DNK ning tuzilishi va vazifasi nimadan iborat. DNKning biologik roli qanday? Tuzilishi va funktsiyalari. Molekulaning "qadoqlanishi" nima

Deyarli har bir kishi tirik hujayralardagi DNK molekulalari mavjudligi haqida eshitgan va bu molekula irsiy ma'lumotni uzatish uchun mas'ul ekanligini biladi. Turli xil filmlarning ulkan to'plami, u yoki bu darajada, o'z syujetlarini kichik, ammo mag'rur, juda muhim molekula xususiyatlariga asoslaydi.

Biroq, kam sonli odamlar DNK molekulasining aniq qismi nima ekanligini va "butun organizmning tuzilishi" haqidagi barcha ma'lumotlarni o'qish jarayonlari qanday ishlashini hech bo'lmaganda taxminan tushuntira oladi. Faqat bir nechtasi "deoksiribonuklein kislotasi" ni ikkilanmasdan o'qiy oladi.

Keling, u nimadan iboratligini va har birimiz uchun eng muhim molekula nimaga o'xshashligini aniqlashga harakat qilaylik.

Strukturaviy bo'g'inning tuzilishi - nukleotid

DNK molekulasining tarkibi ko'plab strukturaviy birliklarni o'z ichiga oladi, chunki u biopolimerdir. Polimer - ketma-ket bog'langan ko'plab takrorlanuvchi kichik qismlardan tashkil topgan makromolekula. Xuddi zanjir zvenolardan tashkil topgani kabi.

DNK makromolekulasining strukturaviy birligi nukleotiddir. DNK molekulasi nukleotidlarining tarkibi uchta moddaning qoldiqlarini o'z ichiga oladi - fosforik kislota, saxarid (dezoksiriboza) va to'rtta azot o'z ichiga olgan asoslardan biri.

DNK molekulasi tarkibiga azotli asoslar kiradi: adenin (A), guanin (G), sitozin (C) va timin (T).

Nukleotid zanjirining tarkibi unga kiritilgan asoslarning almashinishi bilan namoyon bo'ladi: -AAGCGTTAGCACGT- va boshqalar. Ketma-ketlik har qanday bo'lishi mumkin. Bu DNKning bitta zanjirini hosil qiladi.

Spiral molekula. To'ldiruvchilik hodisasi

Inson DNK molekulasining o'lchami juda katta (boshqa molekulalar miqyosida, albatta)! Bitta hujayraning genomi (46 xromosoma) taxminan 3,1 milliard tayanch juftlikni o'z ichiga oladi. Bunday ko'p sonli bo'g'inlardan tashkil topgan DNK zanjirining uzunligi taxminan ikki metrni tashkil qiladi. Bunday katta hajmli molekulani mitti hujayra ichiga qanday joylashtirish mumkinligini tasavvur qilish qiyin.

Ammo tabiat yanada ixcham paketga va uning genomini himoya qilishga g'amxo'rlik qildi - ikkita zanjir azotli asoslar bilan o'zaro bog'langan va taniqli qo'sh spiralni hosil qiladi. Shunday qilib, molekulaning uzunligini deyarli olti marta qisqartirish mumkin.

Azotli asoslarning o'zaro ta'sir qilish tartibi to'ldiruvchilik hodisasi bilan qat'iy belgilanadi. Adenin faqat timin bilan, sitozin esa faqat guanin bilan bog'lanishi mumkin. Ushbu qo'shimcha juftliklar bir-biriga kalit va qulf kabi, jumboq qismlari kabi mos keladi.

Keling, kompyuterda (yaxshi yoki flesh-diskda) ushbu kichik (bizning dunyo miqyosida) molekula haqidagi barcha ma'lumotlar qancha xotirani egallashi kerakligini hisoblaylik. Asosiy juftlar soni 3,1x10 9 ni tashkil qiladi. Hammasi bo'lib 4 ta qiymat mavjud, ya'ni bitta juftlik uchun 2 bit ma'lumot etarli (2 2 qiymat). Bularning barchasini bir-birimizga ko'paytiramiz va biz 6200000000 bit yoki 775000000 bayt yoki 775000 kilobayt yoki 775 megabayt olamiz. Bu taxminan CD diskining sig'imi yoki o'rtacha sifatdagi 40 daqiqalik film seriyasining hajmiga to'g'ri keladi.

Xromosoma shakllanishi. Inson genomini aniqlash

Spiralizatsiyadan tashqari, molekula qayta-qayta siqilishga duchor bo'ladi. Qo'sh spiral ipning shari kabi burila boshlaydi - bu jarayon supero'rash deb ataladi va maxsus giston oqsilining yordami bilan sodir bo'ladi, bunda zanjir lasan kabi o'raladi.

Bu jarayon molekula uzunligini yana 25-30 marta qisqartiradi. Yana bir necha darajali qadoqlashlarga duchor bo'lib, tobora siqilib, bitta DNK molekulasi yordamchi oqsillar bilan birgalikda xromosoma hosil qiladi.

Bizning tanamiz faoliyatining shakli, turi va xususiyatlariga taalluqli barcha ma'lumotlar genlar to'plami bilan belgilanadi. Gen - bu DNK molekulasining qat'iy belgilangan bo'limi. U o'zgarmagan nukleotidlar ketma-ketligidan iborat. Bundan tashqari, gen nafaqat uning tarkibi, balki zanjirning boshqa qismlariga nisbatan pozitsiyasi bilan ham qat'iy belgilanadi.

Ribonuklein kislota va uning oqsil sintezidagi roli

DNKdan tashqari nuklein kislotalarning boshqa turlari - xabarchi, transport va ribosoma RNK (ribonuklein kislotasi) mavjud. RNK zanjirlari ancha kichikroq va qisqaroqdir, bu esa ularni yadro membranasiga kirishga qodir.

RNK molekulasi ham biopolimerdir. Uning strukturaviy bo'laklari DNKning bir qismi bo'lganlarga o'xshaydi, kichik bir saxarid bundan mustasno (dezoksiriboza o'rniga riboza). Azotli asoslarning to'rt turi mavjud: bizga tanish A, G, C va timin o'rniga urasil (U). Yuqoridagi rasmda bularning barchasi aniq ko'rsatilgan.

DNK makromolekulasi ma'lumotni RNKga burilmagan shaklda uzatishga qodir. Spiralning ochilishi qo'sh spiralni alohida zanjirlarga ajratadigan maxsus ferment yordamida sodir bo'ladi - xuddi fermuar qulfining yarmi kabi.

Shu bilan birga, DNK zanjiriga parallel ravishda komplementar RNK zanjiri hosil bo'ladi. Axborotni nusxalash va yadrodan hujayra muhitiga tushgandan so'ng, RNK zanjiri gen tomonidan kodlangan oqsil sintezi jarayonlarini boshlaydi. Protein sintezi maxsus hujayra organellalarida - ribosomalarda sodir bo'ladi.

Ribosoma, zanjirni o'qiyotganda, aminokislotalarning qaysi ketma-ketlikda ulanishi kerakligini aniqlaydi - ma'lumot RNKga o'qilishi bilan. Keyin aminokislotalarning sintezlangan zanjiri ma'lum 3D shaklini oladi.

Ushbu hajmli strukturaviy molekula fermentlar, gormonlar, retseptorlar va qurilish materialining kodlangan funktsiyalarini bajarishga qodir bo'lgan oqsildir.

topilmalar

Har qanday tirik mavjudot uchun bu har bir genning yakuniy mahsuloti bo'lgan protein (oqsil). Hujayralarimizda shifrlangan barcha xilma-xil shakllar, xususiyatlar va sifatlarni aniqlaydigan oqsillardir.

Hurmatli blog o'quvchilari, siz DNK qayerda ekanligini bilasizmi, o'zingiz bilmoqchi bo'lgan sharhlar yoki sharhlarni qoldiring. Kimdir buni juda foydali deb topadi!

Irsiyatning biokimyoviy asoslari.

Nuklein kislotalarning genetik roli.

Nuklein kislotalar - ibtidoiydan murakkabgacha bo'lgan barcha hujayralarda joylashgan biologik polimerlar. Birinchi marta Iogan Fridrix Misher tomonidan 1868 yilda yadroviy materialga boy hujayralarda (leykotsitlar, qizil ikra spermatozoidlari) kashf etilgan. "Nuklein kislotalar" atamasi 1889 yilda kiritilgan.

Nuklein kislotalarning ikki turi mavjud: DNK, RNK (ATP mononukleotid). DNK va RNK shablon molekulalardir. DNK somatik hujayralarda taxminan 6 * 10 -12 g ni o'z ichiga oladi: yadroda, mitoxondriyalarda. RNK ribosomaning bir qismi bo'lib, yadro va sitoplazmada joylashgan.

Virusli zarralar ustida irsiy ma'lumotni uzatishda nuklein kislotalarning etakchi rolini o'rganish va isbotlash amalga oshirildi. Tamaki mozaikasi virusi ham tamaki, ham psyllium uchun zararli ekanligi ma'lum. Virus zarrasi 95% oqsil va 5% nuklein kislotadan iborat. Protein kapsidi virusli zarrachalarda almashtirildi, ammo bir muncha vaqt o'tgach, ikkala shtammdagi protein oldingi shaklga aylandi.

E. coli ni yuqtirgan bakteriofaglarda fag qobigʻi oqsillari radioaktiv S bilan, fag DNKsi esa radioaktiv P bilan belgilandi. Fag bilan zararlangan bakteriya hujayrasida faqat radioaktiv P ni oʻz ichiga olgan fag zarrachalari hosil boʻldi.

DNK va RNK molekulalarining tuzilishi va vazifalari.

Nuklein kislotalar tartibsiz tuzilishga ega biopolimerlar bo'lib, ularning monomerlari nukleotidlardir. Nukleotid uchta moddaning qoldiqlaridan iborat: fosfor kislotasi, uglevod - pentoza, azotli asos. DNK nukleotidlarida dezoksiriboza, RNKda esa riboza mavjud. DNK ni tashkil etuvchi purin va pirimidin azotli asoslarning qoldiqlari adenin, guanin, sitozin, timindir. RNK molekulalarida adenin, guanin, sitozin va urasil mavjud.

Nukleotidlar bir nukleotidning fosfor kislotasi qoldig'i va boshqa nukleotidning uglevodlari orqali "kislorod ko'prigi" deb ataladigan kuchli kovalent efir bog'i orqali bir-biri bilan bog'lanadi. Bog'lanish bir nukleotid uglevodining 5-uglerod atomi orqali boshqa nukleotid uglevodining 3-uglerod atomiga o'tadi. Nukleotidlar ketma-ketligi nuklein kislotalarning birlamchi tuzilishini ifodalaydi. RNK bitta polinukleotid zanjiridir. Tuzilishi bo'yicha DNK spiral shaklida o'ralgan qo'sh polinukleotid zanjiridir.

DNKning ikkilamchi strukturasi birinchisiga nisbatan komplementarlik printsipiga ko'ra qurilgan ikkinchi DNK zanjiri hosil bo'lganda hosil bo'ladi. Ikkinchi sxema birinchisiga qarama-qarshidir (parallelga qarshi). Azotli asoslar molekula tekisligiga perpendikulyar tekislikda yotadi - bu spiral zinapoyaga o'xshaydi. Ushbu zinapoyaning panjaralari fosforik kislota va uglevodlarning qoldiqlari, qadamlar esa azotli asoslardir.

Qarama-qarshi zanjirlardagi har bir nukleotidni tashkil etuvchi azotli asoslar bir-biri bilan to'ldiruvchi vodorod bog'larini hosil qila oladi (har bir azotli asosning tuzilishida mavjud funktsional guruhlar tufayli). Adenil nukleotid timinga, guanil sitozinga va aksincha. O'z-o'zidan bu aloqalar mo'rt, ammo bunday bog'lanishlar bilan butun uzunligi bo'ylab ko'p marta "tikilgan" DNK molekulasi juda kuchli aloqadir.

bir-birini to'ldirish- bu azotli asoslarning bir-biriga fazoviy-strukturaviy va kimyoviy muvofiqligi, ular "qulf kaliti kabi" bir-biriga mos keladi.

Bitta DNK molekulasida 10 8 yoki undan ortiq nukleotid bo'lishi mumkin.

DNK molekulasining qo'sh antiparallel spiral sifatida tuzilishi 1953 yilda amerikalik biolog Jeyms Uotson va ingliz fizigi Frensis Krik tomonidan taklif qilingan.

Sayyoradagi har qanday tirik organizmning DNK molekulasi faqat to'rt turdagi nukleotidlardan iborat bo'lib, ular tarkibiga kiradigan azotli asoslarda bir-biridan farq qiladi: adenil, guanil, timin va sitozin. Unda ko'p qirralilik DNK. Ularning ketma-ketligi boshqacha, soni esa cheksizdir.

Tirik organizmlarning har bir turi va har bir organizm uchun alohida, bu ketma-ketlik individual va qat'iydir. xos .

O'ziga xoslik DNKning tuzilishi shundan iboratki, molekulaning kimyoviy faol qismlari - azotli asoslar spiralning markaziga botiriladi va bir-biri bilan to'ldiruvchi aloqalar hosil qiladi va dezoksiriboza va fosfor kislotasi qoldiqlari periferiyada joylashgan bo'lib, azotli asoslarga kirishni qoplaydi. kimyoviy faol emas. Bunday tuzilma uzoq vaqt davomida kimyoviy barqarorlikni saqlab turishi mumkin. Irsiy ma'lumotni saqlash uchun yana nima kerak? DNKning ana shu strukturaviy xususiyatlari uning genetik ma'lumotni kodlash va ko'paytirish qobiliyatini belgilaydi.

DNKning kuchli tuzilishini yo'q qilish qiyin. Shunga qaramay, bu hujayrada muntazam ravishda sodir bo'ladi - RNK sintezi va hujayra bo'linishidan oldin DNK molekulasining ikki baravar ko'payishi.

duplikatsiya, DNK replikatsiyasi maxsus ferment - DNK polimeraza qo'sh spiralni yechib, uni alohida iplarga ajratishi bilan boshlanadi - reduplikatsiya vilkasi hosil bo'ladi. Ferment fermuardagi qulf kabi ishlaydi. Har bir bir ipli zanjirda - reduplikatsiya vilkasining yopishqoq uchlarida - komplementarlik printsipiga ko'ra karioplazmadagi erkin nukleotidlardan yangi zanjir sintezlanadi. Yangi ikkita DNK molekulasida bir zanjir asl asosiy zanjir bo'lib qoladi, ikkinchi zanjir esa yangi qiz zanjir bo'lib qoladi. Natijada, bitta DNK molekulasi o'rniga, asl nusxasi bilan bir xil nukleotid tarkibiga ega ikkita molekula paydo bo'ladi.

Tirik tizimlarda biz jonsiz tabiatda noma'lum bo'lgan yangi turdagi reaktsiyalar bilan uchrashamiz. Ular chaqiriladi matritsa sintezi reaksiyalari . Matritsa sintezi matritsaga quyishga o'xshaydi: yangi molekulalar allaqachon mavjud bo'lgan molekulalarning tuzilishida belgilangan rejaga muvofiq sintezlanadi. Bu reaksiyalarda sintezlangan polimerlardagi monomer birliklarning aniq ketma-ketligi ta'minlanadi. Monomerlar reaksiya sodir bo'ladigan matritsa vazifasini bajaradigan molekulalarning ma'lum bir joyiga boradi. Agar bunday reaktsiyalar molekulalarning tasodifiy to'qnashuvi natijasida sodir bo'lsa, ular cheksiz sekinlik bilan boradi. Matritsa printsipiga asoslangan murakkab molekulalarning sintezi fermentlar yordamida tez va aniq amalga oshiriladi. Nuklein kislotalar va oqsillar sintezidagi eng muhim reaksiyalar asosida matritsa sintezi yotadi. Hujayradagi matritsaning rolini nuklein kislota molekulalari DNK yoki RNK bajaradi. Polimer sintez qilinadigan monomerik molekulalar - nukleotidlar yoki aminokislotalar - komplementarlik printsipiga muvofiq qat'iy belgilangan tartibda matritsada joylashadi va o'rnatiladi. Keyin monomer birliklari polimer zanjiriga ulanadi va tayyor polimer matritsani tark etadi. Shundan so'ng, matritsa yangi bir xil polimer molekulasini yig'ishga tayyor.

Matritsa tipidagi reaktsiyalar tirik hujayraning o'ziga xos xususiyatidir. Ular barcha tirik mavjudotlarning asosiy mulki - o'z turlarini ko'paytirish qobiliyatining asosidir.

Nuklein kislotalarning vazifalari- irsiy axborotni saqlash va uzatish. DNK molekulalari oqsilning birlamchi tuzilishi haqidagi ma'lumotlarni kodlaydi. mRNK molekulalarining sintezi DNK matritsasida sodir bo'ladi. Bu jarayon "transkripsiya" deb ataladi. I-RNK "tarjima" jarayonida ma'lumotni oqsil molekulasidagi aminokislotalar ketma-ketligi ko'rinishida amalga oshiradi.

Har bir hujayraning DNKsi nafaqat hujayra shaklini belgilovchi strukturaviy oqsillar, balki barcha ferment oqsillari, gormon oqsillari va boshqa oqsillar, shuningdek, RNKning barcha turlarining tuzilishi haqida ham ma'lumotlarni o'z ichiga oladi.

Nuklein kislotalar biologik xotiraning har xil turlarini - immunologik, nevrologik va boshqalarni ta'minlaydi, shuningdek, biosintetik jarayonlarni tartibga solishda muhim rol o'ynaydi.

Shunga o'xshash ma'lumotlar.

RNK va DNKning birlamchi, ikkilamchi va uchinchi darajali tuzilmalari mavjud.

RNK va DNKning birlamchi tuzilishi bir xil - bu chiziqli polinukleotid zanjiri bo'lib, nukleotidlar bir nukleotidning uglerod atomi va keyingi nukleotidning uglerod atomi o'rtasida fosfor kislotasi qoldiqlarini hosil qiluvchi fosfodiester bog'lari bilan bog'langan.

DNKning ikkilamchi tuzilishi E. Chargaff qoidalari (azotli asoslarning miqdoriy tarkibining muntazamligi) bilan tavsiflanadi.

DNK molekulalari komplementar nukleotidlar ketma-ketligiga ega ikkita antiparallel zanjirdan iborat. Zanjirlar bir-biriga nisbatan o'ng qo'lli spiralda o'ralgan bo'lib, har bir burilishda taxminan 10 ta asosiy juftlik mavjud.

Rentgen nurlari diffraktsiyasi haqidagi ma'lumotlar va Chargaff qoidalariga asoslanib, 1953 yilda J. Uotson va F. Krik qo'sh spiral shaklida DNKning ikkilamchi tuzilishi modelini taklif qildilar.

Ushbu modelga ko'ra, DNK molekulasi bir xil o'q atrofida o'ng qo'l spiraliga o'ralgan ikkita ipdan iborat. Azotli asoslar ichkarida, fosfor va uglevod komponentlari esa tashqarida. Spiral diametri 1,8 nm. Bazalar spiralning o'qi bilan to'g'ri burchak hosil qiladi. Spiral qadami 3,4 nm va 10 ta asosiy juftlikni o'z ichiga oladi. Polinukleotid zanjirlari qarama-qarshi yo'nalishda (parallelga qarshi) yo'naltirilgan.

DNK molekulasidagi azotli asoslar komplementarlik printsipiga ko'ra qat'iy o'ziga xos tarzda joylashgan: A faqat T bilan, G C bilan o'zaro ta'sir qiladi, ya'ni. Timin har doim adeninga, sitozin esa guaninga qarshi turadi. A-T va G-C bir-birini to'ldiruvchi tayanch juftliklari deb ataladi.

DNKning ikkilamchi tuzilishi vodorod aloqalari, stacking va hidrofobik o'zaro ta'sirlar bilan barqarorlashadi.

Komplementar nukleotidlar juftlari orasidagi vodorod aloqalari (AT-T juftligi uchun ikkitasi va G-C juftligi uchun uchtasi) nisbatan zaifdir. Ular spiral bo'ylab harakat qilishadi. Shuning uchun DNK molekulasining komplementar zanjirlari ma'lum shartlar o'zgarganda (masalan, harorat yoki tuz konsentratsiyasining o'zgarishi) ajratilishi va qayta qo'shilishi mumkin.

Asoslarning stacking o'zaro ta'siri - nuklein kislotalarda bir-birining ustiga joylashgan asoslarning tekisliklararo kovalent bo'lmagan o'zaro ta'siri, bu ikki zanjirli DNK molekulasining ikkilamchi tuzilishini saqlanishini ta'minlaydi. Ular spiral bo'ylab harakat qilishadi.

Xuddi shu zanjirning qo'shni asoslari o'rtasida gidrofobik o'zaro ta'sirlar yuzaga keladi, bu esa zanjirning o'ziga xos stackingiga yordam beradi.

DNK ning uchinchi darajali tuzilishi oqsillar bilan kompleksda spiral va superoildir. DNK chiziqli (eukaryotik xromosomalarda) va aylana shaklida (prokariotlar va mitoxondriyalarda) mavjud bo'lishi mumkin. Spiralizatsiya ikkala shaklga ham xosdir.

Xromosomalar materiali - xromatin tarkibida DNKdan tashqari gistonlar, giston bo'lmagan oqsillar va oz miqdorda RNK mavjud. Xromatin hujayralarning yadroviy DNKsi bo'lgan oqsillar majmuasidir.

Hujayralarning yadro DNKsi bilan oqsillar majmuasiga xromatin deyiladi.

DNKning xossalari uning tuzilishi bilan belgilanadi:

1. Ko‘p qirralilik- DNKni qurish tamoyillari barcha organizmlar uchun bir xil.

2. O'ziga xoslik- azotli asoslar nisbati bilan aniqlanadi: A + T,

bu har bir turga xosdir. Shunday qilib, odamlarda 1,35, bakteriyalarda - 0,39

O'ziga xoslik quyidagilarga bog'liq:

nukleotidlar soni

nukleotid turi

DNK zanjiridagi nukleotidlarning joylashishi

2. Replikatsiya yoki DNKning o'z-o'zini ko'paytirishi: DNK↔DNK. Hujayra organizmlarining genetik dasturi DNKning nukleotidlar ketma-ketligida yozilgan. Organizmning o'ziga xos xususiyatlarini saqlab qolish uchun har bir keyingi avlodda bu ketma-ketlikni aniq takrorlash kerak. Hujayra bo'linishi paytida DNK tarkibi ikki baravar ko'payishi kerak, shunda har bir qiz hujayra DNKning to'liq spektrini olishi mumkin, ya'ni. har qanday bo'linadigan inson somatik hujayrasida 6,4 * 10 9 juft nukleotid nusxa ko'chirilishi kerak. DNKning duplikatsiyasi jarayoni replikatsiya deb ataladi. Replikatsiya matritsa sintezining reaksiyalarini bildiradi. Replikatsiya jarayonida DNKning ikkita zanjirining har biri komplementar (qizi) zanjir hosil bo'lishi uchun shablon bo'lib xizmat qiladi. U hujayra siklining interfazasining S-davrida davom etadi. Replikatsiya jarayonining yuqori ishonchliligi genetik ma'lumotlarning bir necha avlodlar davomida deyarli xatosiz uzatilishini kafolatlaydi. S-davrida DNK sintezining boshlanishi uchun boshlang'ich signal S-omil (o'ziga xos oqsillar) deb ataladi. Replikatsiya tezligini va eukaryotik xromosomaning uzunligini bilib, replikatsiya vaqtini hisoblash mumkin, bu nazariy jihatdan bir necha kun, amalda esa replikatsiya 6-12 soat davom etadi. Bundan kelib chiqadiki, eukariotlarda replikatsiya bir vaqtning o'zida bir DNK molekulasining bir nechta joyidan boshlanadi.

Replikatsiya birligi replikondir. Replikon - bu replikatsiya sodir bo'ladigan DNK bo'limi. Eukariotlarda har bir interfaza xromosomasiga replikonlar soni 100 yoki undan ko'pga yetishi mumkin. Sutemizuvchilar hujayrasida 20-30 ming replikon, odamlarda 50 mingga yaqin replikon bo'lishi mumkin.. Ruxsat etilgan zanjirli o'sish tezligida (eukariotlar uchun - sekundiga 100 nukleotid) ko'p marta boshlash jarayonning yuqori tezligini va kamayishni ta'minlaydi. xromosomalarning kengaytirilgan bo'limlarini ko'paytirish uchun zarur bo'lgan vaqt. eukariotlarda polireplikon replikatsiya. (21-rasm)

Replikon barcha kerakli genlarni va replikatsiyani ta'minlaydigan tartibga soluvchi ketma-ketlikni o'z ichiga oladi. Hujayra bo'linishi jarayonida har bir replikon bir marta faollashadi. Replikatsiya boshlash bosqichida nazorat qilinadi. Ikki marta ko'paytirish jarayoni boshlangandan so'ng, u butun replikon ikki barobarga qadar davom etadi.

Prokariotlarda barcha DNK bitta replikondir.

21-rasm. Eukaryotik xromosoma DNKsining replikatsiyasi. Replikatsiya vazikullarning shakllanishi bilan replikatsiyaning turli kelib chiqishi (Ori) dan ikki yo'nalishda davom etadi. "Pufakcha" yoki "ko'z" - bu replikatsiya qilinmagan DNK ichidagi replikatsiya qilingan DNK hududi. (A. S. Konichev, G. A. Sevastyanova, 2005, 213-bet).

Replikatsiya jarayonida ishtirok etuvchi fermentlar ko'p fermentli kompleksga birlashadi. Prokaryotlarda DNK replikatsiyasida 15 ta ferment, eukaryotlarda esa 30 dan ortiq ferment ishtirok etadi, ya'ni. replikatsiya juda murakkab va o'ta aniq ko'p bosqichli fermentativ jarayondir. Ferment komplekslariga quyidagi fermentlar kiradi:

1) DNK polimerazalari (I, III) komplementar nusxa ko'chirishni katalizlaydi, ya'ni. bolalar zanjirining o'sishi uchun javobgardir. (22-rasm) Prokariotlar sekundiga 1000 nukleotid, eukariotlar esa sekundiga 100 nukleotid tezlikda replikatsiyalanadi. Eukaryotlarda sintez tezligining pasayishi giston oqsillarining dissotsiatsiyasining to'sqinlik qilishi bilan bog'liq bo'lib, ularni replikatsiya vilkalarida DNK polimerazasini DNK zanjiri bo'ylab harakatlantirish uchun olib tashlash kerak.

2) DNK - primaza. DNK polimerazalar mavjud nukleotidlarni birlashtirib, polinukleotid zanjirini uzaytirishi mumkin. Shuning uchun, DNK polimeraza DNK sintezini boshlashi uchun unga urug 'yoki primer (ingliz tilidan primer - urug') kerak. DNK-primaza bunday primerni sintez qiladi, keyinchalik u DNK segmentlari bilan almashtiriladi. (22-rasm).

3) DNK - ligaza, fosfodiester bog'lanish hosil bo'lishi tufayli Okazaki bo'laklarini bir-biriga bog'laydi.

4) DNK - helikaz, DNK spiralini ochadi, ular orasidagi vodorod bog'larini buzadi. Natijada ikkita yagona ko'p yo'nalishli DNK shoxlari hosil bo'ladi (22-rasm).

5) SSB - oqsillar bir zanjirli DNK bilan bog'lanadi va uni barqarorlashtiradi, ya'ni. ular bir-birini to'ldiruvchi juftlik uchun sharoit yaratadilar.

DNK replikatsiyasi molekulaning biron bir tasodifiy nuqtasida emas, balki replikatsiyaning kelib chiqish mintaqasi (nuqtalari) deb ataladigan ma'lum joylarda (Ori) boshlanadi. Ularda ma'lum nukleotidlar ketma-ketligi mavjud bo'lib, bu zanjirlarni ajratishni osonlashtiradi (21-rasm). Ori nuqtasida replikatsiyaning boshlanishi natijasida bir yoki ikkita replikatsiya vilkalari hosil bo'ladi - onalik DNK zanjirlarining ajralish joylari. Nusxa olish jarayoni DNK to'liq takrorlanmaguncha yoki replikatsiyaning ikkita qo'shni kelib chiqishining replikatsiya vilkalari birlashmaguncha davom etadi. Eukariotlarda replikatsiya kelib chiqishi xromosoma bo'ylab 20 000 ta asosiy juftga teng masofada tarqalgan (21-rasm).

22-rasm. DNK replikatsiyasi (matndagi tushuntirish). (B. Alberts va boshqalar, 1994, 2-jild, 82-bet).

Ferment - spiral- vodorod aloqalarini buzadi, ya'ni. qoʻsh ipni yechib, DNKning ikkita qarama-qarshi yoʻnaltirilgan shoxchalarini hosil qiladi (22-rasm). Bir tarmoqli mintaqalar maxsus bog'langan SSB oqsillari, ular har bir ota-ona zanjirining tashqi tomonida joylashgan va ularni bir-biridan ajratib turadi. Bu azotli asoslarni qo'shimcha nukleotidlar bilan bog'lanish uchun mavjud qiladi. Bular joylashgan nuqtada DNK replikatsiyasi yo'nalishidagi filiallar DNK polimeraza fermenti bo'lib, jarayonni katalizlaydi va komplementar sintezning aniqligini nazorat qiladi. Ushbu fermentning ishining o'ziga xos xususiyati uning bir yo'nalishliligi, ya'ni. qurilish DNKning qiz zanjiri dan yo'nalishda boradi 5" oxirigacha 3" . Bir ota-ona zanjirida qiz DNK sintezi davom etadi doimiy ravishda(etakchi zanjir). U dan o'sadi 5" dan 3" gacha replikatsiya vilkasi harakati yo'nalishi bo'yicha tugaydi va shuning uchun faqat bitta boshlash akti kerak. Boshqa ota-ona zanjirida qiz zanjirining sintezi odatiy bo'lgan qisqa bo'laklar shaklida sodir bo'ladi. 5" - 3" qutblilik va fermentlar yordamida - ligaza ular bitta uzluksiz ortda qoladigan zanjirga o'zaro bog'langan. Shuning uchun, orqada qolgan ipning sintezi bir nechta boshlash aktlarini (nuqtalarini) talab qiladi.

Ushbu sintez usuli deyiladi uzluksiz replikatsiya. Kechiktirilgan ipda sintez qilingan parcha hududlari kashfiyotchi sharafiga fragmentlar deb nomlanadi. Okazaki. Ular barcha replikatsiya qiluvchi DNKda, ham prokaryotlarda, ham eukariotlarda uchraydi. Ularning uzunligi prokariotlarda 1000-2000, eukariotlarda 100-200 nukleotidga to'g'ri keladi. Shunday qilib, replikatsiya natijasida 2 ta bir xil DNK molekulalari hosil bo'ladi, ularda bir ip onalik, ikkinchisi yangi sintezlanadi. Ushbu turdagi replikatsiya deyiladi yarim konservativ. Bunday takrorlash usuli haqidagi faraz J.Uotson va F.Krik tomonidan qilingan va 1958 yilda isbotlangan. M. Meselson va F. Stalem. Replikatsiyadan so'ng, xromatin sentromera bilan birlashtirilgan 2 ta dekompaktsiyalangan DNK molekulasi tizimidir.

Replikatsiya jarayonida prokaryotlar va eukaryotlar bir xil chastotaga ega bo'lgan xatolar yuzaga kelishi mumkin - 10 8 -10 10 nukleotiddan bittasi, ya'ni. har bir genomda o'rtacha 3 ta xato. Bu replikatsiya jarayonlarining yuqori aniqligi va muvofiqlashtirilishining isbotidir.

Replikatsiya xatolari DNK polimeraza III ("tuzatish mexanizmi") yoki tuzatish tizimi tomonidan tuzatiladi.

2. Tuzatish- bu uning yaxlitligini tiklash uchun DNKning mulki, ya'ni. zararni tuzatish. Irsiy axborotning buzilmagan shaklda uzatilishi ham alohida organizm, ham butun turning omon qolishi uchun eng muhim shartdir. O'zgarishlarning aksariyati hujayra uchun zararli bo'lib, ular mutatsiyaga olib keladi yoki DNK replikatsiyasini bloklaydi yoki hujayra o'limiga olib keladi. DNK doimiy ravishda o'z-o'zidan paydo bo'ladigan (replikatsiya xatolari, nukleotidlar tuzilishining buzilishi va boshqalar) va induktsiyali (UV - nurlanish, ionlashtiruvchi nurlanish, kimyoviy va biologik mutagenlar) atrof-muhit omillariga ta'sir qiladi. Evolyutsiya jarayonida DNKdagi buzilishlarni tuzatishga imkon beradigan tizim ishlab chiqildi - DNK ta'mirlash tizimi. Uning faoliyati natijasida har 1000 DNK shikastlanishi uchun faqat bittasi mutatsiyaga olib keladi. Zarar - bu DNKdagi har qanday o'zgarish bo'lib, u oddiy ikki zanjirli tuzilishdan chetga chiqadi:

1) bir ipli uzilishlar paydo bo'lishi;

2) asoslardan birini olib tashlash, buning natijasida uning gomologi juftlanmagan holda qoladi;

3) to'ldiruvchi juftlikdagi bir asosni sherik asos bilan noto'g'ri bog'langan boshqasiga almashtirish;

4) bir DNK zanjirining asoslari yoki qarama-qarshi zanjirlardagi asoslar orasidagi kovalent bog'lanishlarning paydo bo'lishi.

Ta'mirlash DNKning ikki baravar ko'payishidan oldin (replikatsiyadan oldingi ta'mirlash) va DNK ikki barobaridan keyin (replikatsiyadan keyingi) amalga oshirilishi mumkin. Mutagenlarning tabiatiga va hujayradagi DNKning shikastlanish darajasiga qarab yorug'lik (fotoreaktivatsiya), qorong'u, SOS-reparativ va boshqalar mavjud.

O'ylab ko'ring fotoreaktivatsiya DNKning shikastlanishi tabiiy sharoitlar (organizmning fiziologik xususiyatlari, umumiy atrof-muhit omillari, shu jumladan ultrabinafsha nurlar) tufayli yuzaga kelgan bo'lsa, hujayrada paydo bo'ladi. Bunday holda, ko'rinadigan yorug'lik ishtirokida DNKning yaxlitligi tiklanadi: reparativ ferment ko'rinadigan yorug'lik kvantlari bilan faollashadi, shikastlangan DNK bilan bog'lanadi, shikastlangan joyning pirimidin dimerlarini ajratadi va DNK zanjirining yaxlitligini tiklaydi.

Qorong'i tuzatish (eksizyon) ionlashtiruvchi nurlanish, kimyoviy moddalar va boshqalar ta'siridan keyin kuzatiladi. U shikastlangan joyni olib tashlash, DNK molekulasining normal tuzilishini tiklashni o'z ichiga oladi (23-rasm). Ushbu turdagi tuzatish DNKning ikkinchi qo'shimcha zanjirini talab qiladi. Qorong'i ta'mirlash ko'p bosqichli bo'lib, u fermentlar majmuasini o'z ichiga oladi, xususan:

1) DNK zanjirining shikastlangan qismini taniydigan ferment

2) DNK - endonukleaza, shikastlangan DNK zanjirida uzilish hosil qiladi

3) ekzonukleaza DNK zanjirining o'zgargan qismini olib tashlaydi

4) DNK - polimeraza I olib tashlanganini almashtirish uchun yangi DNK segmentini sintez qiladi

5) DNK ligaza eski DNK zanjirining uchini yangi sintezlangan bilan birlashtiradi, ya'ni. DNKning ikki uchini yopadi (23-rasm). 25 ferment oqsillari odamlarda qorong'u tuzatishda ishtirok etadi.

Hujayralarning hayotiga tahdid soladigan katta DNK shikastlanishi bilan u yoqiladi SOS tuzatish. SOS ta'mirlash 1974 yilda kashf etilgan. Ushbu turdagi ta'mirlash ionlashtiruvchi nurlanishning katta dozalari ta'siridan keyin qayd etiladi. SOS ta'mirlashning o'ziga xos xususiyati DNKning birlamchi tuzilishini tiklashdagi noaniqlikdir, shuning uchun u nom oldi. xatolarga yo'l qo'ymaslik. SOS ta'mirlashning asosiy maqsadi hujayra hayotiyligini saqlab qolishdir.

Ta'mirlash tizimining buzilishi erta qarishga, saraton rivojlanishiga, otoimmün tizim kasalliklariga, hujayra yoki organizmning o'limiga olib kelishi mumkin.

Guruch. 23. O'zgartirilgan nukleotid qoldiqlarini almashtirish orqali shikastlangan DNKni tiklash (qorong'i yoki eksizyonli tuzatish). (M. Singer, P. Berg, 1998 yil, 1-v., 100-bet).

DNK Logic - bu DNK hisoblash texnologiyasi bo'lib, u bugungi kunda boshlang'ich bosqichida, lekin kelajakka umidlari katta. Tirik organizmlarga implantatsiya qilingan biologik nanokompyuterlar biz uchun hanuzgacha fantastik, haqiqiy bo'lmagan narsa sifatida ko'riladi. Ammo bugun haqiqatga to'g'ri kelmaydigan narsa ertaga oddiy va shunchalik tabiiy narsaga aylanishi mumkinki, o'tmishda ularsiz qanday qilish mumkinligini tasavvur qilish qiyin.

Shunday qilib, DNK hisoblash molekulyar biologiya va kompyuter fanlari chegarasida molekulyar hisoblash sohasining bir tarmog'idir. DNKni hisoblashning asosiy g'oyasi yangi paradigmani qurish, DNK molekulasining tuzilishi va funktsiyalari va turli fermentlar yordamida tirik hujayralarda DNK molekulalarida amalga oshiriladigan operatsiyalarni bilish asosida yangi hisoblash algoritmlarini yaratishdir. DNK hisoblash istiqbollari bir necha mikrometr hajmdagi terabayt ma'lumotlarni saqlash imkoniyatiga ega bo'lgan biologik nanokompyuterni yaratishni o'z ichiga oladi. Bunday kompyuterni tirik organizmning hujayrasiga joylashtirish mumkin va uning ishlashi vattning milliarddan biridan ko'p bo'lmagan energiya sarfi bilan soniyada milliardlab operatsiyalarni tashkil qiladi.

Kompyuter texnologiyalarida DNKning afzalliklari

Silikon zamonaviy protsessorlar va mikrosxemalar uchun qurilish materiali sifatida ishlatiladi. Ammo kremniyning imkoniyatlari cheksiz emas va oxir-oqibat biz protsessorlarning qayta ishlash quvvatining keyingi o'sishi tugaydigan nuqtaga kelamiz. Shu sababli, insoniyat allaqachon kelajakda kremniy o'rnini bosadigan yangi texnologiyalar va materiallarni topishning keskin muammosiga duch kelmoqda.

DNK molekulalari keyinchalik kremniy tranzistorlarini ikkilik mantiq bilan almashtiradigan material bo'lishi mumkin. Faqat bir funt (453 g) DNK molekulasi barcha zamonaviy elektron ma'lumotlarni saqlash tizimlarining umumiy sig'imidan yuqori bo'lgan ma'lumotlarni saqlash hajmiga ega ekanligini va tomchi o'lchamdagi DNK protsessorining qayta ishlash quvvati eng ko'p bo'lishini aytish kifoya. kuchli zamonaviy superkompyuter.

10 trilliondan ortiq DNK molekulalari atigi 1 sm3 hajmni egallaydi. Biroq, molekulalarning bu soni 10 TB axborotni saqlash uchun etarli, ular soniyada 10 trillion operatsiyani bajarishi mumkin.

Oddiy kremniy protsessorlariga nisbatan DNK protsessorlarining yana bir afzalligi shundaki, ular barcha hisob-kitoblarni ketma-ket emas, parallel ravishda bajarishi mumkin, bu esa eng murakkab matematik hisoblarni bir necha daqiqada tom ma'noda bajarishni ta'minlaydi. An'anaviy kompyuterlar bunday hisob-kitoblarni amalga oshirish uchun oylar va yillar talab qiladi.

DNK molekulalarining tuzilishi

Ma'lumki, zamonaviy kompyuterlar ikkilik mantiq bilan ishlaydi, bu faqat ikkita holat mavjudligini nazarda tutadi: mantiqiy nol va bitta. Ikkilik koddan, ya'ni nollar va birliklar ketma-ketligidan foydalanib, har qanday ma'lumotni kodlashingiz mumkin. DNK molekulalarida to'rtta asosiy asos mavjud: adenin (A), guanin (G), sitozin (C) va timin (T), bir-biri bilan zanjir bilan bog'langan. Ya'ni, DNK molekulasi (bitta zanjir), masalan, quyidagi shaklga ega bo'lishi mumkin: ATTTACGGCC - bu erda ikkilik emas, balki to'rtlamchi mantiq qo'llaniladi. Ikkilik mantiqda har qanday ma'lumotni nol va birlar ketma-ketligi sifatida kodlash mumkin bo'lganidek, DNK molekulalarida ham har qanday ma'lumotni asosiy asoslarni birlashtirish orqali kodlash mumkin.

DNK molekulalarining asosiy asoslari bir-biridan 0,34 nanometr masofada joylashgan bo'lib, bu ularning ulkan informatsion qobiliyatini belgilaydi - chiziqli zichlik 18 Mbit / s. Agar biz sirtning informatsion zichligi haqida gapiradigan bo'lsak, har bir tayanch bazasi uchun 1 kvadrat nanometr maydon mavjud deb hisoblasak, u kvadrat dyuym uchun million gigabitdan oshadi. Taqqoslash uchun shuni ta'kidlaymizki, zamonaviy qattiq disklarning sirt yozish zichligi taxminan 7 Gb / dyuym 2 ni tashkil qiladi.

DNK molekulalarining yana bir muhim xususiyati shundaki, ular diametri atigi 2 nm bo'lgan oddiy qo'sh spiral shaklida bo'lishi mumkin. Bunday spiral ikkita zanjirdan iborat (asosiy asoslar ketma-ketligi) va birinchi zanjirning mazmuni ikkinchisining mazmuniga qat'iy mos keladi.

Bu yozishmalar bir-biriga yo'naltirilgan ikkita ipning asoslari o'rtasida vodorod aloqalari mavjudligi tufayli erishiladi - juftlik G va C yoki A va T. Ikki tomonlama spiralning bu xususiyatini tavsiflab, molekulyar biologlar DNK zanjirlari tufayli bir-birini to'ldiruvchi ekanligini aytishadi. G-C va AT juftlarining shakllanishi.

Masalan, S ketma-ketlik ATTACGTCG deb yozilsa, uni to'ldiruvchi S' ketma-ketligi TAATGCAGC ko'rinishida bo'ladi.

Bir-birini to'ldiruvchi asoslarni muntazam qo'sh spiralga bog'lash orqali DNKning ikkita bitta zanjirini bog'lash jarayoni renaturatsiya deb ataladi va teskari jarayon, ya'ni qo'sh ipni ajratib, ikkita bitta ipni olish denaturatsiya deb ataladi (1-rasm). .

Guruch. 1. Renaturatsiya va denaturatsiya jarayonlari

DNK molekulalari tuzilishining bir-birini to'ldiruvchi xususiyatlaridan DNK hisoblarida foydalanish mumkin. Misol uchun, bir-birini to'ldiradigan ketma-ketliklarga asoslanib, siz RAID 1-darajali ma'lumotlarni aks ettirish texnologiyasini biroz eslatuvchi kuchli xatolarni tuzatish mexanizmini amalga oshirishingiz mumkin.

DNK molekulalari ustidagi asosiy operatsiyalar

DNK molekulalarining turli xil manipulyatsiyasi uchun turli fermentlar (fermentlar) qo'llaniladi. Va xuddi zamonaviy mikroprotsessorlar qo‘shish, siljitish, mantiqiy operatsiyalar VA, YOKI va NOR EMAS kabi asosiy operatsiyalar to‘plamiga ega bo‘lganidek, DNK molekulalari fermentlar ta’sirida kesish, nusxa ko‘chirish, joylashtirish va hokazo kabi asosiy operatsiyalarni bajarishi mumkin.Bundan tashqari, barcha DNK molekulalari ustidagi operatsiyalar parallel ravishda va boshqa operatsiyalardan mustaqil ravishda amalga oshirilishi mumkin, masalan, DNK zanjirining qo'shilishi boshlang'ich molekulani fermentlar - polimerazalarga ta'sir qilish orqali amalga oshiriladi. Polimeraza ishlashi uchun qo'shilgan zanjirni komplementarlik printsipiga ko'ra aniqlaydigan bir zanjirli molekula (shablon), primer (kichik ikki ipli hudud) va eritmada erkin nukleotidlar bo'lishi kerak. DNK zanjirini to'ldirish jarayoni rasmda ko'rsatilgan. 2.

Guruch. 2. DNK zanjirining tugallanish jarayoni
asl polimeraza molekulasiga ta'sir qilganda

DNK zanjirini uzaytirish uchun shablonlarni talab qilmaydigan polimerazalar mavjud. Masalan, terminal transferaza ikki zanjirli molekulaning ikkala uchiga bitta DNK zanjirini qo'shadi. Shu tarzda ixtiyoriy DNK zanjirini qurish mumkin (3-rasm).

Guruch. 3. DNK zanjirining uzayish jarayoni

Nukleazlar deb ataladigan fermentlar DNK molekulalarini qisqartirish va kesish uchun javobgardir. Endonukleazlar va ekzonukleazlar mavjud. Ikkinchisi bir yoki ikkala uchidan ham bir ipli, ham ikki zanjirli molekulalarni qisqartirishi mumkin (4-rasm), endonukleazlar esa faqat uchidan qisqartirishi mumkin.

Guruch. 4. Molekulalarning qisqarish jarayoni
Eksonukleaza ta'sirida DNK

DNK molekulalarini kesish hududga xos endonukleazlar - cheklash fermentlari ta'siri ostida mumkin bo'lib, ularni nukleotidlar ketma-ketligi (taniq joyi) bilan kodlangan ma'lum bir joyda kesib tashlaydi. Kesish tekis yoki assimetrik bo'lishi mumkin va tanib olish joyi bo'ylab yoki uning tashqarisida o'tishi mumkin. Endonukleazlar DNK molekulasidagi ichki aloqalarni yo'q qiladi (5-rasm).

Guruch. 5. DNK molekulasini kesish
cheklovlar ta'siri ostida

O'zaro bog'lanish - kesishga qarama-qarshi operatsiya - fermentlar - ligazalar ta'siri ostida sodir bo'ladi. “Yopishqoq uchlari” birlashib, vodorod bog‘larini hosil qiladi. Ligazalar tirqishlarni yopish uchun xizmat qiladi, ya'ni asoslarni bir zanjir ichida bir-biriga bog'lab, to'g'ri joylarda fosfodiester bog'larining shakllanishiga yordam beradi (6-rasm).

Guruch. 6. DNK molekulalarining ligazalar ta'sirida o'zaro bog'lanishi

Asosiy deb tasniflanishi mumkin bo'lgan DNK molekulalaridagi yana bir qiziqarli operatsiya modifikatsiyadir. Bu cheklash fermentlarining ma'lum bir joyni topib, molekulani yo'q qilishiga yo'l qo'ymaslik uchun ishlatiladi. Modifikatsiya qiluvchi fermentlarning bir nechta turlari mavjud - metilazalar, fosfatazalar va boshqalar.

Metilaz mos keladigan cheklovchi ferment bilan bir xil tanib olish joyiga ega. Kerakli molekula topilganda, metilaz sayt bilan saytni o'zgartiradi, shunda cheklash fermenti endi bu molekulani aniqlay olmaydi.

DNK molekulalarini nusxalash yoki ko'paytirish polimeraza zanjiri reaktsiyasi (Polimeraza zanjiri reaktsiyasi, PCR) paytida amalga oshiriladi - rasm. 7. Nusxa ko'chirish jarayonini bir necha bosqichlarga bo'lish mumkin: denaturatsiya, astarlash va cho'zish. Bu ko'chki kabi sodir bo'ladi. Birinchi bosqichda bir molekuladan ikkita molekula, ikkinchisida ikkitadan to'rtta molekula, n-bosqichdan so'ng 2n molekula hosil bo'ladi.

Guruch. 7. DNK molekulasini nusxalash jarayoni

DNK molekulalari ustida bajarilishi mumkin bo'lgan yana bir operatsiya - bu ketma-ketlik, ya'ni DNKdagi nukleotidlar ketma-ketligini aniqlash. Turli uzunlikdagi zanjirlarni tartiblash uchun turli usullar qo'llaniladi. Primer vositasida yurish usulidan foydalanib, bir bosqichda 250-350 nukleotidlar ketma-ketligini joylashtirish mumkin. Cheklovchi fermentlar kashf etilgandan so'ng, uzun ketma-ketliklarni bo'laklarga bo'lib ketma-ketlashtirish mumkin bo'ldi.

Xo'sh, biz eslatib o'tadigan oxirgi protsedura bu DNK molekulalarini uzunligi bo'yicha ajratish uchun ishlatiladigan gel elektroforezi. Agar molekulalar jelga joylashtirilsa va doimiy elektr maydoni qo'llanilsa, ular anod tomon harakatlanadi, qisqaroq molekulalar tezroq harakatlanadi. Ushbu hodisadan foydalanib, DNK molekulalarini uzunligi bo'yicha saralashni amalga oshirish mumkin.

DNK hisoblash

DNK molekulalari o'ziga xos tuzilish shakli va parallel hisoblashni amalga oshirish qobiliyatiga ega bo'lgan holda, kompyuterda hisoblash muammosiga boshqacha qarashga imkon beradi. An'anaviy protsessorlar dasturlarni ketma-ket bajaradilar. Parallellik darajasini oshirishga qaratilgan ko'p protsessorli tizimlar, ko'p yadroli protsessorlar va turli texnologiyalar mavjudligiga qaramasdan, ularning negizida fon Neyman arxitekturasi asosida qurilgan barcha kompyuterlar ketma-ket buyruqlarni bajarish rejimiga ega qurilmalardir. Barcha zamonaviy protsessorlar quyidagi buyruqlar va ma'lumotlarni qayta ishlash algoritmini amalga oshiradilar: xotiradan buyruqlar va ma'lumotlarni olish va tanlangan ma'lumotlar bo'yicha ko'rsatmalarni bajarish. Bu tsikl ko'p marta va katta tezlikda takrorlanadi.

DNK hisoblash butunlay boshqacha, parallel arxitekturaga asoslangan va ba'zi hollarda aynan shu tufayli ular fon Neyman arxitekturasi asosida kompyuterlar uchun yillar talab qiladigan vazifalarni osonlikcha hisoblashlari mumkin.

Edlman tajribasi

DNK hisoblash tarixi 1994 yilda boshlanadi. Aynan o‘shanda Leonard M. Adleman o‘ta ahamiyatsiz matematik masalani mutlaqo noaniq usulda – DNK hisob-kitoblari yordamida yechishga harakat qilgan edi. Aslida, bu DNK hisoblashiga asoslangan biologik kompyuter prototipining birinchi namoyishi edi.

Edlman DNK hisoblash yordamida amalga oshirishni tanlagan muammo grafikda Gamilton yo'lini topish yoki sayohat marshrutini tanlash (sayohatchi sotuvchi muammosi) sifatida tanilgan. Uning ma'nosi quyidagicha: siz tashrif buyurishingiz kerak bo'lgan bir nechta shaharlar mavjud va siz har bir shaharga faqat bir marta tashrif buyurishingiz mumkin.

Chiqish nuqtasini va yakuniy nuqtani bilib, sayohat yo'nalishini (agar mavjud bo'lsa) aniqlash kerak. Shu bilan birga, yo'nalish mumkin bo'lgan parvozlar va turli reyslarning ulanishlarini hisobga olgan holda tuzilgan.

Shunday qilib, keling, faqat to'rtta shahar bor deb faraz qilaylik (Edleman tajribasi ettita shahardan foydalanilgan): Atlanta (Atlanta), Boston (Boston), Detroit (Detroyt) va Chikago (Chikago). Sayohatchiga har bir shaharga faqat bir marta tashrif buyurgan holda, Atlantadan Detroytga borish uchun marshrut tanlash vazifasi yuklangan. Shaharlar o'rtasidagi mumkin bo'lgan aloqa sxemalari rasmda ko'rsatilgan. sakkiz.

Guruch. 8. Mumkin bo'lgan xabarlarning sxemalari
shaharlar o'rtasida

Ko'rish oson (buni amalga oshirish uchun bir necha soniya kerak bo'ladi) yagona mumkin bo'lgan marshrut (Gamilton yo'li) quyidagicha: Atlanta - Boston - Chikago - Detroyt.

Darhaqiqat, kam sonli shaharlar bilan bunday marshrutni tuzish juda oddiy. Ammo ularning sonining ko'payishi bilan muammoni hal qilishning murakkabligi eksponent ravishda o'sib boradi va nafaqat odam uchun, balki kompyuter uchun ham qiyin bo'ladi.

Shunday qilib, rasmda. 9-rasmda ular orasidagi mumkin bo'lgan o'tishlarni ko'rsatadigan ettita cho'qqi grafigi ko'rsatilgan. Oddiy odamga Gamilton yo'lini topish uchun bir daqiqadan ko'proq vaqt kerak bo'lmaydi. Aynan shu grafik Edlman tajribasida ishlatilgan. Shaklda. 10-rasmda 12 ta cho'qqi grafigi ko'rsatilgan - bu holda Gamilton yo'lini topish endi unchalik oson ish emas. Umuman olganda, Gamilton yo‘lini topish masalasini yechishning murakkabligi grafikdagi cho‘qqilar soni ortib borishi bilan eksponensial ravishda ortadi. Misol uchun, 10 ta burchakli grafik uchun 106 ta mumkin bo'lgan yo'llar mavjud; 20 ta burchakli grafik uchun - 1012 va 100 burchakli grafik uchun - 10100 variant. Keyingi holatda barcha mumkin bo'lgan yo'llarni yaratish va ularni tekshirish zamonaviy superkompyuter uchun ham juda ko'p vaqtni olishi aniq.

Guruch. 9. Eng yaxshi sayohat marshrutini topish

Guruch. 10. 12 ta burchakdan iborat grafik

Shunday qilib, keling, to'rtta shahar misolida Gamilton yo'lini topish misolimizga qaytaylik (8-rasmga qarang).

DNK hisoblash yordamida ushbu muammoni hal qilish uchun Edlman har bir shahar nomini DNKning bitta zanjiri sifatida kodladi, ularning har biri 20 ta asosiy bazani o'z ichiga oladi. Oddiylik uchun biz har bir shaharni sakkizta asosli DNK zanjiri bilan kodlaymiz. Shaharlarning DNK kodlari Jadvalda ko'rsatilgan. 1. E'tibor bering, sakkizta asosiy bazalar qatori faqat to'rtta shaharni kodlash uchun ortiqcha.

1-jadval. Shaharlarning DNK kodlari

E'tibor bering, bitta DNK zanjirini belgilaydigan har bir shahar DNK kodi uchun qo'shimcha zanjir, ya'ni qo'shimcha shahar DNK kodi ham mavjud va shahar DNK kodi ham, qo'shimcha kod ham mutlaqo tengdir.

Bundan tashqari, yagona DNK zanjirlaridan foydalanib, barcha mumkin bo'lgan parvozlarni kodlash kerak (Atlanta - Boston, Boston - Detroyt, Chikago - Detroyt va boshqalar). Buning uchun quyidagi yondashuv qo'llanildi. Oxirgi to‘rt tayanch asos jo‘nab ketgan shahar nomidan, dastlabki to‘rtta asos esa kelgan shahar nomidan olingan.

Masalan, Atlanta - Boston reysi quyidagi ketma-ketlikka mos keladi: GCAG TCGG (11-rasm).

Guruch. 11. Shaharlar orasidagi parvozlarni kodlash

Barcha mumkin bo'lgan parvozlarning DNK kodlari Jadvalda ko'rsatilgan. 2.

Jadval 2. Barcha mumkin bo'lgan parvozlar uchun DNK kodlari

Shunday qilib, shaharlar kodlari va ular orasidagi mumkin bo'lgan parvozlar tayyor bo'lgach, siz to'g'ridan-to'g'ri Gamilton yo'lini hisoblashga o'tishingiz mumkin. Hisoblash jarayoni to'rt bosqichdan iborat:

1. Barcha mumkin bo'lgan marshrutlarni yarating.
2. Atlantada boshlanadigan va Detroytda tugaydigan marshrutlarni tanlang.
3. Uzunligi shaharlar soniga mos keladigan marshrutlarni tanlang (bizning holatda, marshrut uzunligi to'rtta shahar).
4. Har bir shahar faqat bir marta bo'ladigan marshrutlarni tanlang.

Shunday qilib, birinchi bosqichda biz barcha mumkin bo'lgan marshrutlarni yaratishimiz kerak. Eslatib o'tamiz, to'g'ri yo'nalish Atlanta - Boston - Chikago - Detroyt reyslariga mos keladi. Bu marshrut GCAG TCGG ACTG GGCT ATGT CCGA DNK molekulasiga mos keladi.

Barcha mumkin bo'lgan yo'nalishlarni yaratish uchun barcha kerakli va oldindan tayyorlangan ingredientlarni probirkaga, ya'ni barcha mumkin bo'lgan parvozlarga mos keladigan DNK molekulalarini va barcha shaharlarga mos keladigan DNK molekulalarini qo'yish kifoya. Ammo shaharlarning nomlariga mos keladigan yagona DNK zanjirlarini ishlatish o'rniga, ularni to'ldiruvchi DNK zanjirlaridan foydalanish kerak, ya'ni Atlantaga mos keladigan ACTT GCAG DNK zanjiri o'rniga biz qo'shimcha DNK zanjiri TGAA CGTC va hokazolardan foydalanamiz. ., chunki shaharning DNK kodi va qo'shimcha kod mutlaqo tengdir.

Keyin biz bu molekulalarning barchasini (so'zma-so'z 1014 xil molekuladan iborat bo'ladi) suvga solamiz, ligazalarni qo'shamiz, sehrlaymiz va ... bir necha soniya ichida biz barcha mumkin bo'lgan yo'llarni olamiz.

Turli yo'nalishlarga mos keladigan DNK zanjirlarining hosil bo'lish jarayoni quyidagicha sodir bo'ladi. Masalan, Atlanta - Boston reysi uchun mas'ul bo'lgan GCAG TCGG zanjirini ko'rib chiqaylik. Turli molekulalarning yuqori konsentratsiyasi tufayli, bu zanjir, albatta, Bostonga mos keladigan qo'shimcha DNK zanjiri AGCC TGAC bilan uchrashadi. TCGG va AGCC guruhlari bir-birini to'ldiruvchi bo'lganligi sababli, bu zanjirlar vodorod bog'larining hosil bo'lishi tufayli bir-biri bilan bog'lanadi (12-rasm).

Guruch. 12. Tegishli bog'lovchi zanjirlar
parvoz Atlanta - Boston va Boston

Endi hosil bo'lgan zanjir muqarrar ravishda Boston-Chikago reysiga mos keladigan ACTG GGCT DNK zanjiri bilan uchrashadi va ACTG guruhi (ushbu zanjirning dastlabki to'rtta asosi) TGAC guruhini to'ldiruvchi (Bostondagi oxirgi to'rtta asos) kod), ACTG GGCT DNK zanjiri allaqachon shakllangan zanjirga qo'shiladi. Keyinchalik, Chikago shahriga to'g'ri keladigan DNK zanjiri (qo'shimcha kod) ushbu zanjirga xuddi shu tarzda, so'ngra Chikago-Detroyt havo parvozi zanjiriga qo'shiladi. Marshrutni shakllantirish jarayoni rasmda ko'rsatilgan. o'n uch.

Guruch. 13. Marshrutga mos keladigan DNK zanjirining hosil bo'lish jarayoni
Atlanta - Boston - Chikago - Detroyt

Biz faqat bitta marshrutni shakllantirish misolini ko'rib chiqdik (va bu aynan Gamilton yo'nalishi). Boshqa barcha mumkin bo'lgan yo'nalishlar xuddi shunday tarzda olinadi (masalan, Atlanta - Boston - Atlanta - Detroyt). Barcha marshrutlar bir vaqtning o'zida, ya'ni parallel ravishda shakllanishi muhimdir. Bundan tashqari, ma'lum bir muammoda barcha mumkin bo'lgan marshrutlarni va 10 yoki 20 ta shahardagi muammodagi barcha marshrutlarni yaratish uchun talab qilinadigan vaqt aynan bir xil (agar boshlang'ich DNK molekulalari etarli bo'lsa). Aslida, DNKni hisoblashning parallel algoritmida asosiy ustunlik fon Neyman arxitekturasi bilan taqqoslanadi.

Shunday qilib, probirkada barcha mumkin bo'lgan yo'llarga mos keladigan DNK molekulalari hosil bo'ladi. Biroq, bu hali muammoning yechimi emas - biz Gamilton yo'nalishi uchun mas'ul bo'lgan yagona DNK molekulasini ajratib olishimiz kerak. Shuning uchun, keyingi qadam Atlantadan boshlanib, Detroytda tugaydigan marshrutlarga mos keladigan molekulalarni tanlashdir.

Buning uchun polimeraza zanjiri reaktsiyasi (PCR) qo'llaniladi, buning natijasida faqat Atlanta kodi bilan boshlanadigan va Detroyt kodi bilan tugaydigan DNK zanjirlarining ko'p nusxalari yaratiladi.

Polimeraza zanjiri reaktsiyasini amalga oshirish uchun ikkita primer ishlatiladi: GCAG va GGCT. Atlanta DNK kodidan boshlanib, Detroytning DNK kodi bilan tugaydigan DNK naqshlarini nusxalash jarayoni rasmda ko'rsatilgan. o'n to'rt.

Guruch. 14. PCR reaksiyasi jarayonida DNK molekulalarini nusxalash jarayoni

E'tibor bering, GCAG va GGCT primerlari mavjud bo'lganda, Atlanta DNK kodlari bilan boshlanadigan DNK molekulalari, lekin Detroyt DNK kodlari bilan tugamaydi (bosh GCAG ta'sirida), shuningdek DNK molekulalari bilan tugaydi. DNK kodi Detroit, lekin Atlantaning DNK kodi bilan boshlamang (asosiy GGCT ta'siri ostida). Bunday molekulalarning nusxa ko'chirish tezligi Atlanta DNK kodidan boshlanib, Detroytning DNK kodiga qadar bo'lgan DNK molekulalarining nusxa ko'chirish tezligidan ancha past bo'lishi aniq. Shuning uchun, PCR reaktsiyasidan so'ng, biz Atlantadan boshlanib, Detroytda tugaydigan yo'nalishlarga mos keladigan muntazam qo'sh spiral shaklida DNK molekulalarining asosiy sonini olamiz.

Keyingi bosqichda kerakli uzunlikdagi molekulalarni, ya'ni aniq to'rtta shaharning DNK kodlarini o'z ichiga olgan molekulalarni ajratish kerak. Buning uchun molekulalarni uzunligi bo'yicha saralash imkonini beruvchi gel elektroforez qo'llaniladi. Natijada, biz kerakli uzunlikdagi molekulalarni olamiz (aniq to'rtta shahar), Atlanta uchun koddan boshlab va Detroit kodiga qadar.

Endi biz tanlangan molekulalarda har bir shaharning kodi faqat bir marta mavjudligiga ishonch hosil qilishimiz kerak. Ushbu operatsiya afiniteyi tozalash deb nomlanuvchi jarayon yordamida amalga oshiriladi.

Ushbu operatsiyani bajarish uchun diametri taxminan bir mikron bo'lgan mikroskopik magnit to'p ishlatiladi. U yoki bu shaharning qo'shimcha DNK kodlari unga jalb qilinadi, ular namuna vazifasini bajaradi. Misol uchun, agar siz Boston shahrining kodi o'rganilayotgan DNK zanjirida mavjudligini tekshirmoqchi bo'lsangiz, avval magnit sharni Bostonning DNK kodlariga mos keladigan DNK molekulalari bo'lgan probirkaga joylashtirishingiz kerak. Natijada, biz kerakli namunalar bilan qoplangan magnit to'pni olamiz. Keyin bu to'p o'rganilgan DNK zanjirlari bo'lgan probirkaga joylashtiriladi - natijada unga komplementar Boston kodini o'z ichiga olgan DNK zanjirlari tortiladi (komplementar guruhlar o'rtasida vodorod aloqalari hosil bo'lishi tufayli). Keyinchalik, saralangan molekulalari bo'lgan to'p chiqariladi va yangi probirkaga joylashtiriladi, undan keyin u chiqariladi (harorat ko'tarilganda, DNK molekulalari to'pdan tushadi). Ushbu protsedura (saralash) har bir shahar uchun ketma-ket takrorlanadi va natijada biz faqat barcha shaharlarning DNK kodlarini o'z ichiga olgan molekulalarni va shuning uchun Gamilton yo'liga mos keladigan marshrutlarni olamiz. Aslida, muammo hal qilindi - faqat javobni hisoblash uchun qoladi.

Xulosa

Edlman Gamilton yo'lini topish muammosi yechimini atigi yetti shaharni misol qilib ko'rsatdi va bunga etti kun sarfladi. Bu DNK hisoblash imkoniyatlarini namoyish qiluvchi birinchi tajriba edi. Darhaqiqat, Edlman DNK hisob-kitoblari yordamida ro'yxatga olish muammolarini samarali hal qilish mumkinligini isbotladi va u keyinchalik parallel filtrlash modelini yaratish uchun asos bo'lib xizmat qilgan texnikani belgilab berdi.

Biroq, ko'plab tadqiqotchilar biologik kompyuterlarning kelajagi haqida optimistik emas. Bu erda faqat kichik bir misol. Agar 200 ta burchakdan iborat bo'lgan grafikda Gamilton yo'lini topish uchun shunga o'xshash usul talab etilsa, vazni bo'yicha butun sayyoramiz bilan taqqoslanadigan DNK molekulalarining soni talab qilinadi! Bu asosiy cheklov, albatta, qandaydir boshi berk ko'chadir. Shu sababli, ko'pgina tadqiqot laboratoriyalari (masalan, IBM) uglerod nanotubalari va kvant kompyuterlari kabi muqobil kompyuterlar uchun boshqa g'oyalarga e'tibor qaratishni tanladi.

Edlman tajribasidan so'ng, DNKni hisoblash imkoniyatlari bo'yicha ko'plab boshqa tadqiqotlar o'tkazildi. Misol uchun, E. Shapiro tajribasini eslash mumkin: unda chekli avtomat amalga oshirildi, u ikki holatda bo'lishi mumkin: S0 va S1 - va savolga javob beradi: kiritish ketma-ketligida juft yoki toq belgilar mavjud. belgilar.

Bugungi kunda DNK hisoblash laboratoriya tadqiqotlari darajasidagi istiqbolli texnologiyalardan boshqa narsa emas va ular bu holatda bir yildan ortiq qoladi. Aslida, rivojlanishning hozirgi bosqichida quyidagi global savolga javob berish kerak: DNK yordamida qanday toifadagi muammolarni hal qilish mumkin va amalga oshirish uchun ham, foydalanish uchun ham mos keladigan DNK hisoblashning umumiy modelini qurish mumkinmi?