DNA ajalugu, funktsioonid, struktuur, komponendid



The DNA (deoksüribonukleiinhape) on biomolekul, mis sisaldab kogu informatsiooni, mis on vajalik organismi tekitamiseks ja selle toimimise säilitamiseks. See koosneb ühikutest, mida nimetatakse nukleotiidideks, mis on moodustatud fosfaatrühma, viie süsinikuaatomiga suhkrumolekuli ja lämmastiku baasil..

On neli lämmastikku: adeniin (A), tsütosiin (C), guaniin (G) ja tümiin (T). Adeniin paarib tsütosiiniga alati tümiini ja guaniini. DNA ahelas sisalduv sõnum transformeeritakse messenger RNA-ks ja see osaleb valkude sünteesis.

DNA on äärmiselt stabiilne molekul, mis on negatiivselt laetud füsioloogilises pH-s, mis on seotud positiivsete valkudega (histoonid) eukarüootsete rakkude tuumas efektiivselt kompaktseks. DNA pikk ahel koos erinevate seonduvate valkudega moodustab kromosoomi.

Indeks

  • 1 Ajalugu
  • 2 Komponendid
  • 3 Struktuur
    • 3.1 Tolliseadus
    • 3.2 Topelthelix mudel
  • 4 Organisatsioon
    • 4.1 Histoonid
    • 4.2 Nukleosoomid ja 30 nm kiud
    • 4.3 Kromosoomid
    • 4.4 Prokarüootide organisatsioon
    • 4.5 DNA kogus
  • 5 DNA struktuursed vormid
    • 5.1 DNA-A
    • 5.2 ADN-Z
  • 6 Funktsioonid
    • 6.1 Replikatsioon, transkriptsioon ja tõlkimine
    • 6.2 Geneetiline kood
  • 7 Keemilised ja füüsikalised omadused
  • 8 Evolutsioon
  • 9 DNA sekveneerimine
    • 9.1 Sanger-meetod
  • 10 Uue põlvkonna järjestamine
  • 11 Viited

Ajalugu

Aastal 1953 õnnestus Ameerika James Watson ja Briti Francis Crick selgitada DNA kolmemõõtmelist struktuuri tänu Rosalind Franklini ja Maurice Wilkins'i teostatud kristallograafiale. Samuti põhinesid nad teiste autorite töödel.

DNA eksponeerimine röntgenikiirguseks kujutab endast difraktsiooni mustrit, mida saab kasutada molekuli struktuuri leidmiseks: kahe paralleelselt pööratava antiparalleelse ahela spiraal, kus mõlemad ahelad on seotud vesiniksidemetega aluste vahel . Saadud muster oli järgmine:

Struktuuri võib eeldada Braggi difraktsiooni seaduste järgi: kui objekt on paigutatud röntgenikiire keskele, peegeldub see, sest objekti elektronid suhtlevad raadiusega.

25. aprillil 1953 avaldati prestiižses ajakirjas Watsoni ja Cricki tulemused Loodus, kahe lehekülje pealkirjaga "Nukleiinhapete molekulaarne struktuur"See muudaks täielikult bioloogia valdkonda.

Tänu sellele avastusele said teadlased 1962. aastal meditsiinis Nobeli preemia, välja arvatud enne sündi surnud Franklin. Praegu on see avastus üks teaduslike meetodite edukuse uutest teadmistest.

Komponendid

DNA molekul koosneb nukleotiididest, ühikutest, mis on moodustatud viie süsiniku suhkruga, mis on seotud fosfaatrühma ja lämmastiku alusega. DNA-s leiduva suhkru tüüp on deoksüriboosi tüüp ja seega ka selle nimi, desoksüribonukleiinhape.

Keti moodustamiseks on nukleotiidid seotud kovalentselt fosfodiestersidemega 3'-hüdroksüülrühma (-OH) abil ühest suhkrust ja 5'-fosfaatist järgmisest nukleotiidist..

Ärge segage nukleotiide nukleosiididega. Viimane viitab nukleotiidi osale, mis on moodustatud ainult pentoosi (suhkru) ja lämmastiku aluse poolt.

DNA koosneb neljast lämmastikaluse tüübist: adeniin (A), tsütosiin (C), guaniin (G) ja tümiin (T).

Lämmastiku alused liigitatakse kahte kategooriasse: puriinid ja pürimidiinid. Esimene rühm koosneb viiest aatomist koosnevast ringist, mis on ühendatud teise kuue ringiga, samas kui pürimidiinid koosnevad ühest ringist.

Mainitud alustest on adeniin ja guaniin puriinide derivaadid. Seevastu pürimidiinide rühm kuulub tümiini, tsütosiini ja uratsiili (RNA molekulis) hulka..

Struktuur

DNA molekul koosneb kahest nukleotiidahelast. Seda "ahelat" tuntakse DNA ahelana.

Kaks ahelat on ühendatud vesiniksidemetega komplementaarsete aluste vahel. Lämmastiku alused on kovalentselt seotud suhkrute ja fosfaatide skeletiga.

Iga ühes ahelas paiknev nukleotiid võib olla ühendatud teise ahela teise spetsiifilise nukleotiidiga, et moodustada tuntud topeltheliks. Tõhusa struktuuri loomiseks paistab A alati T-ga kahe vesinik sillaga ja G-ga C-ga kolme silda..

Chargaffi seadus

Kui uurime lämmastiku baaside osakaalu DNA-s, leiame, et A kogus on identne T-ga ja sama G-ga ja C-ga..

See sidumine on energiliselt soodne, kuna see võimaldab säilitada sarnast laiust mööda struktuuri, säilitades samasuguse vahemaa mööda suhkru-fosfaadi skeleti molekuli. Pange tähele, et rõnga alus on ühendatud ühe ringiga.

Topeltheliksi mudel

Tehakse ettepanek, et topelthelix koosneb 10,4 nukleotiidist pöörde kohta, eraldatuna keskmisest keskpunktist 3,4 nanomeetrit. Valtsimisprotsess tekitab struktuuris soonte moodustumise, mis on võimeline jälgima suurt ja väiksemat soont.

Sooned tekivad seetõttu, et aluspaarides olevad glükosiidsidemed ei ole nende läbimõõdu suhtes teineteise vastas. Väiksemas soones on pürimidiin O-2 ja puriin N-3, samas kui peamine soon asub vastassuunas.

Kui kasutame redeli analoogiat, koosnevad korpused üksteist täiendavatest aluspaaridest, samas kui skelett vastab kahele haarderööbale.

DNA molekuli otsad ei ole samad, seega räägime "polaarsusest". Üks selle otsadest, 3 ', kannab -OH rühma, samas kui 5'-otsas on vaba fosfaatrühm.

Need kaks kihti paiknevad paralleelselt, mis tähendab, et need paiknevad nende polaarsuse vastas:

Lisaks peab ühe niidi järjestus olema oma partneri suhtes täiendav, kui see on A-positsioon, siis peab paralleelkeermes olema T.

Organisatsioon

Igas inimrakus on umbes kaks meetrit DNA-d, mis tuleb tõhusalt pakendada.

Juht tuleb tihendada nii, et see võib olla 6 μm läbimõõduga mikroskoopilises südamikus, mis moodustab ainult 10% raku mahust. See on võimalik tänu järgmistele tihendustasemetele:

Histoonid

Eukarüootides on valke, mida nimetatakse histoonideks, millel on võime seonduda DNA molekuliga, olles esimene ahela tihendamise tase. Histoonidel on positiivsed laengud, et nad saaksid interakteeruda fosfaatide poolt põhjustatud DNA negatiivsete laengutega.

Histoonid on sellised eukarüootsete organismide jaoks olulised valgud, mis on evolutsiooni käigus praktiliselt muutumatud - mäletades, et madal mutatsioonimäär näitab, et sel molekulil on selektiivne surve tugev. Histoonide defekt võib põhjustada DNA defektset tihendamist.

Histoneid saab biokeemiliselt modifitseerida ja see protsess muudab geneetilise materjali tihendamise taset.

Kui histoonid "hüpoatsetüülitakse", on kromatiin kondenseerunud, kuna atsetüülitud vormid neutraliseerivad lüsiini (positiivselt laetud aminohapped) positiivseid laenguid valgus..

Nukleosoomid ja 30 nm kiud

DNA ahel on rullitud histoonidesse ja moodustab struktuure, mis meenutavad pärlkaelakee helmed, mida nimetatakse nukleosoomideks. Selle struktuuri keskmes on iga tüüpi histoonide kaks koopiat: H2A, H2B, H3 ja H4. Erinevate histoonide liitumist nimetatakse "histooni oktameeriks"..

Oktameeri ümbritseb 146 paari alust, andes vähem kui kaks pööret. Inimese diploidne rakk sisaldab ligikaudu 6,4 x 109 nukleotiidid, mis on organiseeritud 30 miljoni nukleosoomiga.

Nukleosoomide organisatsioon võimaldab DNA-d tihendada rohkem kui kolmandiku ulatuses oma algsest pikkusest.

Geneetilise materjali ekstraheerimise protsessis füsioloogilistes tingimustes täheldatakse, et nukleosoomid on paigutatud 30 nanomeetrise kiududena..

Kromosoomid

Kromosoomid on pärilikkuse funktsionaalne üksus, mille funktsiooniks on üksikisiku geenide kandmine. Geen on DNA segment, mis sisaldab informatsiooni valgu (või valkude seeria) sünteesimiseks. Siiski on olemas ka geene, mis kodeerivad regulatiivseid elemente, nagu RNA.

Kõigil inimese rakkudel (välja arvatud sugurakud ja vere erütrotsüüdid) on iga kromosoomi kaks koopiat, üks pärineb isalt ja teiselt emalt.

Kromosoomid on struktuurid, mis koosnevad ülalpool mainitud valgu kompleksidega seotud DNA pikast lineaarsest osast. Tavaliselt jagatakse eukarüootides kõik tuumasse kuuluv geneetiline materjal kromosoomide seeriasse.

Organisatsioon prokarüootides

Prokarüootid on organismid, millel puudub tuum. Nendes liikides on geneetiline materjal tugevalt kokku keritud koos madala molekulmassiga leeliseliste valkudega. Sel viisil on DNA tihendatud ja paikneb bakteri keskosas.

Mõned autorid tähistavad tavaliselt seda struktuuri "bakteriaalne kromosoom", kuigi see ei anna eukarüootsele kromosoomile samu omadusi..

DNA kogus

Mitte kõik organismiliigid ei sisalda sama kogust DNA-d. Tegelikult on see väärtus liikide vahel väga erinev ning DNA koguse ja organismi keerukuse vahel puudub seos. See vastuolu on tuntud kui "C-väärtuse paradoks".

Loogiline põhjendus oleks intuitiivne, et mida keerulisem organism on, seda rohkem on DNA-d. Kuid see ei ole looduses tõsi.

Näiteks lungfishi genoomi Protopterus aethiopicus selle suurus on 132 pg (DNA-d saab kvantifitseerida pikogrammides = pg), samas kui inimese genoomi kaal on ainult 3,5 pg.

Pidage meeles, et mitte kõik organismi DNA ei kodeeri valke, suur osa sellest on seotud reguleerivate elementide ja erinevate RNA tüüpidega.

DNA struktuurilised vormid

Watsoni ja Cricki mudel, mis on tuletatud röntgendifraktsioonimustritest, on tuntud kui B-DNA heeliks ja see on "traditsiooniline" ja kõige tuntum mudel. Siiski on veel kaks erinevat vormi, mida nimetatakse DNA-A ja DNA-Z.

DNA-A

Variant "A" pöörleb paremale, nagu DNA-B, kuid on lühem ja laiem. See vorm ilmub suhtelise niiskuse vähenemise korral.

DNA-A pöörleb iga 11 aluspaari kohta, peamine soon on kitsam ja sügavam kui B-DNA. Väiksema soonega seoses on see pealiskaudne ja lai.

ADN-Z

Kolmas variant on Z-DNA. See on kitsam vorm, mis on moodustatud rühma heksanukleotiide, mis on organiseeritud antiparalleelsete ahelate dupleksis. Selle vormi üks silmatorkavamaid jooni on see, et see pöördub vasakule, samas kui ülejäänud kaks vormi teevad seda paremale.

Z-DNA ilmub, kui esineb lühikesi vahelduvaid pürimidiinide ja puriinide järjestusi. Suurem soon on tasane ja väiksem on B-DNA-ga võrreldes kitsam ja sügavam.

Kuigi füsioloogilistes tingimustes on DNA molekul enamasti oma B-vormis, on kahe kirjeldatud variandi olemasolu geneetilise materjali paindlikkuse ja dünaamilisuse tõttu.

Funktsioonid

DNA molekul sisaldab kogu organismi ehitamiseks vajalikku teavet ja juhiseid. Organisatsioonides nimetatakse kogu geneetilise informatsiooni kogumit genoomi.

Sõnumi kodeerib "bioloogiline tähestik": neli eespool mainitud alust, A, T, G ja C.

Sõnum võib viia erinevate valgu tüüpide moodustumiseni või mõne reguleeriva elemendi kodeerimisele. Järgnevalt selgitatakse protsessi, mille abil need alused saavad sõnumit edastada.

Replikatsioon, transkriptsioon ja tõlkimine

Neljas tähes A, T, G ja C krüpteeritud teade annab tulemuseks fenotüübi (mitte kõik DNA järjestuste koodid valkudele). Selle saavutamiseks peab DNA kõigis rakkude jagunemise protsessides ennast kordama.

DNA replikatsioon on poolkonservatiivne: ahel toimib uue tütarmolekuli moodustumise mallina. Erinevad ensüümid katalüüsivad replikatsiooni, sealhulgas DNA primaasi, DNA helikaasi, DNA ligaasi ja topoisomeraasi.

Järgnevalt tuleb sõnum, mis on kirjutatud baasjärjestuse keeles, edastada vahendaja molekulile: RNA (ribonukleiinhape). Seda protsessi nimetatakse transkriptsiooniks.

Transkriptsiooni tekkimiseks peavad osalema erinevad ensüümid, kaasa arvatud RNA polümeraas.

See ensüüm vastutab DNA-sõnumi kopeerimise ja selle muundamise eest RNS-i molekuliks. Teisisõnu, transkriptsiooni eesmärk on saada sõnumitooja.

Lõpuks tõlgitakse sõnum tänu ribosoomidele sõnumi RNA molekulideks.

Need struktuurid võtavad vastu RNS-i ja moodustavad koos tõlkemehhanismiga kindlaksmääratud valgu.

Geneetiline kood

Sõnumit loetakse "triplettides" või kolme tähega rühmades, mis täpsustavad aminohapet - valkude struktuurseid plokke. Triplettide sõnum on võimalik dešifreerida, sest geneetiline kood on juba täielikult avalikustatud.

Tõlkimine algab alati aminohappe metioniiniga, mida kodeerib algse triplett: AUG. "U" tähistab uratsiilialust ja on iseloomulik RNA-le ja tümiini lisandiks.

Näiteks, kui sõnumivahetaja RNA järjestus on järgmine: AUG CCU CUU UUU UUA, siis teisendatakse see järgmistesse aminohapetesse: metioniin, proliin, leutsiin, fenüülalaniin ja fenüülalaniin. Pange tähele, et on võimalik, et kaks tripletti - antud juhul UUU ja UUA - on sama aminohappe kood: fenüülalaniin.

Selle omaduse puhul öeldakse, et geneetiline kood on degenereerunud, kuna aminohapet kodeerib rohkem kui üks triplettide järjestus, välja arvatud aminohappe metioniin, mis määrab tõlke alguse.

Protsess peatatakse spetsiifiliste lõpetamis- või katkestuskolmikutega: UAA, UAG ja UGA. Neid tuntakse vastavalt okra, merevaigu ja opaalide nimede all. Kui ribosoom neid tuvastab, ei saa nad ahelale enam aminohappeid lisada.

Keemilised ja füüsikalised omadused

Nukleiinhapped on oma olemuselt happelised ja vees lahustuvad (hüdrofiilsed). Fosfaatrühmade ja pentooside hüdroksüülrühmade vahelise vesiniksidemete moodustumine veega võib tekkida. Füsioloogilise pH juures on see negatiivselt laetud.

DNA-lahused on väga viskoossed, kuna neil on võime vastupanu kahekordse spiraali deformatsioonile, mis on väga jäik. Viskoossus väheneb, kui nukleiinhape on üheahelaline.

Nad on väga stabiilsed molekulid. Loogiliselt peab see omadus olema geneetilist informatsiooni kandvates struktuurides hädavajalik. Võrreldes RNA-ga on DNA palju stabiilsem, kuna tal puudub hüdroksüülrühm.

DNA-d saab denatureerida kuumusega, st ahelad eralduvad, kui molekul puutub kokku kõrge temperatuuriga.

Rakendatava soojuse hulk sõltub molekuli G-C protsendist, sest need alused on ühendatud kolme vesiniksidemega, suurendades eraldumist..

Valguse neeldumise osas on neil tipp 260 nanomeetril, mis suureneb, kui nukleiinhape on üheahelaline, kuna nad avaldavad nukleotiidide rõngad ja need vastutavad imendumise eest..

Evolutsioon

Lazcano sõnul et al. 1988 DNA tekib RNA-st ülemineku etappides, mis on üks tähtsamaid sündmusi eluajal.

Autorid pakuvad välja kolm etappi: esimene periood, kus eksisteerisid nukleiinhapetega sarnased molekulid, hiljem genoomid moodustati RNA-st ja viimases etapis ilmusid kaksikriba DNA genoomid.

Mõned tõendid toetavad RNA-l põhineva primaarse maailma teooriat. Esiteks võib valgu süntees toimuda DNA puudumisel, kuid mitte siis, kui RNA puudub. Lisaks on avastatud katalüütiliste omadustega RNA molekulid.

Mis puudutab deoksüribonukleotiidi (mis esineb DNA-s) sünteesi, tulevad nad alati ribonukleotiidide redutseerimisest (esinevad RNA-s).

DNA molekuli evolutsiooniline innovatsioon peab olema nõudnud ensüümide olemasolu, mis sünteesivad DNA prekursoreid ja osalevad RNA retrotranskriptsioonis..

Praeguste ensüümide uurimisel võib järeldada, et need valgud on muutunud mitu korda ja et üleminek RNA-st DNA-le on keerulisem kui varem arvati, kaasa arvatud geeniülekande ja -kaotamise protsessid ning mitteoroloogilised asendused..

DNA sekveneerimine

DNA sekveneerimine seisneb DNA ahela järjestuse selgitamises nelja aluse poolest, mis seda moodustavad.

Selle järjestuse tundmine on bioteadustes väga oluline. Seda saab kasutada kahe morfoloogiliselt väga sarnase liigi eristamiseks, haiguste, patoloogiate või parasiitide avastamiseks ja isegi kohtuekspertiisi rakendamiseks.

Sangeri järjestamine töötati välja 1900-ndatel aastatel ja see on traditsiooniline meetod järjestuse selgitamiseks. Vaatamata vanusele on see kehtiv meetod, mida teadlased laialdaselt kasutavad.

Sangeri meetod

Meetod kasutab DNA polümeraasi, mis on väga usaldusväärne ensüüm, mis replikeerib DNA rakke, sünteesides uut DNA ahelat, kasutades teist olemasolevat suunist. Ensüüm vajab a esiteks või sünteesi alustamiseks praimer. Praimer on väike molekul DNA-st, mis on komplementaarne molekuliga, mida soovite järjestada.

Reaktsioonis lisatakse nukleotiidid, mis lisatakse ensüümi DNA uude ahelasse.

Lisaks "traditsioonilistele" nukleotiididele hõlmab meetod iga aluse jaoks dideoksünukleotiidide seeriat. Nad erinevad standardsetest nukleotiididest kahel omadusel: struktuuriliselt ei võimalda DNA polümeraas tütarahelale rohkem nukleotiide lisada ja neil on iga aluse jaoks erinev fluorestseeruv marker..

Tulemuseks on erinevad erineva pikkusega DNA molekulid, kuna dideoksünukleotiidid lisati juhuslikult ja peatati replikatsiooniprotsess erinevates etappides.

Seda molekulide mitmekesisust saab eraldada vastavalt nende pikkusele ja nukleotiidide identsust loetakse fluorestsentsmärgise valguse emissiooni kaudu..

Uus põlvkonna järjestus

Viimastel aastatel välja töötatud sekveneerimismeetodid võimaldavad samaaegselt massiliselt analüüsida miljoneid proove.

Kõige olulisemate meetodite hulgas on pürosektsineerimine, sekveneerimine sünteesi teel, sekveneerimine ligeerimise teel ja järgmise põlvkonna sekveneerimine Ion Torrenti abil..

Viited

  1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., et al. (2002). Raku molekulaarbioloogia. 4. väljaanne. New York: Garland Science. DNA struktuur ja funktsioon. Saadaval aadressil: ncbi.nlm.nih.gov/
  2. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., et al. (2002). Raku molekulaarbioloogia. 4. väljaanne. New York: Garland Science. Kromosomaalne DNA ja selle pakendamine kromatiini kiududele. Saadaval aadressil: ncbi.nlm.nih.gov
  3. Berg, J.M., Tymoczko, J.L., Stryer, L. (2002). Biokeemia 5. väljaanne. New York: W H Freeman. Paragrahv 27.1, DNA võib eeldada mitmesuguseid struktuurivorme. Saadaval aadressil: ncbi.nlm.nih.gov
  4. Fierro, A. (2001). DNA struktuuri avastamise lühike ajalugu. Rev Medi kliinik Las Condes, 20, 71-75.
  5. Forterre, P., Filée, J. & Myllykallio, H. (2000-2013) DNA ja DNA replikatsiooni mehhanismide päritolu ja areng. Sisse: Madame Curie bioscience andmebaas [Internet] Austin (TX): Landes Bioscience. Saadaval aadressil: ncbi.nlm.nih.gov
  6. Lazcano, A., Guerrero, R., Margulis, L. ja Oro, J. (1988). Evolutsiooniline üleminek RNA-lt DNA-le varases rakus. Molekulaarse arengu ajakiri, 27(4), 283-290.
  7. Lodish, H., Berk, A., Zipursky, S.L., et al. (2000). Molekulaarrakkude bioloogia. 4. väljaanne. New York: W. H. Freeman. Punkt 9.5, rakulise DNA organiseerimine kromosoomideks. Saadaval aadressil: ncbi.nlm.nih.gov/books
  8. Voet, D., Voet, J. G. & Pratt, C. W. (1999). Biokeemia põhialused. Uus York: John Willey ja Pojad.