلول باید ژنوم را تکرار کند تا سلول های دختر حاوی اطلاعات ژنتیکی مشابه سلول اصلی باشند. از چندین مکانیسم احتمالی تئوری دو برابر شدن DNA (تکثیر)، یک مکانیسم نیمه محافظه کار تحقق یافته است. دو رشته از هم جدا می شوند و سپس هر توالی DNA مکمل گم شده توسط آنزیم DNA پلیمراز بازتولید می شود. این آنزیم با یافتن پایه صحیح از طریق جفت شدن بازهای مکمل و افزودن آن به زنجیره در حال رشد، یک زنجیره پلی نوکلئوتیدی می سازد. DNA پلیمراز نمی تواند یک زنجیره جدید را شروع کند، بلکه فقط یک زنجیره موجود را ایجاد می کند، بنابراین به یک زنجیره کوتاه از نوکلئوتیدها (پرایمر) نیاز دارد که توسط پریماز سنتز شود. از آنجایی که DNA پلیمرازها فقط می توانند در جهت 5" --> 3" زنجیره شوند، مکانیسم های مختلفی برای کپی کردن رشته های ضد موازی استفاده می شود.

تمام عملکردهای DNA به تعامل آن با پروتئین ها بستگی دارد. فعل و انفعالات می توانند غیر اختصاصی باشند، جایی که پروتئین به هر مولکول DNA متصل می شود، یا به حضور یک توالی خاص بستگی دارد. آنزیم ها همچنین می توانند با DNA تعامل داشته باشند، که مهمترین آنها RNA پلیمرازها هستند که توالی پایه DNA را در رونویسی یا در سنتز یک رشته DNA جدید - همانندسازی، کپی می کنند.

نمونه های به خوبی مطالعه شده از برهمکنش پروتئین ها و DNA، که به توالی نوکلئوتیدی DNA بستگی ندارد، برهمکنش با پروتئین های ساختاری است. در یک سلول، DNA به این پروتئین ها متصل می شود تا ساختار فشرده ای به نام کروماتین را تشکیل دهد. در پروکاریوت‌ها، کروماتین با اتصال پروتئین‌های قلیایی کوچک - هیستون‌ها به DNA، تشکیل می‌شود، کروماتین کم‌تر پروکاریوت‌ها حاوی پروتئین‌های هیستون‌مانند است. هیستون ها یک ساختار پروتئینی دیسکی شکل را تشکیل می دهند - نوکلئوزوم، که در اطراف هر یک از آنها دو پیچ از مارپیچ DNA قرار می گیرد. پیوندهای غیر اختصاصی بین هیستون ها و DNA به دلیل پیوندهای یونی اسیدهای آمینه قلیایی هیستون ها و باقی مانده های اسیدی ستون فقرات قند فسفات DNA ایجاد می شود. تغییرات شیمیایی این اسیدهای آمینه شامل متیلاسیون، فسفوریلاسیون و استیلاسیون می باشد. این تغییرات شیمیایی قدرت برهمکنش بین DNA و هیستون ها را تغییر می دهد و بر در دسترس بودن توالی های خاص به فاکتورهای رونویسی تأثیر می گذارد و سرعت رونویسی را تغییر می دهد. سایر پروتئین‌های کروماتین که به توالی‌های غیر اختصاصی متصل می‌شوند، پروتئین‌هایی با تحرک بالا در ژل‌هایی هستند که عمدتاً با DNA چین خورده مرتبط هستند. این پروتئین ها برای تشکیل ساختارهای درجه بالاتر در کروماتین مهم هستند. گروه خاصی از پروتئین هایی که به DNA متصل می شوند، آنهایی هستند که با DNA تک رشته ای مرتبط هستند. مشخص‌ترین پروتئین این گروه در انسان، پروتئین تکثیر A است که بدون آن اکثر فرآیندهای باز شدن مارپیچ مضاعف، از جمله همانندسازی، ترکیب مجدد و ترمیم، انجام نمی‌شوند. پروتئین های این گروه DNA تک رشته ای را تثبیت می کنند و از تشکیل حلقه ساقه یا تخریب توسط نوکلئازها جلوگیری می کنند.

در همان زمان، سایر پروتئین ها توالی های خاصی را تشخیص داده و به آن متصل می شوند. بیشترین گروه مورد مطالعه از این نوع پروتئین ها، طبقات مختلف فاکتورهای رونویسی هستند، یعنی پروتئین هایی که رونویسی را تنظیم می کنند. هر یک از این پروتئین ها توالی خود را اغلب در یک پروموتر تشخیص می دهند و رونویسی ژن را فعال یا سرکوب می کنند. این زمانی اتفاق می‌افتد که فاکتورهای رونویسی مستقیماً یا از طریق پروتئین‌های واسطه با RNA پلیمراز مرتبط باشند. پلیمراز ابتدا با پروتئین ها مرتبط می شود و سپس رونویسی را آغاز می کند. در موارد دیگر، فاکتورهای رونویسی می‌توانند به آنزیم‌هایی متصل شوند که هیستون‌های واقع در پروموترها را تغییر می‌دهند، که دسترسی DNA به پلیمرازها را تغییر می‌دهد.

از آنجایی که توالی های خاصی در مکان های زیادی در ژنوم رخ می دهند، تغییرات در فعالیت یک نوع فاکتور رونویسی می تواند فعالیت هزاران ژن را تغییر دهد. بر این اساس، این پروتئین ها اغلب در پاسخ به تغییرات محیطی، رشد ارگانیسم و ​​تمایز سلولی تنظیم می شوند. ویژگی تعامل فاکتورهای رونویسی با DNA توسط تماس های متعدد بین اسیدهای آمینه و بازهای DNA فراهم می شود که به آنها امکان "خواندن" توالی DNA را می دهد. بیشترین تماس با پایه ها در شیار اصلی اتفاق می افتد، جایی که پایه ها در دسترس تر هستند.

نمونه های به خوبی مطالعه شده از برهمکنش پروتئین ها و DNA، که به توالی نوکلئوتیدی DNA بستگی ندارد، برهمکنش با پروتئین های ساختاری است. در یک سلول، DNA به این پروتئین ها متصل می شود تا ساختار فشرده ای به نام کروماتین را تشکیل دهد. در پروکاریوت‌ها، کروماتین با اتصال پروتئین‌های قلیایی کوچک - هیستون‌ها به DNA، تشکیل می‌شود، کروماتین کم‌تر پروکاریوت‌ها حاوی پروتئین‌های هیستون‌مانند است. هیستون ها یک ساختار پروتئینی دیسکی شکل را تشکیل می دهند - نوکلئوزوم، که در اطراف هر یک از آنها دو پیچ از مارپیچ DNA قرار می گیرد. پیوندهای غیر اختصاصی بین هیستون ها و DNA به دلیل پیوندهای یونی اسیدهای آمینه قلیایی هیستون ها و باقی مانده های اسیدی ستون فقرات قند فسفات DNA ایجاد می شود. تغییرات شیمیایی این اسیدهای آمینه شامل متیلاسیون، فسفوریلاسیون و استیلاسیون می باشد. این تغییرات شیمیایی قدرت برهمکنش بین DNA و هیستون ها را تغییر می دهد و بر در دسترس بودن توالی های خاص به فاکتورهای رونویسی تأثیر می گذارد و سرعت رونویسی را تغییر می دهد. سایر پروتئین‌های کروماتین که به توالی‌های غیر اختصاصی متصل می‌شوند، پروتئین‌هایی با تحرک بالا در ژل‌هایی هستند که عمدتاً با DNA چین خورده مرتبط هستند. این پروتئین ها برای تشکیل ساختارهای درجه بالاتر در کروماتین مهم هستند. گروه خاصی از پروتئین هایی که به DNA متصل می شوند، آنهایی هستند که با DNA تک رشته ای مرتبط هستند. مشخص‌ترین پروتئین این گروه در انسان، پروتئین تکثیر A است که بدون آن اکثر فرآیندهای باز شدن مارپیچ مضاعف، از جمله همانندسازی، ترکیب مجدد و ترمیم، انجام نمی‌شوند. پروتئین های این گروه DNA تک رشته ای را تثبیت می کنند و از تشکیل حلقه ساقه یا تخریب توسط نوکلئازها جلوگیری می کنند.