DNK zgodovina, funkcije, struktura, komponente



The DNA (deoksiribonukleinska kislina) je biomolekula, ki vsebuje vse informacije, potrebne za tvorbo organizma in ohranjanje njegovega delovanja. Sestavljen je iz enot, imenovanih nukleotidi, ki so nastali kot fosfatna skupina, sladkorna molekula petih ogljikov in dušikova baza..

Obstajajo štiri dušikove baze: adenin (A), citozin (C), gvanin (G) in timin (T). Adenin se vedno poveže s timinom in gvaninom s citozinom. Sporočilo, ki ga vsebuje pramen DNA, se pretvori v RNA, ki sodeluje pri sintezi beljakovin.

DNA je izredno stabilna molekula, negativno nabita pri fiziološkem pH, ki je povezana s pozitivnimi beljakovinami (histoni) za učinkovito kompaktiranje v jedru evkariontskih celic. Dolg pramen DNA skupaj z različnimi povezanimi beljakovinami tvori kromosom.

Indeks

  • 1 Zgodovina
  • 2 Komponente
  • 3 Struktura
    • 3.1 Zakon Chargaff
    • 3.2 Model dvojne spirale
  • 4 Organizacija
    • 4.1 Histoni
    • 4.2 Nukleozomi in 30 nm vlakna
    • 4.3 Kromosomi
    • 4.4 Organizacija v prokariontih
    • 4.5 Količina DNA
  • 5 Strukturne oblike DNA
    • 5.1 DNA-A
    • 5.2 ADN-Z
  • 6 Funkcije
    • 6.1 Replikacija, prepisovanje in prevajanje
    • 6.2 Genetska koda
  • 7 Kemične in fizikalne lastnosti
  • 8 Evolucija
  • 9 sekvenciranje DNA
    • 9.1 Metoda varilca
  • 10 Zaporedje nove generacije
  • 11 Reference

Zgodovina

Leta 1953 je ameriški James Watson in britanski Francis Crick uspel razjasniti tridimenzionalno strukturo DNK, zahvaljujoč delu kristalografije, ki sta ga opravila Rosalind Franklin in Maurice Wilkins. Svoje sklepe so oprli tudi na dela drugih avtorjev.

Izpostavljanje DNK rentgenskim žarkom tvori difrakcijski vzorec, ki ga lahko uporabimo za sklepanje o strukturi molekule: vijačnica dveh antiparalelnih verig, ki se obračata v desno, kjer sta obe verigi povezani z vodikimi vezmi med bazami . Vzorec je bil naslednji:

Strukturo lahko domnevamo po zakonih Braggove difrakcije: ko se predmet vstavi v sredino žarka rentgenskih žarkov, se odbije, ker elektroni predmeta medsebojno delujejo z žarkom..

25. aprila 1953 so bili v prestižni reviji objavljeni rezultati Watsona in Cricka Narava, v članku na dveh straneh z naslovom "Molekularna struktura nukleinskih kislinTo bi popolnoma revolucioniralo področje biologije.

Zaradi tega odkritja so raziskovalci leta 1962 prejeli Nobelovo nagrado za medicino, razen Franklina, ki je umrl pred porodom. Trenutno je to odkritje eden od velikih eksponentov uspeha znanstvene metode za pridobivanje novega znanja.

Komponente

Molekula DNA je sestavljena iz nukleotidov, enot, ki jih sestavlja pet ogljikovih atomov, vezanih na fosfatno skupino in dušikova baza. Vrsta sladkorja, ki jo najdemo v DNA, je tipa deoksiriboze in zato tudi njegovo ime, deoksiribonukleinska kislina.

Za tvorbo verige so nukleotidi kovalentno povezani s fosfodiestrsko vezjo s pomočjo 3'-hidroksilne skupine (-OH) iz enega sladkorja in 5'-fosfata iz naslednjega nukleotida.

Ne zamenjujte nukleotidov z nukleozidi. Slednji se nanaša na del nukleotida, ki ga tvori samo pentoza (sladkor) in dušikova baza.

DNA sestavljajo štiri vrste dušikovih baz: adenin (A), citozin (C), gvanin (G) in timin (T).

Dušikove baze so razvrščene v dve kategoriji: purini in pirimidini. Prva skupina je sestavljena iz obroča petih atomov, ki so povezani z drugim obročem šestih, pirimidini pa so sestavljeni iz enega obroča.

Od navedenih baz so adenin in gvanin derivati ​​purinov. Nasprotno pa skupina pirimidinov pripada timinu, citozinu in uracilu (prisotni v molekuli RNA)..

Struktura

Molekula DNA je sestavljena iz dveh nukleotidnih verig. Ta "veriga" je znana kot veriga DNA.

Dva pramena sta povezana z vodikovimi vezmi med komplementarnimi bazami. Dušikove baze so kovalentno povezane s skeletom sladkorjev in fosfatov.

Vsak nukleotid, ki se nahaja v eni veji, se lahko poveže z drugim specifičnim nukleotidom druge verige, da se tvori znana dvojna vijačnica. Da bi oblikovali učinkovito strukturo, A vedno pari s T s pomočjo dveh vodikovih mostov in G s C s tremi mostovi.

Chargaffov zakon

Če preučimo razmerja dušikovih baz v DNK, bomo ugotovili, da je količina A enaka količini T in enaka z G in C. Ta vzorec je znan kot Chargaffov zakon..

Ta povezava je energetsko ugodna, saj omogoča ohranitev podobne širine vzdolž strukture, s čimer se ohranja podobna razdalja vzdolž molekule skeletnega sladkorja-fosfata. Upoštevajte, da je osnova obroča povezana z enim od obročev.

Model dvojne vijačnice

Predlaga se, da je dvojna vijačnica sestavljena iz 10,4 nukleotidov na obrat, ki je ločena z razdaljo od središča do centra 3,4 nanometra. Postopek valjanja povzroči nastanek utorov v konstrukciji, tako da lahko opazujemo večji in manjši utor.

Utori se pojavijo, ker glikozidne vezi v baznih parih niso nasproti druge, glede na njihov premer. V manjšem žlebu so pirimidin O-2 in purinski N-3, medtem ko se glavni utor nahaja v nasprotni regiji.

Če uporabimo analogijo lestve, prečke sestavljajo bazni pari, ki se medsebojno dopolnjujejo, medtem ko skelet ustreza dvema grip tračnicama..

Konci molekule DNK nista enaki, zato govorimo o "polarnosti". Eden od njegovih koncev, 3 ', nosi -OH skupino, 5' konec pa ima prosto fosfatno skupino.

Dva pramena sta nameščena antiparalelno, kar pomeni, da sta locirana nasproti polarnosti, kot sledi:

Poleg tega mora biti zaporedje ene niti komplementarno s svojim partnerjem, če je najden položaj A, v antiparalelni niti mora obstajati T.

Organizacija

V vsaki človeški celici je približno dva metra DNA, ki jo je treba učinkovito pakirati.

Pramen mora biti stisnjen, tako da ga lahko vsebuje mikroskopsko jedro s premerom 6 μm, ki zavzame le 10% volumna celice. To je mogoče zaradi naslednjih ravni zbijanja:

Histoni

Pri evkariontih obstajajo beljakovine, imenovane histoni, ki se lahko vežejo na molekulo DNA in so prva stopnja zbijanja verige. Histoni imajo pozitivne naboje, da lahko vplivajo na negativne naboje DNA, ki jih prispevajo fosfati.

Histoni so tako pomembni proteini za evkariontske organizme, ki so bili med evolucijo praktično nespremenljivi - spominjajo se, da nizka stopnja mutacij kaže, da so selektivni pritiski na to molekulo močni. Pomanjkanje histonov lahko povzroči poškodovano zbijanje DNK.

Histone lahko biokemično modificiramo in ta postopek spremeni raven zbijanja genskega materiala.

Ko so histoni "hipoacetilirani", je kromatin bolj kondenziran, ker acetilirane oblike nevtralizirajo pozitivne naboje lizinov (pozitivno nabitih aminokislin) v proteinu.

Nukleozomi in 30 nm vlakna

Pramen DNA je zvit v histonih in tvori strukture, ki so podobne kroglicam biserne ogrlice, imenovane nukleosomi. V središču te strukture sta dve kopiji vsake vrste histonov: H2A, H2B, H3 in H4. Zveza različnih histonov se imenuje "histonski oktamer".

Oktamer je obkrožen s 146 pari baz, kar daje manj kot dva zavoja. Človeška diploidna celica vsebuje približno 6,4 x 109 nukleotidov, ki so organizirani v 30 milijonov nukleosomov.

Organizacija v nukleosomih omogoča kompaktiranje DNK v več kot tretjini prvotne dolžine.

V procesu ekstrakcije genskega materiala v fizioloških pogojih opazimo, da so nukleosomi razporejeni v vlakno 30 nanometrov.

Kromosomi

Kromosomi so funkcionalna enota dedovanja, katere funkcija je prenos genov posameznika. Gen je segment DNA, ki vsebuje informacije za sintezo beljakovin (ali nizov beljakovin). Vendar pa obstajajo tudi geni, ki kodirajo regulativne elemente, kot je RNA.

Vse človeške celice (razen gamet in krvnih eritrocitov) imajo dve kopiji vsakega kromosoma, pri čemer je ena podedovana od očeta, druga pa od matere..

Kromosomi so strukture, sestavljene iz dolgega linearnega dela DNK, ki je povezan z zgoraj omenjenimi proteinskimi kompleksi. Običajno pri evkariontih je ves genski material, ki je vključen v jedro, razdeljen na vrsto kromosomov.

Organizacija v prokariontih

Prokarioti so organizmi, ki nimajo jedra. Pri teh vrstah je genetski material zelo zložen skupaj z alkalnimi beljakovinami z nizko molekulsko maso. Na ta način se DNA stisne in se nahaja v osrednji regiji bakterije.

Nekateri avtorji to strukturo navadno imenujejo "bakterijski kromosom", čeprav ne predstavlja enakih lastnosti evkariontskega kromosoma..

Količina DNA

Vse vrste organizmov ne vsebujejo enake količine DNK. Dejansko je ta vrednost zelo različna med vrstami in ni nobene povezave med količino DNK in kompleksnostjo organizma. To protislovje je znano kot "paradoks C vrednosti".

Logično sklepanje bi bilo, če bi intuitivno razumeli, da je organizem bolj kompleksen, več DNA ima. Vendar to v naravi ni res.

Na primer, genom pljučne ribe Protopterus aethiopicus velikost je 132 pg (DNK se lahko kvantificira v pikogramih = pg), medtem ko človeški genom tehta samo 3,5 pg.

Ne pozabite, da ne vse DNA organizma kodira za beljakovine, veliko tega je povezano z regulativnimi elementi in različnimi vrstami RNA.

Strukturne oblike DNA

Watsonov in Crickov model, ki izhaja iz rentgenskih difrakcijskih vzorcev, je znan kot vijak B-DNA in je "tradicionalen" in najbolj znan model. Vendar pa obstajajo še dve različni obliki, imenovani DNA-A in DNA-Z.

DNA-A

Varianta "A" se vrti v desno, tako kot DNA-B, vendar je krajša in širša. Ta obrazec se pojavi, ko se zmanjša relativna vlažnost.

DNA-A se vrti vsakih 11 parov baz, glavni žleb je ožji in globlji od B-DNA. Glede manjšega žleba je to bolj površinsko in široko.

ADN-Z

Tretja varianta je Z-DNA. Je najožja oblika, ki jo sestavlja skupina heksanukleotidov, organiziranih v dupleks antiparalelnih verig. Ena izmed najbolj presenetljivih značilnosti te oblike je, da se obrne na levo, druga dva pa na desno.

Z-DNA se pojavi, ko so kratka zaporedja izmeničnih pirimidinov in purinov. Večji žleb je ravno in manjši je ožji in globlji v primerjavi z B-DNA.

Čeprav je molekula DNA v fizioloških pogojih večinoma v obliki B, obstoj obeh opisanih variant izpostavlja prožnost in dinamičnost genskega materiala..

Funkcije

Molekula DNA vsebuje vse informacije in navodila, potrebna za izgradnjo organizma. Imenuje se celoten nabor genetskih informacij v organizmih genoma.

Sporočilo je kodirano z "biološko abecedo": štiri prej omenjene baze, A, T, G in C.

Sporočilo lahko vodi do nastajanja različnih vrst beljakovin ali kodiranja nekaterih regulatornih elementov. Postopek, s katerim lahko te baze posredujejo sporočilo, je pojasnjen spodaj:

Replikacija, prepisovanje in prevajanje

Sporočilo, ki je šifrirano v štirih črkah A, T, G in C, daje rezultatu fenotip (ne vseh zaporedij DNA za proteine). Da bi to dosegli, se mora DNK replicirati v vsakem procesu delitve celic.

Replikacija DNK je polkonzervativna: veja služi kot šablona za oblikovanje nove hčerinske molekule. Različni encimi katalizirajo replikacijo, vključno s primazo DNA, DNA helikazo, DNA ligazo in topoizomerazo..

Nato je treba sporočilo - napisano v jeziku zaporedja baz - posredovati posredniški molekuli: RNA (ribonukleinska kislina). Ta proces se imenuje transkripcija.

Da bi prišlo do transkripcije, morajo sodelovati različni encimi, vključno s RNA polimerazo.

Ta encim je odgovoren za kopiranje sporočila DNA in njegovo pretvorbo v molekulo RNA. Z drugimi besedami, namen prepisa je pridobiti sel.

Končno se sporočilo prevede v molekule RNA, zahvaljujoč ribosomom.

Te strukture sprejmejo prenosno RNA in skupaj s prevajalnim strojem tvorijo specificirano beljakovino.

Genetski kod

Sporočilo se bere v "trojčkih" ali skupinah treh črk, ki določajo za aminokislino - strukturne bloke beljakovin. Sporočilo trojčic je mogoče dešifrirati, saj je genetski kod že popolnoma razkrit.

Prevod se vedno začne z aminokislinsko metioninom, ki ga kodira začetni triplet: AUG. "U" predstavlja bazo uracila in je značilen za RNA in nadomešča timin.

Na primer, če ima RNA naslednja sekvenca: AUG CCU CUU UUU UUA se prevede v naslednje aminokisline: metionin, prolin, levcin, fenilalanin in fenilalanin. Upoštevajte, da je možno, da sta dva trojčka - v tem primeru UUU in UUA - koda za isto aminokislino: fenilalanin.

Za to lastnost se pravi, da je genetska koda degenerirana, ker je aminokislina kodirana z več kot enim zaporedjem trojčkov, razen aminokisline metionina, ki narekuje začetek prevajanja..

Postopek se ustavi s specifičnimi končnimi ali zaustavitvenimi trojčki: UAA, UAG in UGA. Znani so pod imeni oker, oranž in opal. Ko jih ribosom zazna, ne morejo več dodajati več aminokislin v verigo.

Kemične in fizikalne lastnosti

Nukleinske kisline so kisle narave in so topne v vodi (hidrofilne). Lahko se pojavi tvorba vodikovih vezi med fosfatnimi skupinami in hidroksilnimi skupinami pentoz z vodo. Pri fiziološkem pH je negativno nabit.

Raztopine DNK so visoko viskozne zaradi sposobnosti odpornosti na deformacijo dvojne vijačnice, ki je zelo tog. Viskoznost se zmanjša, če je nukleinska kislina enojna.

So zelo stabilne molekule. Logično je, da mora biti ta funkcija nepogrešljiva v strukturah, ki nosijo genetsko informacijo. V primerjavi z RNA je DNA veliko bolj stabilna, ker nima hidroksilne skupine.

DNK se lahko denaturira s toploto, tj. Se verigi ločijo, ko je molekula izpostavljena visokim temperaturam.

Količina toplote, ki jo je treba uporabiti, je odvisna od deleža G-C molekule, ker so te baze povezane s tremi vodikovimi vezmi, kar povečuje odpornost na ločevanje..

Kar se tiče absorpcije svetlobe, imajo vrhunec pri 260 nanometrih, ki se poveča, če je nukleinska kislina enojna, saj izpostavljajo obročke nukleotidov in so odgovorni za absorpcijo..

Evolucija

Po Lazcanu et al. 1988 DNK nastaja v fazah prehoda iz RNA, ki je eden najpomembnejših dogodkov v zgodovini življenja.

Avtorji predlagajo tri faze: prvo obdobje, ko so obstajale molekule, podobne nukleinskim kislinam, kasneje so nastali genomi iz RNA in kot zadnja faza so se pojavili dvofrekvenčni genomi DNA.

Nekateri dokazi podpirajo teorijo o primarnem svetu, ki temelji na RNA. Prvič, sinteza beljakovin se lahko pojavi v odsotnosti DNA, ne pa tudi, če RNA manjka. Poleg tega so odkrili molekule RNA s katalitskimi lastnostmi.

Kar zadeva sintezo deoksiribonukleotida (prisotnega v DNA), vedno prihajajo iz redukcije ribonukleotidov (prisotnih v RNA)..

Evolucijska inovacija molekule DNK mora zahtevati prisotnost encimov, ki sintetizirajo prekurzorje DNA in sodelujejo pri retrotranspikciji RNA..

S proučevanjem trenutnih encimov lahko sklepamo, da so se ti proteini razvili večkrat in da je prehod iz RNA v DNA bolj zapleten, kot smo mislili prej, vključno s procesi prenosa genov in izgube ter neortoloških nadomestkov..

Zaporedje DNA

Zaporedje DNK je sestavljeno iz razjasnitve zaporedja verige DNK v smislu štirih osnov, ki jo sestavljajo.

Poznavanje tega zaporedja je zelo pomembno v bioloških znanostih. Lahko se uporablja za razlikovanje med dvema morfološko zelo podobnima vrstama, za odkrivanje bolezni, patologij ali parazitov in celo za forenzično uporabo..

Zaporedje Sangerja je bilo razvito v 19. stoletju in je tradicionalna tehnika za razjasnitev zaporedja. Kljub svoji starosti je to veljavna metoda, ki jo raziskovalci pogosto uporabljajo.

Sangerjeva metoda

Metoda uporablja DNA polimerazo, visoko zanesljiv encim, ki replicira DNK v celicah in sintetizira novo verigo DNA z uporabo druge že obstoječe smernice. Encim zahteva a prvi ali primer za začetek sinteze. Primer je majhna molekula DNA, ki je komplementarna molekuli, ki jo želite zaporedoma zaporedje.

V reakciji dodamo nukleotide, ki jih bo encim vključil v novo verigo DNA.

Poleg "tradicionalnih" nukleotidov metoda vključuje vrsto dideoksinukleotidov za vsako bazo. Razlikujejo se od standardnih nukleotidov v dveh značilnostih: strukturno ne omogočajo, da DNA polimeraza dodaja več nukleotidov hčerinski verigi in ima drugačen fluorescenčni marker za vsako bazo..

Rezultat so različne molekule DNK različne dolžine, saj so bili dideoksinukleotidi naključno vključeni in ustavili proces replikacije v različnih fazah.

Različne molekule lahko ločimo glede na njihovo dolžino in identiteto nukleotidov odčitamo z oddajanjem svetlobe iz fluorescentne oznake..

Zaporedje nove generacije

Tehnike sekvenciranja, razvite v zadnjih letih, omogočajo množično analizo milijonov vzorcev hkrati.

Med najbolj izstopajočimi metodami je pirosekvenciranje, sekvenciranje s sintezo, sekvenciranje z ligacijo in sekvenciranje naslednje generacije z Ionom Torrentom..

Reference

  1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., et al. (2002). Molekularna biologija celice. 4. izdaja. New York: Garland Science. Struktura in funkcija DNK. Na voljo na: ncbi.nlm.nih.gov/
  2. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., et al. (2002). Molekularna biologija celice. 4. izdaja. New York: Garland Science. Kromosomska DNA in njeno pakiranje v kromatinsko vlakno. Na voljo na: ncbi.nlm.nih.gov
  3. Berg, J.M., Tymoczko, J.L., Stryer, L. (2002). Biokemija 5. izdaja. New York: W H Freeman. Razdelek 27.1, DNK lahko prevzame različne strukturne oblike. Na voljo na: ncbi.nlm.nih.gov
  4. Fierro, A. (2001). Kratka zgodovina odkritja strukture DNK. Rev Med Clinic Las Condes, 20, 71-75.
  5. Forterre, P., Filée, J. in Myllykallio, H. (2000-2013) Izvor in razvoj strojev za replikacijo DNK in DNA. V: Zbirka podatkov Biomedicina Madame Curie [Internet] Austin (TX): Landes Bioscience. Na voljo na: ncbi.nlm.nih.gov
  6. Lazcano, A., Guerrero, R., Margulis, L., & Oro, J. (1988). Evolucijski prehod iz RNA v DNA v zgodnjih celicah. Revija molekularne evolucije, 27(4), 283-290.
  7. Lodish, H., Berk, A., Zipursky, S.L., et al. (2000). Molekularna celična biologija. 4. izdaja. New York: W. H. Freeman. Razdelek 9.5, Organiziranje celične DNA v kromosome. Na voljo na: ncbi.nlm.nih.gov/books
  8. Voet, D., Voet, J.G., & Pratt, C.W. (1999). Osnove biokemije. Novo York: John Willey in Sons.