Дезоксирибонуклеиновата киселина (ДНК) е това, което кодира за всички клетъчен генетична информация на Земята. Целият клетъчен живот от най-малките бактерии до най-големия кит в океана използва ДНК като техен генетичен материал.
Забележка: Някои вируси използват ДНК като свой генетичен материал. Някои вируси обаче използват РНК вместо това.
ДНК е вид нуклеинова киселина съставен от много субединици, наречени нуклеотиди. Всеки нуклеотид има три части: 5-въглеродна рибозна захар, фосфатна група и азотна основа. Две допълващи нишки на ДНК се обединяват благодарение на водородната връзка между азотни основи което позволява на ДНК да направи форма, подобна на стълба, която се усуква в известната двойна спирала.
Това е свързване между азотните основи, което позволява да се образува тази структура. В ДНК има четири опции за азотни основи: аденин (А), тимин (Т), цитозин (С) и гуанин (G). Всяка основа може да се свързва само една с друга, A с T и C с G. Това се нарича допълващо базово правило за сдвояване или Правилото на Chargaff.
Четирите азотни основи
В ДНК нуклеотид субединици, има четири азотни основи:
- Аденин (A)
- Тимин (T)
- Цитозин (С)
- Гуанин (G)
Всяка от тези бази може да бъде разделена на две категории: пуринови основи и основи на пиримидин.
Аденин и гуанин са примери за пуринови основи. Това означава, че тяхната структура е азотсъдържащ шест атомен пръстен, свързан с азотсъдържащ пет атомен пръстен, които споделят два атома, за да комбинират двата пръстена.
Тиминът и цитозинът са примери за основи на пиримидин. Тези основи са изградени от единичен азотсъдържащ шест атомен пръстен.
Забележка: РНК замества тимина с различна пиримидинова основа, наречена урацил (U).
Правилото на Chargaff
Правилото на Chargaff, известно още като допълващо правило за сдвояване на база, гласи, че двойките основи на ДНК винаги са аденин с тимин (A-T) и цитозин с гуанин (C-G). Пуринът винаги се сдвоява с пиримидин и обратно. Въпреки това, A не се сдвоява с C, въпреки че това е пурин и пиримидин.
Това правило е кръстено на учения Ервин Чаргаф, който откри, че по същество има равни концентрации на аденин и тимин, както и гуанин и цитозин в почти всички молекули на ДНК. Тези съотношения могат да варират между организмите, но действителните концентрации на А винаги са по същество равни на Т и еднакви с G и C. Например, при хората има приблизително:
- 30,9 процента аденин
- 29,4% Тимин
- 19,8 процента цитозин
- 19,9 процента Гуанин
Това подкрепя допълнителното правило, че A трябва да се сдвоява с T, а C да се сдвоява с G.
Обяснено правилото на Chargaff
Защо обаче е така?
Това е свързано и с водородно свързване който се присъединява към комплементарните ДНК вериги заедно с свободно пространство между двете направления.
Първо, има около 20 Å (ангстреми, където една ангстрема е равна на 10-10 метра) между две взаимно допълващи се нишки на ДНК. Два пурина и два пиримидина заедно просто биха заели твърде много място, за да могат да се поберат в пространството между двете нишки. Ето защо A не може да се свърже с G, а C не може да се свърже с T.
Но защо не можете да разменяте кои пуринови връзки с кой пиримидин? Отговорът е свързан с водородно свързване който свързва основите и стабилизира молекулата на ДНК.
Единствените двойки, които могат да създадат водородни връзки в това пространство, са аденин с тимин и цитозин с гуанин. А и Т образуват две водородни връзки, докато С и G образуват три. Тези водородни връзки свързват двете вериги и стабилизират молекулата, което й позволява да образува стълбичка двойна спирала.
Използване на допълнителни правила за сдвояване на основата
Познавайки това правило, можете да разберете допълваща нишка към единична верига на ДНК, базирана само на последователността на базовите двойки. Например, да предположим, че знаете последователността на една ДНК верига, която е както следва:
AAGCTGGTTTTGACGAC
Използвайки допълнителните правила за сдвояване на основата, можете да заключите, че допълнителната нишка е:
TTCGACCAAAACTGCTG
РНК веригите също се допълват, с изключение на това, че РНК използва урацил вместо тимин. Така че, можете също да заключите, че mRNA веригата ще бъде произведена от тази първа DNA верига. Би било:
UUCGACCAAAACUGCUG