DNA (กรดดีออกซีไรโบนิวคลีอิก) เป็นหนึ่งในองค์ประกอบที่สำคัญที่สุดของสิ่งมีชีวิต ผ่านมัน การเก็บรักษาและการส่งข้อมูลทางพันธุกรรมจากรุ่นสู่รุ่นจะดำเนินการโดยมีความเป็นไปได้ของความแปรปรวนภายในขอบเขตที่แน่นอน การสังเคราะห์โปรตีนทั้งหมดที่จำเป็นสำหรับระบบชีวิตจะเป็นไปไม่ได้หากไม่มีเมทริกซ์ดีเอ็นเอ ด้านล่าง เราจะพิจารณาโครงสร้าง การก่อตัว การทำงานพื้นฐาน และบทบาทของ DNA ในการสังเคราะห์โปรตีน
โครงสร้างของโมเลกุลดีเอ็นเอ
กรดดีออกซีไรโบนิวคลีอิกเป็นโมเลกุลขนาดใหญ่ที่ประกอบด้วยเส้นใยสองเส้น โครงสร้างมีหลายระดับ
โครงสร้างหลักของสาย DNA คือลำดับของนิวคลีโอไทด์ ซึ่งแต่ละส่วนประกอบด้วยเบสหนึ่งในสี่ของไนโตรเจน: อะดีนีน กัวนีน ไซโตซีน หรือไทมีน โซ่เกิดขึ้นเมื่อน้ำตาลดีออกซีไรโบสของนิวคลีโอไทด์หนึ่งมารวมเข้ากับฟอสเฟตที่เหลือของอีกตัวหนึ่ง กระบวนการนี้ดำเนินการโดยมีส่วนร่วมของตัวเร่งปฏิกิริยาโปรตีน - DNA ligase
- โครงสร้างรองของดีเอ็นเอเรียกว่าเกลียวคู่ ฐานมีความสามารถเชื่อมต่อซึ่งกันและกันดังนี้: อะดีนีนและไทมีนสร้างพันธะไฮโดรเจนคู่และกวานีนและไซโตซีนก่อตัวเป็นสามเท่า คุณลักษณะนี้รองรับหลักการเสริมฐานตามที่โซ่เชื่อมต่อกัน ในกรณีนี้ จะเกิดการบิดเป็นเกลียว (บ่อยกว่าทางขวา) ของโซ่คู่
- โครงสร้างตติยภูมิคือโครงสร้างที่ซับซ้อนของโมเลกุลขนาดใหญ่ที่เกิดขึ้นจากพันธะไฮโดรเจนเพิ่มเติม
- โครงสร้างควอเทอร์นารีเกิดขึ้นพร้อมกับโปรตีนจำเพาะและอาร์เอ็นเอ และเป็นวิธีบรรจุ DNA ในนิวเคลียสของเซลล์
ฟังก์ชันดีเอ็นเอ
มาดูบทบาทของ DNA ในระบบสิ่งมีชีวิตกัน ไบโอโพลีเมอร์นี้เป็นเมทริกซ์ที่มีบันทึกโครงสร้างของโปรตีนต่างๆ RNA ที่ร่างกายต้องการ รวมถึงไซต์ควบคุมประเภทต่างๆ โดยทั่วไป ส่วนประกอบทั้งหมดเหล่านี้ประกอบขึ้นเป็นโปรแกรมทางพันธุกรรมของร่างกาย
ผ่านการสังเคราะห์ดีเอ็นเอ โปรแกรมพันธุกรรมจะส่งต่อไปยังคนรุ่นต่อไป เพื่อให้แน่ใจว่าข้อมูลทางพันธุกรรมที่เป็นพื้นฐานของชีวิต ดีเอ็นเอสามารถกลายพันธุ์ได้เนื่องจากความแปรปรวนของสิ่งมีชีวิตในสายพันธุ์ทางชีววิทยาหนึ่งชนิดเกิดขึ้นและเป็นผลให้กระบวนการคัดเลือกโดยธรรมชาติและวิวัฒนาการของระบบสิ่งมีชีวิตเป็นไปได้
ระหว่างการสืบพันธุ์แบบอาศัยเพศ DNA ของสิ่งมีชีวิตที่สืบเชื้อสายมาจากการรวมข้อมูลทางพันธุกรรมของบิดาและมารดา เมื่อนำมารวมกัน จะมีความผันแปรต่างๆ ซึ่งทำให้เกิดความแปรปรวนด้วย
วิธีสร้างโปรแกรมพันธุกรรม
เนื่องจากโครงสร้างเสริม ทำให้การสืบพันธุ์ของโมเลกุลดีเอ็นเอในเมทริกซ์ด้วยตนเองเป็นไปได้ ในกรณีนี้ ข้อมูลที่อยู่ในนั้นจะถูกคัดลอก การทำซ้ำของโมเลกุลเพื่อสร้าง "เกลียวคู่" ลูกสาวสองคนเรียกว่าการจำลองดีเอ็นเอ นี่เป็นกระบวนการที่ซับซ้อนซึ่งเกี่ยวข้องกับองค์ประกอบหลายอย่าง แต่ด้วยการทำให้เข้าใจง่ายบางอย่าง มันสามารถแสดงเป็นไดอะแกรมได้
การจำลองแบบเกิดขึ้นจากความซับซ้อนของเอ็นไซม์พิเศษในบางพื้นที่ของ DNA ในเวลาเดียวกัน โซ่คู่คลายออก ก่อตัวเป็นส้อมจำลอง ซึ่งกระบวนการสังเคราะห์ดีเอ็นเอเกิดขึ้น - การสะสมของลำดับนิวคลีโอไทด์เสริมในแต่ละสาย
คุณลักษณะของคอมเพล็กซ์การจำลองแบบ
การจำลองแบบยังดำเนินต่อไปด้วยการมีส่วนร่วมของเอนไซม์ที่ซับซ้อน - รีพลิโซม ซึ่ง DNA โพลีเมอเรสมีบทบาทหลัก
หนึ่งในสายโซ่ในการสังเคราะห์ดีเอ็นเอคือผู้นำและก่อตัวขึ้นอย่างต่อเนื่อง การก่อตัวของเกลียวที่ปกคลุมด้วยวัตถุฉนวนเกิดขึ้นจากการติดลำดับสั้น ๆ - ชิ้นส่วนของโอกาซากิ ชิ้นส่วนเหล่านี้ถูกมัดโดยใช้ DNA ligase กระบวนการดังกล่าวเรียกว่ากึ่งต่อเนื่อง นอกจากนี้ยังมีลักษณะกึ่งอนุรักษ์นิยมเนื่องจากในแต่ละโมเลกุลที่สร้างขึ้นใหม่โซ่หนึ่งอันคือแม่และลูกที่สองคือลูกสาว
การจำลองดีเอ็นเอเป็นหนึ่งในขั้นตอนสำคัญในการแบ่งเซลล์ กระบวนการนี้รองรับการถ่ายโอนข้อมูลทางพันธุกรรมไปยังคนรุ่นใหม่ เช่นเดียวกับการเติบโตของสิ่งมีชีวิต
โปรตีนคืออะไร
โปรตีนคือองค์ประกอบการทำงานที่สำคัญที่สุดในเซลล์ของสิ่งมีชีวิตทั้งหมด พวกเขาทำหน้าที่ตัวเร่งปฏิกิริยา โครงสร้าง กฎข้อบังคับ การส่งสัญญาณ การป้องกัน และฟังก์ชันอื่นๆ อีกมากมาย
โปรตีนโมเลกุลเป็นไบโอโพลีเมอร์ที่เกิดขึ้นจากลำดับของกรดอะมิโนตกค้าง เช่นเดียวกับโมเลกุลของกรดนิวคลีอิก มีลักษณะเฉพาะด้วยการมีอยู่ของการจัดระเบียบโครงสร้างหลายระดับ ตั้งแต่ปฐมภูมิไปจนถึงควอเทอร์นารี
มีกรดอะมิโนที่แตกต่างกัน 20 ชนิด (canonical) ที่ใช้โดยระบบสิ่งมีชีวิตเพื่อสร้างโปรตีนหลากหลายชนิด ตามกฎแล้วโปรตีนจะไม่ถูกสังเคราะห์ด้วยตัวเอง บทบาทนำในการก่อตัวของโมเลกุลโปรตีนที่ซับซ้อนเป็นของกรดนิวคลีอิก - DNA และ RNA
สาระสำคัญของรหัสพันธุกรรม
ดังนั้น DNA เป็นเมทริกซ์ข้อมูลที่เก็บข้อมูลเกี่ยวกับโปรตีนที่จำเป็นต่อร่างกายในการเติบโตและมีชีวิตอยู่ โปรตีนถูกสร้างขึ้นจากกรดอะมิโน DNA (และ RNA) จากนิวคลีโอไทด์ ลำดับนิวคลีโอไทด์บางลำดับของโมเลกุลดีเอ็นเอสอดคล้องกับลำดับกรดอะมิโนบางอย่างของโปรตีนบางชนิด
มีหน่วยโครงสร้างโปรตีน 20 ชนิด - กรดอะมิโนตามรูปแบบบัญญัติ - ในเซลล์ และนิวคลีโอไทด์ 4 ชนิดใน DNA ดังนั้นกรดอะมิโนแต่ละชนิดจึงถูกเขียนบนเมทริกซ์ของ DNA โดยเป็นการรวมตัวของนิวคลีโอไทด์สามตัว - ทริปเพล็ต ส่วนประกอบหลักคือเบสไนโตรเจน หลักการติดต่อกันนี้เรียกว่ารหัสพันธุกรรม และแฝดสามตัวหลักเรียกว่าโคดอน ยีนคือลำดับของ codon ที่มีบันทึกของโปรตีนและการรวมกันของเบส - codon เริ่มต้น, codon หยุดและอื่น ๆ
คุณสมบัติบางอย่างของรหัสพันธุกรรม
รหัสพันธุกรรมเกือบจะเป็นสากล - มีข้อยกเว้นน้อยมาก ซึ่งเหมือนกันในสิ่งมีชีวิตทั้งหมด ตั้งแต่แบคทีเรียไปจนถึงมนุษย์ สิ่งนี้เป็นพยานในประการแรกถึงความสัมพันธ์ของรูปแบบชีวิตทั้งหมดบนโลก และประการที่สอง กับความเก่าแก่ของรหัสเอง อาจเป็นไปได้ว่าในช่วงแรกของการดำรงอยู่ของชีวิตดึกดำบรรพ์ โค้ดเวอร์ชันต่างๆ ก่อตัวขึ้นอย่างรวดเร็ว แต่มีเพียงโค้ดเดียวเท่านั้นที่ได้รับข้อได้เปรียบเชิงวิวัฒนาการ
นอกจากนี้ยังมีความเฉพาะเจาะจง (ชัดเจน): กรดอะมิโนที่ต่างกันไม่ได้เข้ารหัสด้วยแฝดสามตัวเดียวกัน นอกจากนี้ รหัสพันธุกรรมยังมีลักษณะความเสื่อมหรือความซ้ำซ้อน โดยโคดอนหลายตัวสามารถสัมพันธ์กับกรดอะมิโนชนิดเดียวกันได้
บันทึกทางพันธุกรรมถูกอ่านอย่างต่อเนื่อง ฟังก์ชันของเครื่องหมายวรรคตอนยังดำเนินการโดยสามฐาน ตามกฎแล้วไม่มีบันทึกที่ทับซ้อนกันใน "ข้อความ" ทางพันธุกรรม แต่ที่นี่ก็มีข้อยกเว้นเช่นกัน
หน่วยหน้าที่ของ DNA
จำนวนทั้งสิ้นของสารพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตเรียกว่าจีโนม ดังนั้น DNA จึงเป็นพาหะของจีโนม องค์ประกอบของจีโนมไม่เพียงแต่รวมถึงยีนโครงสร้างที่เข้ารหัสโปรตีนบางชนิดเท่านั้น ส่วนสำคัญของ DNA ประกอบด้วยบริเวณที่มีจุดประสงค์ในการใช้งานต่างกัน
ดังนั้น DNA ประกอบด้วย:
- ข้อบังคับลำดับการเข้ารหัส RNA จำเพาะ เช่น สวิตช์ยีนและตัวควบคุมการแสดงออกของยีนโครงสร้าง
- องค์ประกอบที่ควบคุมกระบวนการถอดรหัส - ระยะเริ่มต้นของการสังเคราะห์โปรตีน
- pseudogenes เป็น "ยีนฟอสซิล" ชนิดหนึ่งที่สูญเสียความสามารถในการเข้ารหัสโปรตีนหรือถูกคัดลอกเนื่องจากการกลายพันธุ์
- องค์ประกอบทางพันธุกรรมเคลื่อนที่ - บริเวณที่สามารถเคลื่อนที่ภายในจีโนมได้ เช่น ทรานสโปซอน ("ยีนกระโดด");
- เทโลเมียร์เป็นบริเวณพิเศษที่ส่วนปลายของโครโมโซม ต้องขอบคุณ DNA ในโครโมโซมที่ป้องกันไม่ให้สั้นลงในแต่ละเหตุการณ์การทำซ้ำ
การมีส่วนร่วมของ DNA ในการสังเคราะห์โปรตีน
DNA สามารถสร้างโครงสร้างที่มั่นคง องค์ประกอบหลักคือสารประกอบเสริมของเบสไนโตรเจน สายคู่ของ DNA ให้ ประการแรก การสืบพันธุ์ที่สมบูรณ์ของโมเลกุล และประการที่สอง การอ่านส่วนต่าง ๆ ของ DNA ในระหว่างการสังเคราะห์โปรตีน กระบวนการนี้เรียกว่าการถอดเสียงเป็นคำ
ในระหว่างการถอดความ ส่วนของ DNA ที่มียีนบางตัวจะไม่ถูกบิด และบนสายโซ่หนึ่ง - แม่แบบที่หนึ่ง - โมเลกุล RNA ถูกสังเคราะห์เป็นสำเนาของสายโซ่ที่สอง เรียกว่ารหัสเข้ารหัส การสังเคราะห์นี้ยังขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของเบสเพื่อสร้างคู่ประกอบ พื้นที่ให้บริการของ DNA และเอนไซม์ RNA polymerase ที่ไม่มีการเข้ารหัสมีส่วนร่วมในการสังเคราะห์ RNA ทำหน้าที่เป็นแม่แบบสำหรับการสังเคราะห์โปรตีนแล้ว และ DNA ไม่ได้มีส่วนร่วมในกระบวนการต่อไป
การถอดเสียงแบบย้อนกลับ
เชื่อมาช้านานว่าเมทริกซ์การคัดลอกข้อมูลทางพันธุกรรมสามารถทำได้ในทิศทางเดียวเท่านั้น: DNA → RNA → โปรตีน โครงการนี้เรียกว่าหลักความเชื่อหลักของอณูชีววิทยา อย่างไรก็ตาม ในระหว่างการวิจัย พบว่าในบางกรณี เป็นไปได้ที่จะคัดลอกจาก RNA ไปยัง DNA ซึ่งเรียกว่าการถอดรหัสแบบย้อนกลับ
ความสามารถในการถ่ายโอนสารพันธุกรรมจาก RNA ไปยัง DNA เป็นลักษณะของไวรัสย้อนยุค ตัวแทนทั่วไปของไวรัสที่มีอาร์เอ็นเอดังกล่าวคือไวรัสโรคภูมิคุ้มกันบกพร่องของมนุษย์ การรวมจีโนมของไวรัสเข้ากับ DNA ของเซลล์ที่ติดเชื้อเกิดขึ้นจากการมีส่วนร่วมของเอนไซม์พิเศษ - reverse transcriptase (revertase) ซึ่งทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาสำหรับการสังเคราะห์ DNA บนเทมเพลต RNA Reversese ยังเป็นส่วนหนึ่งของอนุภาคไวรัส โมเลกุลที่สร้างขึ้นใหม่นี้ถูกรวมเข้ากับ DNA ของเซลล์ ซึ่งทำหน้าที่สร้างอนุภาคไวรัสใหม่
DNA ของมนุษย์คืออะไร
DNA ของมนุษย์ที่บรรจุอยู่ในนิวเคลียสของเซลล์ ถูกบรรจุอยู่ในโครโมโซม 23 คู่ และมีนิวคลีโอไทด์ที่จับคู่กันประมาณ 3.1 พันล้านคู่ นอกจาก DNA ของนิวเคลียสแล้ว เซลล์ของมนุษย์ก็เหมือนกับสิ่งมีชีวิตที่มียูคาริโอตอื่นๆ ที่ประกอบด้วย DNA ของไมโตคอนเดรีย ซึ่งเป็นปัจจัยในการถ่ายทอดทางพันธุกรรมของออร์แกเนลล์ของเซลล์ไมโตคอนเดรีย
การเข้ารหัสยีนของ DNA นิวเคลียร์ (มีตั้งแต่ 20 ถึง 25,000 ตัว) ประกอบขึ้นเพียงส่วนเล็ก ๆ ของจีโนมมนุษย์ - ประมาณ 1.5% ก่อนหน้านี้ DNA ที่เหลือถูกเรียกว่า "ขยะ" แต่การศึกษาจำนวนมากเผยให้เห็นถึงบทบาทสำคัญของบริเวณที่ไม่มีการเข้ารหัสของจีโนม ซึ่งได้กล่าวถึงข้างต้น สิ่งสำคัญอย่างยิ่งคือต้องศึกษากระบวนการต่างๆการถอดรหัสย้อนกลับใน DNA ของมนุษย์
วิทยาศาสตร์ได้ก่อให้เกิดความเข้าใจที่ค่อนข้างชัดเจนว่า DNA ของมนุษย์มีโครงสร้างและการทำงานอย่างไร แต่งานต่อไปของนักวิทยาศาสตร์ในพื้นที่นี้จะนำมาซึ่งการค้นพบใหม่ๆ และเทคโนโลยีชีวการแพทย์ใหม่ๆ
