DNA-historia, toiminnot, rakenne, komponentit



DNA- (deoksiribonukleiinihappo) on biomolekyyli, joka sisältää kaiken tarvittavan informaation organismin tuottamiseksi ja sen toiminnan ylläpitämiseksi. Se koostuu yksiköistä, joita kutsutaan nukleotideiksi, jotka muodostuvat puolestaan ​​fosfaattiryhmästä, sokerimolekyylistä, jossa on viisi hiiltä ja typpipohjainen emäs.

On olemassa neljä typpipohjaista emästä: adeniini (A), sytosiini (C), guaniini (G) ja tymiini (T). Adeniini parittelee aina tymiinin ja guaniinin kanssa sytosiinin kanssa. DNA-juosteen sisältämä viesti muunnetaan messenger-RNA: ksi ja tämä osallistuu proteiinien synteesiin.

DNA on erittäin stabiili molekyyli, joka on negatiivisesti varautunut fysiologisessa pH: ssa, joka liittyy positiivisiin proteiineihin (histonit) tehokkaasti kompaktoimaan eukaryoottisolujen ytimessä. Pitkä DNA-juoste yhdessä eri assosioitujen proteiinien kanssa muodostaa kromosomin.

indeksi

  • 1 Historia
  • 2 Komponentit
  • 3 Rakenne
    • 3.1
    • 3.2 Kaksoiskierre malli
  • 4 Organisaatio
    • 4.1 Histonit
    • 4.2 Nukleosomit ja 30 nm: n kuitu
    • 4.3 Kromosomit
    • 4.4 Organisaatio prokaryooteissa
    • 4.5 DNA: n määrä
  • 5 DNA: n rakenteelliset muodot
    • 5.1 DNA-A
    • 5.2 ADN-Z
  • 6 Toiminnot
    • 6.1 Replikointi, transkriptio ja käännös
    • 6.2 Geneettinen koodi
  • 7 Kemialliset ja fysikaaliset ominaisuudet
  • 8 Evoluutio
  • 9 DNA-sekvensointi
    • 9.1 Sanger-menetelmä
  • 10 Uuden sukupolven sekvensointi
  • 11 Viitteet

historia

Vuonna 1953 amerikkalainen James Watson ja British Francis Crick onnistuivat selvittämään DNA: n kolmiulotteisen rakenteen Rosalind Franklinin ja Maurice Wilkinsin tekemän kristallografian työn ansiosta. He perustivat päätelmänsä myös muiden tekijöiden teoksiin.

DNA: n altistaminen röntgensäteille muodostaa diffraktiokuvion, jonka avulla voidaan päätellä molekyylin rakenne: kahden antiparalleelisen ketjun helix, jotka kääntyvät oikealle, jolloin molemmat ketjut on kytketty vetysidoksilla emästen välillä . Saatu kuvio oli seuraava:

Rakenne voidaan olettaa noudattamalla Bragg-diffraktion lakeja: kun esine on sijoitettu röntgensäteen keilan keskelle, se heijastuu, koska kohteen elektronit vuorovaikutuksessa säteen kanssa.

25. huhtikuuta 1953 Watsonin ja Crickin tulokset julkaistiin arvostetussa lehdessä luonto, kahden sivun artikkelissa, jonka otsikko onNukleiinihappojen molekyylirakenne", Se olisi täysin mullistava biologian ala.

Tämän löydön ansiosta tutkijat saivat Nobelin lääketieteen palkinnon vuonna 1962 lukuun ottamatta Franklinia, joka kuoli ennen toimitusta. Tällä hetkellä tämä löytö on yksi tieteellisen menetelmän menestyksen suurista eksponenteista uuden tiedon hankkimiseksi.

komponentit

DNA-molekyyli koostuu nukleotideista, yksiköistä, jotka muodostuvat viiden hiilen sokerista, joka on kiinnittynyt fosfaatti- ryhmään ja typpipohjaiseen emäkseen. DNA: ssa esiintyvä sokerityyppi on deoksiriboosityyppiä ja siten sen nimeä, deoksiribonukleiinihappoa.

Ketjun muodostamiseksi nukleotidit on liitetty kovalenttisesti fosfodiesterisidoksella 3'-hydroksyyliryhmän (-OH) avulla yhdestä sokerista ja 5'-fosfaafosta seuraavasta nukleotidista.

Älä sekoita nukleotideja nukleosidien kanssa. Jälkimmäinen viittaa nukleotidin osaan, jonka muodostavat vain pentoosi (sokeri) ja typpipohjainen emäs.

DNA koostuu neljästä typpipohjasta: adeniini (A), sytosiini (C), guaniini (G) ja tymiini (T).

Typpipohjaiset emäkset luokitellaan kahteen luokkaan: puriinit ja pyrimidiinit. Ensimmäinen ryhmä koostuu renkaasta, jossa on viisi atomia, jotka on yhdistetty toiseen kuuteen renkaaseen, kun taas pyrimidiinit koostuvat yhdestä renkaasta.

Mainituista emäksistä adeniini ja guaniini ovat puriinien johdannaisia. Sitä vastoin pyrimidiiniryhmä kuuluu tymiiniin, sytosiiniin ja urasiiliin (läsnä RNA-molekyylissä).

rakenne

DNA-molekyyli koostuu kahdesta nukleotidiketjusta. Tätä "ketjua" kutsutaan DNA-juosteeksi.

Kaksi säikettä liitetään vetysidoksilla komplementaaristen emästen välillä. Typpipitoiset emäkset on liitetty kovalenttisesti sokereiden ja fosfaattien luuraan.

Kukin nukleotidi, joka sijaitsee yhdessä juosteessa, voidaan kytkeä toisen toisen juosteen spesifisen nukleotidin kanssa tunnetun kaksoiskierteen muodostamiseksi. Tehokkaan rakenteen muodostamiseksi A yhdistää aina T: n kahden vetysillan avulla ja G: llä C: llä kolme siltaa.

Chargaffin laki

Jos tutkimme typpeä sisältävien emästen osuutta DNA: ssa, havaitsemme, että A: n määrä on sama kuin T: n määrä ja sama G: n ja C: n kanssa. Tämä kuvio tunnetaan nimellä Chargaffin laki.

Tämä pariliitos on energisesti suotuisa, koska se sallii samanlaisen leveyden pitkin rakennetta säilyttäen samalla etäisyyden sokerifosfaatin luurankomolekyylin pitkin. Huomaa, että renkaan pohja on kytketty yhteen renkaasta.

Kaksinkertaisen heliksin malli

On ehdotettu, että kaksoiskierre koostuu 10,4 nukleotidistä vuorokaudessa, ja se on erotettu keski- ja keskipisteellä 3,4 nanometriä. Valssausprosessi johtaa rakenteiden urien muodostumiseen, joka pystyy havaitsemaan suuren ja pienen uran.

Urat syntyvät, koska emäsparien glykosidisidokset eivät ole vastakkain niiden halkaisijan suhteen. Pienessä urassa on pyrimidiini O-2 ja puriini N-3, kun taas pääuran sijainti on vastakkaisella alueella.

Jos käytämme tikkaiden analogiaa, rungot koostuvat toisiaan täydentävistä peruspareista, kun taas luuranko vastaa kahta tartuntakiskoa.

DNA-molekyylin päät eivät ole samat, joten puhumme "polariteetista". Yksi sen päistä 3 'kuljettaa -OH-ryhmää, kun taas 5'-päässä on vapaa fosfaattiryhmä.

Kaksi säikettä sijaitsevat vastakkain, mikä tarkoittaa, että ne sijaitsevat vastakkain niiden polariteettien kanssa:

Lisäksi jommankumman kierteen järjestyksen täytyy olla kumppaninsa kanssa täydentävä, jos se on A-asema, antiparalleelilangassa on oltava T.

organisaatio

Kussakin ihmissolussa on noin kaksi metriä DNA: ta, jotka on pakattava tehokkaasti.

Nauha on tiivistettävä siten, että se voidaan sijoittaa 6 μm: n mikroskooppiseen ytimeen, joka on vain 10% solun tilavuudesta. Tämä on mahdollista seuraavien tiivistystasojen ansiosta:

histonit

Eukaryooteissa on proteiineja, joita kutsutaan histoneiksi, joilla on kyky sitoutua DNA-molekyyliin, joka on ensimmäinen juosteen tiivistystaso. Histoneilla on positiiviset varaukset voidakseen vuorovaikutuksessa DNA: n negatiivisten varausten kanssa, joita fosfaatit edistävät.

Histonit ovat sellaisia ​​tärkeitä proteiineja eukaryoottisille organismeille, jotka ovat olleet käytännössä muuttumattomia evoluution aikana - muistaa, että alhainen mutaatioiden määrä osoittaa, että selektiiviset paineet tällä molekyylillä ovat vahvoja. Histonien vika voi johtaa DNA: n vialliseen tiivistymiseen.

Histoneja voidaan modifioida biokemiallisesti ja tämä prosessi muuttaa geneettisen materiaalin tiivistymistasoa.

Kun histonit "hypoasetyloidaan", kromatiini on kondensoitunut, koska asetyloidut muodot neutraloivat lysiinien (positiivisesti varautuneiden aminohappojen) positiiviset varaukset proteiinissa.

Nukleosomit ja 30 nm kuitu

DNA-juoste on rullattu histoneihin ja muodostaa rakenteita, jotka muistuttavat helmi-kaulakorun helmiä, nimeltään nukleosomeja. Tämän rakenteen ytimessä on kaksi kopiota kustakin histonityypistä: H2A, H2B, H3 ja H4. Eri histonien liitosta kutsutaan "histoni-oktameeriksi".

Oktameeriä ympäröi 146 paria emäksiä, jolloin saadaan vähemmän kuin kaksi kierrosta. Ihmisen diploidisolu sisältää noin 6,4 x 109 nukleotidit, jotka on järjestetty 30 miljoonaan nukleosomiin.

Nukleosomien organisaatio sallii DNA: n tiivistämisen yli kolmannes alkuperäisestä pituudestaan.

Geneettisen materiaalin uuttamisprosessissa fysiologisissa olosuhteissa havaitaan, että nukleosomit on järjestetty 30 nanometrin kuituun..

kromosomit

Kromosomit ovat perinnöllisyysyksikkö, jonka tehtävänä on kuljettaa yksilön geenejä. Geeni on DNA-segmentti, joka sisältää informaation proteiinin (tai proteiinisarjan) syntetisoimiseksi. On kuitenkin olemassa myös geenejä, jotka koodittavat säätelyelementtejä, kuten RNA: ta.

Kaikilla ihmisen soluilla (lukuun ottamatta sukusoluja ja veren erytrosyyttejä) on kaksi kopiota kustakin kromosomista, yksi periytynyt isältä ja toinen äidiltä.

Kromosomit ovat rakenteita, jotka koostuvat pitkistä lineaarisista DNA-osista, jotka liittyvät edellä mainittuihin proteiinikomplekseihin. Normaalisti eukaryooteissa kaikki ytimessä oleva geneettinen materiaali on jaettu kromosomien sarjaan.

Organisaatio prokaryooteissa

Prokaryootit ovat organismeja, joilla ei ole ydintä. Näissä lajeissa geneettinen materiaali kiertyy voimakkaasti yhdessä pienimolekyylipainoisten emäksisten proteiinien kanssa. Tällä tavoin DNA tiivistetään ja sijaitsee bakteerin keskialueella.

Jotkut kirjoittajat nimittävät tavallisesti tähän rakenteeseen "bakteeri-kromosomi", vaikka se ei esitä samoja eukaryoottisen kromosomin ominaisuuksia.

DNA: n määrä

Kaikki organismien lajit eivät sisällä samaa määrää DNA: ta. Itse asiassa tämä arvo vaihtelee hyvin lajien välillä eikä DNA: n määrän ja organismin monimutkaisuuden välillä ole mitään yhteyttä. Tämä ristiriita tunnetaan "C-arvon paradoksina".

Looginen päättely olisi intuitoida, että mitä monimutkaisempi organismi on, sitä enemmän DNA: ta on. Tämä ei kuitenkaan ole luonteeltaan totta.

Esimerkiksi lungfishin genomi Protopterus aethiopicus sen koko on 132 pg (DNA voidaan kvantifioida pikogrammeina = pg), kun taas ihmisen genomi painaa vain 3,5 pg.

Muista, että kaikki organismin DNA ei koodaa proteiineja, suuri osa tästä liittyy säätelyelementteihin ja erilaisiin RNA-tyyppeihin.

DNA: n rakenteelliset muodot

Watson- ja Crick-malli, joka on johdettu röntgendiffraktiokuvioista, tunnetaan B-DNA-heliksinä ja se on "perinteinen" ja tunnetuin malli. On kuitenkin olemassa kaksi muuta eri muotoa, joita kutsutaan DNA-A: ksi ja DNA-Z: ksi.

DNA-A

Vaihtoehto "A" pyörii oikealle, kuten DNA-B, mutta on lyhyempi ja laajempi. Tämä lomake näkyy, kun suhteellinen kosteus pienenee.

DNA-A pyörii jokaista 11 perusparia kohti, pääuraa on kapeampi ja syvempi kuin B-DNA. Vähemmän uran suhteen tämä on pinnallista ja leveä.

Z-DNA-

Kolmas variantti on Z-DNA. Se on kapein muoto, joka muodostuu heksanukleotidiryhmästä, joka on järjestetty antiparalleeliketjujen dupleksiin. Yksi tämän muodon silmiinpistävimmistä piirteistä on se, että se kääntyy vasemmalle, kun taas kaksi muuta muotoa tekevät sen oikealla.

Z-DNA esiintyy, kun on olemassa lyhyitä sekvenssejä vuorottelevista pyrimidineistä ja puriineista. Suurempi ura on tasainen ja pienempi on kapeampi ja syvempi verrattuna B-DNA: han.

Vaikka fysiologisissa olosuhteissa DNA-molekyyli on enimmäkseen B-muotossaan, näiden kahden muunnoksen olemassaolo paljastaa geneettisen materiaalin joustavuuden ja dynaamisuuden..

tehtävät

DNA-molekyyli sisältää kaikki organisaation rakentamiseen tarvittavat tiedot ja ohjeet. Organismien geneettistä informaatiota kutsutaan kokonaisuudeksi genomin.

Viesti koodataan "biologisella aakkosella": neljä mainittua emästä, A, T, G ja C.

Viesti voi johtaa eri proteiinityyppien muodostumiseen tai koodaamaan jotakin säätelyelementtiä. Seuraavassa selitetään prosessi, jolla nämä emäkset voivat lähettää viestin.

Replikointi, transkriptio ja käännös

Neljällä kirjaimella A, T, G ja C salattu sanoma antaa tuloksena fenotyypin (ei kaikki DNA-sekvenssien koodit proteiineille). Tämän saavuttamiseksi DNA: n täytyy replikoitua jokaisessa solunjakautumisprosessissa.

DNA: n replikaatio on puolisonservatiivinen: nauha toimii templaattina uuden tytärmolekyylin muodostamiseksi. Eri entsyymit katalysoivat replikaatiota, mukaan lukien DNA-primaasi, DNA-helikaasi, DNA-ligaasi ja topoisomeraasi.

Tämän jälkeen perussekvenssikielellä kirjoitettu viesti on lähetettävä välimolekyyliin: RNA (ribonukleiinihappo). Tätä prosessia kutsutaan transkriptioksi.

Jotta transkriptio tapahtuisi, täytyy osallistua eri entsyymejä, mukaan lukien RNA-polymeraasi.

Tämä entsyymi on vastuussa DNA-viestin kopioinnista ja sen muuntamisesta messenger-RNA-molekyyliksi. Toisin sanoen transkription tarkoituksena on saada sanansaattaja.

Lopuksi sanoma muunnetaan Messenger-RNA-molekyyleiksi ribosomien ansiosta.

Nämä rakenteet ottavat messenger-RNA: n ja muodostavat yhdessä käännöskoneen kanssa määrätyn proteiinin.

Geneettinen koodi

Viesti luetaan "kolmoissa" tai kolmen kirjaimen ryhmissä, jotka määrittävät aminohapon - proteiinien rakenteelliset lohkot. Triplettien sanoma on mahdollista purkaa, koska geneettinen koodi on jo täysin paljastettu.

Käännös alkaa aina aminohapon metioniinista, jota koodaa aloitus tripletti: AUG. "U" edustaa urasiilin emästä ja on ominaista RNA: lle ja supplantti tymiiniä.

Esimerkiksi, jos messenger-RNA: lla on seuraava sekvenssi: AUG CCU CUU UUU UUA, se muunnetaan seuraaviin aminohappoihin: metioniiniin, proliiniin, leusiiniin, fenyylialaniiniin ja fenyylialaniiniin. Huomaa, että on mahdollista, että kaksi triplettiä - tässä tapauksessa UUU ja UUA - antavat saman aminohapon: fenyylialaniinin.

Tämän ominaisuuden osalta sanotaan, että geneettinen koodi on rappeutunut, koska aminohappoa koodaa useampi kuin yksi triplettisekvenssi lukuun ottamatta aminohappometioniinia, joka määrää kääntämisen alkamisen.

Prosessi pysäytetään tietyillä lopettamis- tai pysäytys tripleteillä: UAA, UAG ja UGA. Ne tunnetaan nimellä okra, amber ja opaali. Kun ribosomi havaitsee ne, ne eivät enää voi lisätä ketjuun lisää aminohappoja.

Kemialliset ja fysikaaliset ominaisuudet

Nukleiinihapot ovat luonteeltaan happamia ja vesiliukoisia (hydrofiilisiä). Vety- sidosten muodostuminen fosfaatti- ryhmien ja pentoosien hydroksyyliryhmien välillä voi tapahtua vedellä. Se latautuu negatiivisesti fysiologisessa pH: ssa.

DNA-liuokset ovat erittäin viskoosisia, koska ne ovat erittäin jäykkiä kaksoiskierteen deformaatiokyvyn suhteen. Viskositeetti pienenee, jos nukleiinihappo on yksijuosteinen.

Ne ovat erittäin stabiileja molekyylejä. Tämä ominaisuus on loogisesti välttämätön geneettistä informaatiota kantavissa rakenteissa. Verrattuna RNA: han, DNA on paljon vakaampi, koska siinä ei ole hydroksyyliryhmää.

DNA voidaan denaturoida lämmöllä, ts. Säikeet erotetaan, kun molekyyli on alttiina korkeille lämpötiloille.

Käytettävän lämmön määrä riippuu molekyylin G-C-prosenttiosuudesta, koska nämä emäkset liitetään kolmeen vetysidokseen, mikä lisää erotuskykyä.

Valon absorptiossa niiden huippu on 260 nanometriä, mikä kasvaa, jos nukleiinihappo on yksisäikeinen, koska ne paljastavat nukleotidien renkaat ja ne ovat vastuussa absorptiosta.

evoluutio

Lazcanon mukaan et ai. 1988 DNA syntyy siirtymävaiheessa RNA: sta, joka on yksi tärkeimmistä tapahtumista elämän historiassa.

Kirjoittajat ehdottavat kolmea vaihetta: ensimmäinen jakso, jossa oli olemassa nukleiinihappojen kaltaisia ​​molekyylejä, myöhemmin genomit muodostuivat RNA: sta ja viimeisenä vaiheena ilmestyi kaksoisnauhatut DNA-genomit.

Jotkut todisteet tukevat RNA: han perustuvan ensisijaisen maailman teoriaa. Ensinnäkin proteiinisynteesi voi tapahtua ilman DNA: ta, mutta ei, kun RNA puuttuu. Lisäksi on havaittu RNA-molekyylejä, joilla on katalyyttisiä ominaisuuksia.

Mitä tulee deoksiribonukleotidin (joka on läsnä DNA: ssa) synteesiin, ne tulevat aina ribonukleotidien pelkistämisestä (läsnä RNA: ssa).

DNA-molekyylin evoluutioinnovaatiossa on vaadittava sellaisten entsyymien läsnäoloa, jotka syntetisoivat DNA-prekursoreita ja osallistuvat RNA: n retrotranskriptioon.

Tutkimalla nykyisiä entsyymejä voidaan päätellä, että nämä proteiinit ovat kehittyneet useaan kertaan ja että siirtyminen RNA: sta DNA: han on monimutkaisempi kuin aiemmin ajatettiin, mukaan lukien geeninsiirron ja häviämisen prosessit ja ei-ortologiset korvaukset..

DNA-sekvensointi

DNA-sekvensointi koostuu DNA-juosteen sekvenssin selvittämisestä neljän emäksen perusteella, jotka muodostavat sen.

Tämän sekvenssin tuntemus on erittäin tärkeä biologisissa tieteissä. Sitä voidaan käyttää erottamaan kaksi morfologisesti hyvin samanlaista lajia, havaitsemaan sairauksia, patologioita tai loisia ja niillä on jopa oikeuslääketieteellinen sovellettavuus.

Sangerin sekvensointi kehitettiin 1900-luvulla ja se on perinteinen menetelmä sekvenssin selventämiseksi. Ikääntymisestään huolimatta tutkijat käyttävät sitä laajasti.

Sangerin menetelmä

Menetelmässä käytetään DNA-polymeraasia, joka on erittäin luotettava entsyymi, joka replikoi DNA: ta soluissa, syntetisoimalla uuden DNA-ketjun käyttäen toista olemassa olevaa ohjetta. Entsyymi vaatii a ensimmäinen tai alukkeen synteesin aloittamiseksi. Aluke on pieni molekyyli DNA: sta, joka on komplementaarinen molekyylille, jota haluat sekvensoida.

Reaktiossa lisätään nukleotideja, joita entsyymi sisällytetään uuteen DNA-juosteeseen.

"Perinteisten" nukleotidien lisäksi menetelmä sisältää sarjan dideoksinukleotideja kullekin emäkselle. Ne eroavat tavanomaisista nukleotideista kahdella ominaisuudella: rakenteellisesti ne eivät salli DNA-polymeraasin lisätä lisää nukleotideja tyttöketjuun ja niillä on erilainen fluoresoiva merkkiaine jokaiselle emäkselle.

Tuloksena on useita eri pituisia DNA-molekyylejä, koska dideoksinukleotidit sisällytettiin satunnaisesti ja pysäytettiin replikaatioprosessi eri vaiheissa.

Tämä molekyyli- lajike voidaan erottaa niiden pituuden mukaan ja nukleotidien identiteetti luetaan fluoresoivan leiman valon emissiosta..

Uuden sukupolven sekvensointi

Viime vuosina kehitetyt sekvensointitekniikat mahdollistavat miljoonien näytteiden massiivisen analyysin samanaikaisesti.

Merkittävimpiä menetelmiä ovat pyroekvensointi, sekvensointi synteesillä, sekvensointi ligaatiolla ja seuraavan sukupolven sekvensointi Ion Torrentin avulla..

viittaukset

  1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., et ai. (2002). Solun molekyylibiologia. 4. painos. New York: Garland Science. DNA: n rakenne ja toiminta. Saatavilla osoitteessa: ncbi.nlm.nih.gov/
  2. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., et ai. (2002). Solun molekyylibiologia. 4. painos. New York: Garland Science. Kromosomaalinen DNA ja sen pakkaus kromatiinin kuituun. Saatavilla osoitteessa: ncbi.nlm.nih.gov
  3. Berg, J.M., Tymoczko, J.L., Stryer, L. (2002). Biokemia. 5. painos. New York: W H Freeman. Kohta 27.1, DNA voi olettaa monenlaisia ​​rakennemuotoja. Saatavilla osoitteessa: ncbi.nlm.nih.gov
  4. Fierro, A. (2001). DNA-rakenteen löytämisen lyhyt historia. Rev Med Clinic Las Condes, 20, 71-75.
  5. Forterre, P., Filée, J. & Myllykallio, H. (2000-2013) DNA- ja DNA-replikointikoneiden alkuperä ja kehitys. in: Madame Curie Bioscience -tietokanta [Internet]. Austin (TX): Landes Bioscience. Saatavilla osoitteessa: ncbi.nlm.nih.gov
  6. Lazcano, A., Guerrero, R., Margulis, L., & Oro, J. (1988). Evoluutio siirtyminen RNA: sta DNA: han varhaisissa soluissa. Journal of molekulaarinen kehitys, 27(4), 283-290.
  7. Lodish, H., Berk, A., Zipursky, S.L., et ai. (2000). Molekyylisolubiologia. 4. painos. New York: W. H. Freeman. Kohta 9.5, solun DNA: n järjestäminen kromosomeiksi. Saatavilla osoitteessa: ncbi.nlm.nih.gov/books
  8. Voet, D., Voet, J. G. & Pratt, C. W. (1999). Biokemian perusta. uusi York: John Willey ja Sons.