Povijest DNA, funkcije, struktura, komponente



DNA (deoksiribonukleinska kiselina) je biomolekul koji sadrži sve informacije potrebne za stvaranje organizma i održavanje njegovog funkcioniranja. Sastoji se od jedinica koje se nazivaju nukleotidi, nastale kao posljedica fosfatne skupine, molekule šećera od pet ugljika i dušične baze.

Postoje četiri dušične baze: adenin (A), citozin (C), gvanin (G) i timin (T). Adenin se uvijek sparuje s timinom i gvaninom s citozinom. Poruka sadržana u pramenu DNA transformira se u RNA za glasnike i ona sudjeluje u sintezi proteina.

DNA je ekstremno stabilna molekula, negativno nabijena na fiziološkom pH, koja je povezana s pozitivnim proteinima (histonima) kako bi se učinkovito kompaktirala u jezgri eukariotskih stanica. Dugi lanac DNA, zajedno s različitim srodnim proteinima, tvori kromosom.

indeks

  • 1 Povijest
  • 2 Komponente
  • 3 Struktura
    • 3.1. Chargaffov zakon
    • 3.2 Model dvostruke zavojnice
  • 4 Organizacija
    • 4.1 Histoni
    • 4.2 Nukleosomi i 30 nm vlakna
    • 4.3. Kromosomi
    • 4.4 Organizacija u prokariotima
    • 4.5 Količina DNA
  • Strukturni oblici DNA
    • 5.1 DNA-A
    • 5.2 ADN-Z
  • 6 Funkcije
    • 6.1. Replikacija, transkripcija i prijevod
    • 6.2. Genetski kod
  • 7 Kemijska i fizikalna svojstva
  • 8 Evolucija
  • DNA sekvenciranje
    • 9.1 Sanger metoda
  • 10 Sekvenciranje nove generacije
  • 11 Reference

povijest

Godine 1953. Amerikanac James Watson i Britanac Francis Crick uspjeli su razjasniti trodimenzionalnu strukturu DNA, zahvaljujući radu u kristalografiji koju su proveli Rosalind Franklin i Maurice Wilkins. Također su svoje zaključke temeljili na djelima drugih autora.

Izlaganje DNA rendgenskim zrakama tvori difrakcijski uzorak koji se može koristiti za zaključivanje strukture molekule: heliks dva antiparalelna lanca koji se okreću udesno, gdje su oba lanca povezana vodikovim vezama između baza , Dobiveni uzorak bio je sljedeći:

Struktura se može pretpostaviti zakonima Braggove difrakcije: kada se objekt umetne u sredinu snopa X zraka, on se reflektira, budući da elektroni objekta interagiraju s zrakom.

25. travnja 1953. rezultati Watsona i Cricka objavljeni su u prestižnom časopisu priroda, u članku na dvije stranice pod nazivom "Molekularna struktura nukleinskih kiselinaTo bi potpuno revolucioniralo polje biologije.

Zahvaljujući tom otkriću, istraživači su 1962. dobili Nobelovu nagradu za medicinu, osim Franklina koji je umro prije porođaja. Trenutno je ovo otkriće jedan od najvećih pokazatelja uspjeha znanstvene metode za stjecanje novih znanja.

komponente

Molekula DNA sastoji se od nukleotida, jedinica koje čine šećer od pet ugljika vezanih za fosfatnu skupinu i dušikovu bazu. Tip šećera koji se nalazi u DNA je tipa deoksiriboze, pa stoga i njegovo ime, dezoksiribonukleinska kiselina.

Kako bi oblikovali lanac, nukleotidi su kovalentno vezani fosfodiesterskom vezom pomoću 3'-hidroksilne skupine (-OH) iz jednog šećera i 5'-fosfofa iz sljedećeg nukleotida.

Nemojte brkati nukleotide s nukleozidima. Ovo posljednje se odnosi na dio nukleotida koji nastaje samo pentozom (šećer) i dušikovom bazom.

DNA se sastoji od četiri vrste dušičnih baza: adenin (A), citozin (C), gvanin (G) i timin (T).

Azotne baze razvrstane su u dvije kategorije: purini i pirimidini. Prvu skupinu čine prsten od pet atoma pridruženih drugom prstenu od šest, dok su pirimidini sastavljeni od jednog prstena.

Od navedenih baza adenin i gvanin su derivati ​​purina. Nasuprot tome, skupina pirimidina pripada timinu, citozinu i uracilu (prisutna u molekuli RNA).

struktura

Molekula DNA sastoji se od dva nukleotidna lanca. Taj "lanac" poznat je kao lanac DNA.

Dva lanca spojena su vodikovim vezama između komplementarnih baza. Azotne baze kovalentno su povezane s kosturom šećera i fosfata.

Svaki nukleotid smješten u jednom lancu može se povezati s drugim specifičnim nukleotidom drugog lanca, da se dobije poznata dvostruka spirala. Da bi se stvorila učinkovita struktura, A uvijek se povezuje s T pomoću dva vodikova mosta, a G sa C pomoću tri mosta.

Chargaffov zakon

Ako proučavamo proporcije dušičnih baza u DNA, otkrit ćemo da je količina A identična količini T i ista je s G i C. Ovaj uzorak je poznat kao Chargaffov zakon.

Ovo sparivanje je energetski povoljno, jer omogućuje očuvanje slične širine duž strukture, održavajući sličnu udaljenost duž molekule kostura šećer-fosfat. Imajte na umu da je baza prstena povezana s jednim prstenom.

Model dvostruke zavojnice

Predlaže se da je dvostruka zavojnica sastavljena od 10,4 nukleotida po zavoju, odvojeno razmakom od centra do centra od 3,4 nanometra. Postupak valjanja dovodi do stvaranja žljebova u strukturi, pri čemu se može uočiti glavni i manji žlijeb.

Žljebovi nastaju jer glikozidne veze u parovima baza nisu jedna nasuprot druge, s obzirom na njihov promjer. U malom žlijebu su pirimidin O-2 i purinski N-3, dok se glavni žlijeb nalazi u suprotnom području.

Ako koristimo analogiju ljestava, prečke se sastoje od parova baza koji se međusobno dopunjuju, dok kostur odgovara dvjema rukama.

Krajevi DNA molekule nisu isti, pa govorimo o "polaritetu". Jedan od njegovih krajeva, 3 ', nosi -OH skupinu, dok 5' kraj ima slobodnu fosfatnu skupinu.

Dva lanca su smještena antiparalelno, što znači da se nalaze nasuprot njihovim polaritetima, kako slijedi:

Osim toga, slijed jedne od niti mora biti komplementaran sa svojim partnerom, ako je pronađen položaj A, u antiparalelnom nizu mora postojati T.

organizacija

U svakoj ljudskoj stanici nalazi se otprilike dva metra DNA koja mora biti učinkovito pakirana.

Pramen mora biti zbijen tako da može biti sadržan u mikroskopskoj jezgri promjera 6 μm koja zauzima samo 10% volumena stanice. To je moguće zahvaljujući sljedećim razinama zbijanja:

histoni

Kod eukariota postoje proteini nazvani histoni, koji imaju sposobnost vezanja na molekulu DNA, što je prva razina zbijanja trake. Histoni imaju pozitivne naboje da bi mogli interakirati s negativnim nabojem DNA, koje doprinose fosfati.

Histoni su tako važni proteini za eukariotske organizme koji su praktički nepromjenjivi tijekom evolucije - podsjećajući da niska stopa mutacija ukazuje da su selektivni pritisci na ovu molekulu jaki. Kvar histona može dovesti do neispravnog zbijanja DNA.

Histoni se mogu biokemijski modificirati i taj proces mijenja razinu zbijanja genetskog materijala.

Kada su histoni "hipoacetilirani" kromatin je više kondenziran, jer acetilirani oblici neutraliziraju pozitivne naboje lizina (pozitivno nabijenih aminokiselina) u proteinu.

Nukleosomi i 30 nm vlakna

DNA lanac je smotan u histone i oblikuje strukture koje nalikuju zrncima biserne ogrlice, nazvane nukleosomi. U središtu ove strukture su dvije kopije svake vrste histona: H2A, H2B, H3 i H4. Sjedinjenje različitih histona naziva se "histonski oktamer".

Oktamer je okružen sa 146 pari baza, dajući manje od dva okreta. Ljudska diploidna stanica sadrži približno 6,4 x 109 nukleotida koji su organizirani u 30 milijuna nukleosoma.

Organizacija u nukleosomima omogućuje kompaktiranje DNA u više od trećine svoje izvorne duljine.

U procesu ekstrakcije genetskog materijala u fiziološkim uvjetima uočeno je da su nukleosomi raspoređeni u vlaknu od 30 nanometara.

kromosomi

Kromosomi su funkcionalna jedinica nasljeđivanja, čija je funkcija nositi gene pojedinca. Gen je segment DNA koji sadrži informacije za sintezu proteina (ili niza proteina). Međutim, postoje i geni koji kodiraju regulatorne elemente, kao što je RNA.

Sve ljudske stanice (osim gameta i krvnih eritrocita) imaju dvije kopije svakog kromosoma, jednu naslijedenu od oca, a drugu od majke.

Kromosomi su strukture sastavljene od dugog linearnog dijela DNA koji je povezan s gore spomenutim proteinskim kompleksima. Normalno kod eukariota, sav genetski materijal uključen u jezgru podijeljen je u niz kromosoma.

Organizacija prokariota

Prokarioti su organizmi kojima nedostaje jezgra. Kod ovih vrsta genetski materijal je visoko namotan zajedno s alkalnim proteinima niske molekularne mase. Na taj se način DNA kompaktira i nalazi se u središnjoj regiji bakterije.

Neki autori ovu strukturu obično nazivaju "bakterijski kromosom", iako ne predstavlja iste karakteristike eukariotskog kromosoma.

Količina DNA

Nisu sve vrste organizama sadržavale istu količinu DNA. U stvari, ova vrijednost je vrlo varijabilna između vrsta i ne postoji odnos između količine DNA i složenosti organizma. Ova kontradikcija poznata je kao "paradoks C vrijednosti".

Logično zaključivanje bilo bi intuitivno shvatiti da što je organizam složeniji, to više ima DNA. Međutim, to nije istina u prirodi.

Na primjer, genom pluća Protopterus aethiopicus veličina je 132 pg (DNA se može kvantificirati u pikogramima = pg), dok ljudski genom teži samo 3,5 pg.

Zapamtite da nisu svi DNK organizma kodovi za proteine, velika količina toga je povezana s regulatornim elementima i različitim tipovima RNA.

Strukturni oblici DNA

Watsonov i Crickov model, izveden iz rendgenskih difrakcijskih uzoraka, poznat je kao spirala B-DNA i "tradicionalni" i najpoznatiji model. Međutim, postoje još dva različita oblika, nazvana DNA-A i DNA-Z.

DNA-A

Varijanta "A" se okreće udesno, baš kao i DNA-B, ali je kraća i šira. Ovaj se obrazac pojavljuje kada se smanjuje relativna vlažnost.

DNA-A se rotira svakih 11 parova baza, glavni žlijeb je uži i dublji od B-DNA. Što se tiče manjeg žlijeba, ovo je više površno i široko.

Z-DNA

Treća varijanta je Z-DNA. To je najuži oblik, kojeg čini skupina heksanukleotida organiziranih u dupleks antiparalelnih lanaca. Jedna od najupečatljivijih značajki ovog oblika je to što se okreće ulijevo, dok druga dva oblika to rade desno.

Z-DNA se pojavljuje kada postoje kratki nizovi naizmjeničnih pirimidina i purina. Veći žlijeb je ravan, a manji je uži i dublji u usporedbi s B-DNA.

Iako je u fiziološkim uvjetima DNA molekula uglavnom u B obliku, postojanje dviju opisanih varijanti otkriva fleksibilnost i dinamičnost genetskog materijala..

funkcije

Molekula DNA sadrži sve informacije i upute potrebne za izgradnju organizma. Naziva se kompletan skup genetskih informacija u organizmima genom.

Poruka je kodirana "biološkom abecedom": četiri prethodno spomenute baze, A, T, G i C.

Poruka može dovesti do stvaranja različitih tipova proteina ili kodiranja za neki regulatorni element. Postupak kojim te baze mogu dostaviti poruku objašnjen je u nastavku:

Replikacija, transkripcija i prijevod

Poruka koja je šifrirana u četiri slova A, T, G i C daje kao rezultat fenotip (nisu svi DNA sljedovi kodirani za proteine). Da bi se to postiglo, DNA se mora replicirati u svakom procesu stanične diobe.

Replikacija DNA je polukonzervativna: lanac služi kao predložak za formiranje nove molekule kćeri. Različiti enzimi kataliziraju replikaciju, uključujući DNA primazu, DNA helikazu, DNA ligazu i topoizomerazu.

Nakon toga, poruka - napisana u jeziku osnovnog slijeda - mora se prenijeti na intermedijarnu molekulu: RNA (ribonukleinska kiselina). Taj se proces naziva transkripcija.

Da bi došlo do transkripcije, moraju sudjelovati različiti enzimi, uključujući RNA polimerazu.

Ovaj enzim je odgovoran za kopiranje DNA poruke i pretvaranje u molekulu RNA. Drugim riječima, svrha transkripcije je dobiti glasnika.

Konačno, poruka se prevodi u molekule RNA glasnika, zahvaljujući ribosomima.

Ove strukture uzimaju RNK i zajedno sa strojem za prevođenje oblikuju specificirani protein.

Genetski kod

Poruka se čita u "trojkama" ili grupama od tri slova koja određuju za aminokiselinu - strukturne blokove proteina. Moguće je dešifrirati poruku trojki jer je genetski kod već potpuno otkriven.

Prijevod uvijek počinje s aminokiselinom metioninom, koja je kodirana početnim tripletom: AUG. "U" predstavlja bazu uracila i karakterističan je za RNA i zamjenjuje timin.

Na primjer, ako glasnička RNA ima sljedeći slijed: AUG CCU CUU UUU UUA, preveden je u sljedeće aminokiseline: metionin, prolin, leucin, fenilalanin i fenilalanin. Imajte na umu da je moguće da dvije trojke - u ovom slučaju UUU i UUA - šifriraju istu aminokiselinu: fenilalanin.

Za ovo svojstvo, kaže se da je genetski kod degeneriran, budući da je aminokiselina kodirana s više od jedne sekvence trojki, osim aminokiseline metionina koja diktira početak prevođenja..

Proces se zaustavlja s posebnim trojkama za završetak ili zaustavljanje: UAA, UAG i UGA. Poznati su pod nazivima oker, jantar i opal. Kada ih ribosom detektira, više ne mogu dodavati više aminokiselina u lanac.

Kemijska i fizikalna svojstva

Nukleinske kiseline su kisele prirode i topljive su u vodi (hidrofilne). Može doći do stvaranja vodikovih veza između fosfatnih skupina i hidroksilnih skupina pentoza s vodom. On je negativno nabijen na fiziološkom pH.

Rastvori DNA su visoko viskozni, zbog sposobnosti otpornosti na deformaciju dvostruke spirale, koja je vrlo kruta. Viskoznost se smanjuje ako je nukleinska kiselina jednolančana.

To su vrlo stabilne molekule. Logično, ova značajka mora biti neophodna u strukturama koje nose genetsku informaciju. U usporedbi s RNA, DNA je mnogo stabilnija jer joj nedostaje hidroksilna skupina.

DNK se može denaturirati toplinom, tj. Niti se odvajaju kada je molekula izložena visokim temperaturama.

Količina topline koja se mora primijeniti ovisi o postotku G-C molekule, jer su te baze spojene s tri vodikove veze, povećavajući otpornost na odvajanje..

Što se tiče apsorpcije svjetlosti, oni imaju pik na 260 nanometara, koji se povećava ako je nukleinska kiselina jednolančana, jer izlažu prstenove nukleotida i oni su odgovorni za apsorpciju..

evolucija

Prema Lazcanu i sur. 1988. DNK nastaje u fazama prijelaza iz RNA, kao jedan od najvažnijih događaja u povijesti života.

Autori predlažu tri faze: prvo razdoblje u kojem su postojale molekule slične nukleinskim kiselinama, kasnije su nastali genomi od RNA i kao posljednja faza pojavili su se dvostruki DNK genomi.

Neki dokazi podupiru teoriju o primarnom svijetu baziranom na RNA. Prvo, sinteza proteina može se dogoditi u odsutnosti DNA, ali ne i kada nedostaje RNA. Osim toga, otkrivene su RNA molekule s katalitičkim svojstvima.

Što se tiče sinteze deoksiribonukleotida (prisutnog u DNA) oni uvijek dolaze iz redukcije ribonukleotida (prisutnih u RNA).

Evolucijska inovacija molekule DNA morala je zahtijevati prisutnost enzima koji sintetiziraju prekursore DNA i sudjeluju u retrotranspikciji RNA.

Proučavanjem trenutnih enzima može se zaključiti da su se ti proteini razvili nekoliko puta i da je prijelaz iz RNK u DNA složeniji nego što se prije mislilo, uključujući procese prijenosa gena i gubitka i neortolozne zamjene..

DNA sekvenciranje

Sekvenciranje DNA sastoji se u rasvjetljavanju sekvence DNA lanca u smislu četiri baze koje ga čine.

Poznavanje tog slijeda od velike je važnosti u biološkim znanostima. Može se koristiti za razlikovanje između dvije morfološki vrlo slične vrste, za otkrivanje bolesti, patologija ili parazita, pa čak i za forenzičku primjenjivost..

Sekvenca Sanger-a razvijena je 1900-ih i tradicionalna je tehnika za razjašnjavanje niza. Unatoč svojoj dobi, to je valjana metoda koju široko koriste istraživači.

Sanger-ova metoda

Metoda koristi DNA polimerazu, visoko pouzdani enzim koji replicira DNA u stanicama, sintetizirajući novi lanac DNA koristeći drugu prethodno postojeću smjernicu. Enzim zahtijeva a prvo ili početnik za početak sinteze. Prajmer je mala molekula DNA komplementarna molekuli koju želite sekvencirati.

U reakciji se dodaju nukleotidi koji će biti ugrađeni u novi lanac DNA pomoću enzima.

Osim "tradicionalnih" nukleotida, metoda uključuje niz dideoksinukleotida za svaku bazu. Oni se razlikuju od standardnih nukleotida u dvije karakteristike: strukturno ne dopuštaju DNA polimerazi da doda više nukleotida u lanac kćeri i ima različiti fluorescentni marker za svaku bazu.

Rezultat je niz različitih molekula DNA različite duljine, budući da su dideoksinukleotidi slučajno ugrađeni i zaustavili su proces replikacije u različitim fazama.

Ova raznolikost molekula može se razdvojiti prema njihovoj dužini i identitet nukleotida se očitava kroz emisiju svjetlosti iz fluorescentne oznake..

Sekvenciranje nove generacije

Tehnike sekvenciranja razvijene posljednjih godina omogućuju masovnu analizu milijuna uzoraka istovremeno.

Među najistaknutijim metodama je pirosekvenciranje, sekvenciranje sintezom, sekvenciranje ligacijom i sekvenciranje u sljedećoj generaciji Ion Torrentom..

reference

  1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., et al. (2002). Molekularna biologija stanice. 4. izdanje. New York: znanost o Garlandu. Struktura i funkcija DNA. Dostupno na: ncbi.nlm.nih.gov/
  2. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., et al. (2002). Molekularna biologija stanice. 4. izdanje. New York: znanost o Garlandu. Kromosomska DNA i njezino pakiranje u vlakna kromatina. Dostupno na: ncbi.nlm.nih.gov
  3. Berg, J.M., Tymoczko, J.L., Stryer, L. (2002). Biokemija. 5. izdanje. New York: W H Freeman. Odjeljak 27.1, DNK može preuzeti različite strukture. Dostupno na: ncbi.nlm.nih.gov
  4. Fierro, A. (2001). Kratka povijest otkrića strukture DNA. Rev Med Clinic Las Condes, 20, 71-75.
  5. Forterre, P., Filée, J. i Myllykallio, H. (2000-2013) Podrijetlo i razvoj mehanizama replikacije DNA i DNA. u: Baza podataka biomedicine Madame Curie [Internet]. Austin (TX): Landes Bioscience. Dostupno na: ncbi.nlm.nih.gov
  6. Lazcano, A., Guerrero, R., Margulis, L., i Oro, J. (1988). Evolucijski prijelaz iz RNA u DNA u ranim stanicama. Časopis molekularne evolucije, 27(4), 283-290.
  7. Lodish, H., Berk, A., Zipursky, S.L., i sur. (2000). Molekularna stanična biologija. 4. izdanje. New York: W. H. Freeman. Odjeljak 9.5, Organiziranje stanične DNA u kromosome. Dostupno na: ncbi.nlm.nih.gov/books
  8. Voet, D., Voet, J.G., & Pratt, C.W. (1999). Temelj biokemije. novi York: John Willey i Sons.