กรดดีออกซีไรโบนิวคลีอิก - ดีเอ็นเอ - ทำหน้าที่เป็นสื่อกลางในการถ่ายทอดข้อมูลทางพันธุกรรมที่ถ่ายทอดโดยสิ่งมีชีวิตสู่คนรุ่นต่อไป และเป็นเมทริกซ์สำหรับการสร้างโปรตีนและปัจจัยควบคุมต่างๆ ที่ร่างกายต้องการในกระบวนการของการเจริญเติบโตและชีวิต ในบทความนี้ เราจะเน้นที่รูปแบบทั่วไปของโครงสร้างดีเอ็นเอ เราจะให้ความสนใจด้วยว่ารูปแบบเหล่านี้ถูกสร้างขึ้นอย่างไรและ DNA อยู่ในรูปแบบใดภายในเซลล์ที่มีชีวิต
ระดับการจัดระเบียบของโมเลกุลดีเอ็นเอ
มีสี่ระดับที่กำหนดโครงสร้างและสัณฐานวิทยาของโมเลกุลยักษ์นี้:
- ระดับปฐมภูมิหรือโครงสร้างคือลำดับของนิวคลีโอไทด์ในสายโซ่
- โครงสร้างรองคือ "เกลียวคู่" ที่มีชื่อเสียง มันเป็นวลีที่สงบลงแม้ว่าในความเป็นจริงโครงสร้างดังกล่าวจะคล้ายกับสกรู
- โครงสร้างระดับตติยภูมิเกิดจากการที่พันธะไฮโดรเจนที่อ่อนแอเกิดขึ้นระหว่างแต่ละส่วนของ DNA บิดเกลียวคู่ทำให้โมเลกุลมีโครงสร้างเชิงพื้นที่ที่ซับซ้อน
- โครงสร้างควอเทอร์นารีนั้นซับซ้อนอยู่แล้วของดีเอ็นเอที่มีโปรตีนและอาร์เอ็นเอบางส่วน ในการกำหนดค่านี้ ดีเอ็นเอถูกบรรจุลงในโครโมโซมในนิวเคลียสของเซลล์
โครงสร้างหลัก: ส่วนประกอบของ DNA
บล็อกที่สร้างโมเลกุลขนาดใหญ่ของกรดดีออกซีไรโบนิวคลีอิกคือนิวคลีโอไทด์ซึ่งเป็นสารประกอบ ซึ่งแต่ละอันประกอบด้วย:
- ฐานไนโตรเจน - อะดีนีน กัวนีน ไทมีน หรือไซโตซีน Adenine และ guanine อยู่ในกลุ่มของ purine base, cytosine และ thymine เป็น pyrimidine;
- ห้าคาร์บอนมอโนแซ็กคาไรด์ดีออกซีไรโบส;
- กรดออร์โธฟอสฟอริกตกค้าง
ในการก่อตัวของสายโซ่พอลินิวคลีโอไทด์ บทบาทสำคัญคือลำดับของกลุ่มที่เกิดจากอะตอมของคาร์บอนในโมเลกุลน้ำตาลทรงกลม ฟอสเฟตตกค้างในนิวคลีโอไทด์เชื่อมต่อกับหมู่ 5' (อ่านว่า "ห้าไพรม์") ของดีออกซีไรโบส นั่นคือ กับอะตอมของคาร์บอนที่ห้า การต่อสายโซ่เกิดขึ้นจากการติดฟอสเฟตเรซิดิวของนิวคลีโอไทด์ถัดไปเข้ากับกลุ่มดีออกซีไรโบสขนาด 3 ฟุต
ดังนั้น โครงสร้างหลักของ DNA ในรูปแบบของสายโซ่โพลีนิวคลีโอไทด์จะมีปลาย 3'- และ 5' คุณสมบัติของโมเลกุลดีเอ็นเอนี้เรียกว่าขั้ว: การสังเคราะห์สายโซ่สามารถไปในทิศทางเดียวเท่านั้น
รูปแบบโครงสร้างรอง
ขั้นตอนต่อไปในการจัดระเบียบโครงสร้างของ DNA ขึ้นอยู่กับหลักการเสริมของเบสไนโตรเจน - ความสามารถในการเชื่อมต่อเป็นคู่ซึ่งกันและกันผ่านพันธะไฮโดรเจน การเติมเต็ม - การโต้ตอบซึ่งกันและกัน - เกิดขึ้นเนื่องจาก adenine และ thymine สร้างพันธะคู่ และ guanine และ cytosine สร้างพันธะสามตัว ดังนั้น เมื่อสร้างห่วงโซ่คู่ ฐานเหล่านี้จะยืนตรงข้ามกัน สร้างคู่ที่สอดคล้องกัน
ลำดับโพลีนิวคลีโอไทด์อยู่ในโครงสร้างรองที่ต้านขนานกัน ดังนั้น หากห่วงโซ่ใดมีลักษณะเป็น 3' - AGGZATAA - 5' แล้วสิ่งตรงกันข้ามจะมีลักษณะดังนี้: 3' - TTATGTST - 5'.
เมื่อโมเลกุล DNA ก่อตัวขึ้น สายโซ่โพลีนิวคลีโอไทด์ที่เป็นสองเท่าจะบิดเบี้ยว และความเข้มข้นของเกลือ ความอิ่มตัวของน้ำ และโครงสร้างของโมเลกุลขนาดใหญ่นั้นเองกำหนดว่า DNA สามารถอยู่ในรูปแบบใดในขั้นตอนโครงสร้างที่กำหนด รู้จักรูปแบบดังกล่าวหลายรูปแบบ โดยเขียนแทนด้วยตัวอักษรละติน A, B, C, D, E, Z
การกำหนดค่า C, D และ E ไม่พบในสัตว์ป่าและพบได้เฉพาะในห้องปฏิบัติการเท่านั้น เราจะดูรูปแบบหลักของ DNA: ที่เรียกว่า Canonical A และ B รวมถึงการกำหนดค่า Z
A-DNA เป็นโมเลกุลแห้ง
รูป A คือสกรูมือขวาที่มีคู่เบสเสริม 11 คู่ในแต่ละเทิร์น เส้นผ่านศูนย์กลางของมันคือ 2.3 นาโนเมตรและความยาวของเกลียวหนึ่งรอบคือ 2.5 นาโนเมตร ระนาบที่เกิดจากฐานที่จับคู่มีความชัน 20° เทียบกับแกนของโมเลกุล นิวคลีโอไทด์ที่อยู่ใกล้เคียงถูกจัดเรียงอย่างแน่นหนาในโซ่ - มีเพียง 0.23 นาโนเมตรระหว่างพวกมัน
DNA รูปแบบนี้จะเกิดขึ้นเมื่อมีน้ำน้อยและมีความเข้มข้นของไอออนิกของโซเดียมและโพแทสเซียม เป็นเรื่องปกติสำหรับกระบวนการที่ DNA ก่อตัวเป็นคอมเพล็กซ์ด้วย RNA เนื่องจาก DNA ไม่สามารถสร้างรูปแบบอื่นได้ นอกจากนี้ รูปแบบ A ยังมีความทนทานต่อรังสีอัลตราไวโอเลตสูง ในการกำหนดค่านี้ จะพบกรดดีออกซีไรโบนิวคลีอิกในสปอร์ของเชื้อรา
เปียก B-DNA
ด้วยปริมาณเกลือต่ำและระดับความชุ่มชื้นสูง ซึ่งก็คือภายใต้สภาวะทางสรีรวิทยาปกติ DNA จะถือว่ารูปแบบหลักของมันคือ B ตามกฎแล้วจะมีโมเลกุลตามธรรมชาติอยู่ในรูปแบบ B เธอคือผู้ที่สนับสนุนโมเดล Watson-Crick คลาสสิกและมักถูกวาดเป็นภาพประกอบ
รูปแบบนี้ (สำหรับคนถนัดขวาด้วย) มีการจัดวางนิวคลีโอไทด์ที่กะทัดรัดน้อยกว่า (0.33 นาโนเมตร) และระยะพิทช์สกรูขนาดใหญ่ (3.3 นาโนเมตร) หนึ่งเทิร์นมี 10.5 คู่เบส การหมุนของแต่ละคู่สัมพันธ์กับรอบก่อนหน้าประมาณ 36 ° ระนาบของคู่แฝดเกือบจะตั้งฉากกับแกนของ "เกลียวคู่" เส้นผ่านศูนย์กลางของโซ่คู่นั้นเล็กกว่าของรูป A โดยมีความยาวเพียง 2 นาโนเมตร
Z-DNA ที่ไม่ใช่ Canonical
ไม่เหมือน Canonical DNA โมเลกุลประเภท Z คือสกรูที่ถนัดซ้าย ตัวเครื่องบางที่สุดด้วยเส้นผ่านศูนย์กลางเพียง 1.8 นาโนเมตร ขดลวดของมันยาว 4.5 นาโนเมตร ดูเหมือนจะยืดออก รูปแบบของ DNA นี้ประกอบด้วยเบส 12 คู่ต่อเทิร์น ระยะห่างระหว่างนิวคลีโอไทด์ที่อยู่ติดกันก็ค่อนข้างใหญ่ - 0.38 นาโนเมตร ดังนั้นรูปตัว Z จึงบิดเบี้ยวน้อยที่สุด
มันถูกสร้างขึ้นจากการกำหนดค่าประเภท B ในบริเวณที่มีพิวรีนและเบสไพริมิดีนโดยมีการเปลี่ยนแปลงเนื้อหาของไอออนในสารละลาย การก่อตัวของ Z-DNA นั้นสัมพันธ์กับกิจกรรมทางชีวภาพและเป็นกระบวนการที่ใช้เวลาสั้นมาก แบบฟอร์มนี้ไม่เสถียรซึ่งสร้างปัญหาในการศึกษาหน้าที่ของมัน จนถึงตอนนี้ก็ยังไม่ชัดเจน
การจำลองดีเอ็นเอและโครงสร้าง
ทั้งโครงสร้างปฐมภูมิและทุติยภูมิของ DNA เกิดขึ้นระหว่างปรากฏการณ์ที่เรียกว่าการจำลองแบบ - การก่อตัวของ "เกลียวคู่" ที่เหมือนกันสองอันจากโมเลกุลหลัก ในระหว่างการจำลองแบบ โมเลกุลดั้งเดิมจะคลายตัว และเบสเสริมจะก่อตัวขึ้นบนสายโซ่เดี่ยวที่ปล่อยออกมา เนื่องจากแบ่งเท่า ๆ กันของ DNA นั้นไม่ขนานกัน กระบวนการนี้จึงดำเนินต่อไปในทิศทางที่ต่างกัน: ในความสัมพันธ์กับสายโซ่หลักจากปลาย 3'-ถึงปลาย 5' นั่นคือ ห่วงโซ่ใหม่เติบโตในทิศทาง 5' → 3' สาระชั้นนำถูกสังเคราะห์อย่างต่อเนื่องไปยังทางแยกการจำลอง บนเส้นที่ล้าหลัง การสังเคราะห์จะดำเนินการจากส้อมในส่วนที่แยกจากกัน (ชิ้นส่วนของโอกาซากิ) ซึ่งจะถูกเย็บเข้าด้วยกันด้วยเอ็นไซม์พิเศษ DNA ligase
ในขณะที่การสังเคราะห์ยังดำเนินต่อไป ปลายที่ก่อตัวขึ้นแล้วของโมเลกุลลูกสาวได้รับการบิดเป็นเกลียว จากนั้น ก่อนที่การจำลองแบบจะเสร็จสมบูรณ์ โมเลกุลของทารกแรกเกิดจะเริ่มสร้างโครงสร้างตติยภูมิในกระบวนการที่เรียกว่า supercoiling
ซุปเปอร์บิดเบี้ยว
DNA รูปแบบ supercoiled เกิดขึ้นเมื่อโมเลกุลที่มีเกลียวคู่ทำให้เกิดการบิดพิเศษ อาจเป็นตามเข็มนาฬิกา (บวก) หรือต่อต้าน (ในกรณีนี้พูดถึง supercoiling เชิงลบ) ดีเอ็นเอของสิ่งมีชีวิตส่วนใหญ่มีขดลวดยวดยิ่งในเชิงลบ กล่าวคือ ต้านการเลี้ยวหลักของ "เกลียวคู่"
จากการก่อตัวของลูปเพิ่มเติม - supercoils - DNA ได้รับการกำหนดค่าเชิงพื้นที่ที่ซับซ้อน ในเซลล์ยูคาริโอต กระบวนการนี้เกิดขึ้นกับการก่อตัวของสารเชิงซ้อนซึ่ง DNA ขดรอบสารเชิงซ้อนของโปรตีนฮิสโตนในทางลบ และใช้รูปของเส้นด้ายที่มีเม็ดบีดนิวคลีโอโซม ส่วนอิสระของเธรดเรียกว่าตัวเชื่อมโยง โปรตีนที่ไม่ใช่ฮิสโตนและสารประกอบอนินทรีย์ยังมีส่วนร่วมในการรักษารูปร่างซุปเปอร์คอยล์ของโมเลกุลดีเอ็นเอ นี่คือวิธีสร้างโครมาติน - สารของโครโมโซม
สายโครมาตินที่มีเม็ดบีดนิวคลีโอโซมสามารถทำให้ลักษณะทางสัณฐานวิทยาซับซ้อนยิ่งขึ้นในกระบวนการที่เรียกว่าการรวมตัวของโครมาติน
การบดอัดดีเอ็นเอขั้นสุดท้าย
ในนิวเคลียส รูปร่างของโมเลกุลขนาดใหญ่ของกรดดีออกซีไรโบนิวคลีอิกจะซับซ้อนอย่างยิ่ง โดยจะบีบอัดเป็นหลายขั้นตอน
- ขั้นแรก ไส้หลอดจะถูกม้วนเป็นโครงสร้างแบบโซลินอยด์พิเศษ - ไฟบริลโครมาตินหนา 30 นาโนเมตร ในระดับนี้ DNA จะพับและลดความยาวลง 6-10 เท่า
- นอกจากนี้ ไฟบริลยังสร้างซิกแซกลูปด้วยความช่วยเหลือของโปรตีนนั่งร้านที่จำเพาะ ซึ่งลดขนาดเชิงเส้นของ DNA แล้ว 20-30 เท่า
- โดเมนลูปที่อัดแน่นจะถูกสร้างขึ้นในระดับถัดไป โดยส่วนใหญ่มักจะมีรูปร่างที่เรียกว่า “แปรงหลอดไฟ” ตามอัตภาพ พวกมันเกาะติดกับโปรตีนภายในนิวเคลียร์เมทริกซ์ ความหนาของโครงสร้างดังกล่าวมีอยู่แล้ว 700 นาโนเมตร ในขณะที่ดีเอ็นเอสั้นลงประมาณ 200 เท่า
- การจัดลำดับขั้นสุดท้ายคือโครโมโซม โดเมนลูปถูกบีบอัดจนทำให้สั้นลงได้ทั้งหมด 10,000 ครั้ง หากความยาวโมเลกุลที่ยืดออกประมาณ 5 ซม. แล้วหลังจากบรรจุเป็นโครโมโซมแล้ว โมเลกุลจะลดลงเหลือ 5 ไมครอน
ระดับสูงสุดของความซับซ้อนของรูปแบบ DNA ไปถึงสถานะของเมตาเฟสของไมโทซิส จากนั้นจึงได้รูปลักษณ์ที่มีลักษณะเฉพาะ - โครมาทิดสองตัวที่เชื่อมต่อกันด้วยเซนโทรเมียร์หดตัวซึ่งทำให้แน่ใจถึงความแตกต่างของโครมาทิดในกระบวนการแบ่ง อินเตอร์เฟส DNA ถูกจัดระเบียบจนถึงระดับโดเมนและกระจายในนิวเคลียสของเซลล์ในลำดับที่ไม่เฉพาะเจาะจง ดังนั้น เราจึงเห็นว่าสัณฐานวิทยาของ DNA มีความเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับระยะต่างๆ ของการดำรงอยู่ และสะท้อนถึงคุณลักษณะของการทำงานของโมเลกุลที่สำคัญที่สุดสำหรับชีวิต
