DNA-historie, funksjoner, struktur, komponenter

1561
David Holt

De DNA (deoksyribonukleinsyre) er biomolekylet som inneholder all informasjon som er nødvendig for å generere en organisme og opprettholde dens funksjon. Den består av enheter som kalles nukleotider, består av en fosfatgruppe, et sukkermolekyl med fem karbon og en nitrogenholdig base..

Det er fire nitrogenholdige baser: adenin (A), cytosin (C), guanin (G) og tymin (T). Adenin pares alltid med tymin og guanin med cytosin. Meldingen i DNA-strengen blir transformert til et messenger-RNA, og dette deltar i syntesen av proteiner.

DNA er et ekstremt stabilt molekyl, negativt ladet ved fysiologisk pH, som forbinder med positive proteiner (histoner) for effektivt å komprimere i kjernen til eukaryote celler. En lang DNA-kjede danner sammen med forskjellige tilknyttede proteiner et kromosom.

Artikkelindeks

  • 1 Historie
  • 2 komponenter
  • 3 Struktur
    • 3.1 Chargaffs lov
    • 3.2 Dobbel helixmodell
  • 4 Organisasjon
    • 4.1 Histoner
    • 4.2 Nukleosomer og 30 nm fiber
    • 4.3 Kromosomer
    • 4.4 Organisering i prokaryoter
    • 4.5 Mengde DNA
  • 5 Strukturelle former for DNA
    • 5.1 DNA-A
    • 5.2 Z-DNA
  • 6 funksjoner
    • 6.1 Replikering, transkripsjon og oversettelse
    • 6.2 Den genetiske koden
  • 7 Kjemiske og fysiske egenskaper
  • 8 Evolusjon
  • 9 DNA-sekvensering
    • 9.1 Sangers metode
  • 10 Neste generasjons sekvensering
  • 11 Referanser

Historie

I 1953 klarte amerikaneren James Watson og britiske Francis Crick å belyse den tredimensjonale strukturen til DNA, takket være arbeidet med krystallografi utført av Rosalind Franklin og Maurice Wilkins. De baserte også sine konklusjoner på arbeidet til andre forfattere.

Når DNA blir eksponert for røntgenstråler, dannes et diffraksjonsmønster som kan brukes til å utlede strukturen til molekylet: en helix av to antiparallelle kjeder som roterer til høyre, der begge kjedene er forbundet med hydrogenbindinger mellom basene. . Mønsteret som ble oppnådd var følgende:

Strukturen kan antas etter Braggs diffraksjonslover: når et objekt er plassert i midten av en røntgenstråle, reflekteres det, siden objektets elektroner samhandler med strålen..

25. april 1953 ble resultatene av Watson og Crick publisert i det prestisjetunge magasinet Natur, i en artikkel på bare to sider med tittelen “Molekylær struktur av nukleinsyrer”, Som ville revolusjonere feltet biologi.

Takket være denne oppdagelsen mottok forskerne Nobelprisen i medisin i 1962, med unntak av Franklin som døde før fødselen. Foreløpig er denne oppdagelsen en av de store eksponentene for suksessen til den vitenskapelige metoden for å tilegne seg ny kunnskap.

Komponenter (rediger)

DNA-molekylet består av nukleotider, enheter som består av et sukker med fem karbon bundet til en fosfatgruppe og en nitrogenholdig base. Sukkertypen som finnes i DNA er av deoksyribosetypen og derav navnet deoksyribonukleinsyre..

For å danne kjeden er nukleotidene kovalent bundet av en fosfodiester-type binding gjennom en 3'-hydroksylgruppe (-OH) fra et sukker og 5'-fosfafoen til neste nukleotid.

Nukleotider skal ikke forveksles med nukleosider. Sistnevnte refererer til den delen av nukleotidet som bare dannes av pentose (sukker) og den nitrogenholdige basen.

DNA består av fire typer nitrogenholdige baser: adenin (A), cytosin (C), guanin (G) og tymin (T).

Nitrogenbaser er klassifisert i to kategorier: puriner og pyrimidiner. Den første gruppen består av en ring på fem atomer festet til en annen ring på seks, mens pyrimidinene er sammensatt av en enkelt ring.

Av basene nevnt er adenin og guanin avledet fra puriner. I motsetning til gruppen av pyrimidiner tilhører tymin, cytosin og uracil (til stede i RNA-molekylet).

Struktur

Et DNA-molekyl består av to kjeder av nukleotider. Denne "kjeden" er kjent som en DNA-streng..

De to strengene er koblet sammen med hydrogenbindinger mellom de komplementære basene. Nitrogenbaser er kovalent bundet til en ryggrad i sukker og fosfater.

Hvert nukleotid lokalisert på en streng kan kobles med et annet spesifikt nukleotid på den andre strengen for å danne den velkjente doble helixen. For å danne en effektiv struktur, kobles A alltid med T ved hjelp av to hydrogenbindinger, og G med C ved tre broer..

Chargaffs lov

Hvis vi studerer proporsjoner av nitrogenholdige baser i DNA, vil vi finne at mengden A er identisk med mengden T og den samme med G og C. Dette mønsteret er kjent som Chargaffs lov.

Denne sammenkoblingen er energisk gunstig, siden den gjør det mulig å bevare en lignende bredde gjennom hele strukturen, og opprettholde en lignende avstand langs sukker-fosfat-ryggradsmolekylet. Merk at en base av en ring passer sammen med en av en ring.

Dobbel helix-modell

Det antydes at den dobbelte helixen består av 10,4 nukleotider per sving, atskilt med en sentrum-til-senter-avstand på 3,4 nanometer. Valseprosessen gir opphav til dannelse av spor i strukturen, og er i stand til å observere et større og et mindre spor.

Sporene oppstår fordi glykosidbindinger i baseparene ikke er motsatt hverandre, med hensyn til diameteren. Pyrimidin O-2 og purin N-3 finnes i mindre spor, mens hovedsporet ligger i motsatt region..

Bruker vi analogien til en stige, består trinnene av parene med komplementære baser til hverandre, mens skjelettet tilsvarer de to gripeskinnene..

Endene på DNA-molekylet er ikke de samme, og det er derfor vi snakker om en “polaritet”. En av endene, 3 ', bærer en -OH-gruppe, mens 5'-enden har den frie fosfatgruppen.

De to trådene er plassert antiparallelle, noe som betyr at de ligger motsatt polariteten, som følger:

I tillegg må sekvensen til en av strengene være komplementær til partneren, hvis den er en posisjon er det A, i den antiparallelle strengen må det være en T.

Organisasjon

I hver menneskecelle er det omtrent to meter DNA som må pakkes effektivt.

Strengen må komprimeres slik at den kan være inneholdt i en mikroskopisk kjerne på 6 mikrometer i diameter som bare opptar 10% av cellevolumet. Dette er mulig takket være følgende komprimeringsnivåer:

Histoner

I eukaryoter er det proteiner som kalles histoner, som har evnen til å binde seg til DNA-molekylet, som er det første nivået av komprimering av strengen. Histoner har positive ladninger for å kunne samhandle med de negative ladningene av DNA, gitt av fosfater.

Histoner er proteiner så viktige for eukaryote organismer at de har vært praktisk talt uendret i løpet av evolusjonen - og husker at en lav mutasjonsrate indikerer at det selektive trykket på det molekylet er sterkt. Histonskade kan føre til mangelfull DNA-komprimering.

Histoner kan modifiseres biokjemisk, og denne prosessen endrer komprimeringsnivået til det genetiske materialet.

Når histoner er "hypoacetylert" blir kromatin mer kondensert, siden acetylerte former nøytraliserer de positive ladningene av lysiner (positivt ladede aminosyrer) i proteinet..

Nukleosomer og 30 nm fiber

DNA-strengen vikles inn i histonene, og de danner strukturer som ligner perlene på et perlekjede, kalt nukleosomer. I hjertet av denne strukturen er to kopier av hver type histon: H2A, H2B, H3 og H4. Foreningen av de forskjellige histonene kalles "histonoktamer".

Oktameren er omgitt av ca 146 basepar, som sirkler mindre enn to ganger. En human diploid celle inneholder omtrent 6,4 x 109 nukleotider som er organisert i 30 millioner nukleosomer.

Organisering i nukleosomer gjør at DNA kan komprimeres til mer enn en tredjedel av sin opprinnelige lengde.

I en prosess med ekstraksjon av genetisk materiale under fysiologiske forhold, observeres det at nukleosomer er ordnet i en 30-nanometer fiber.

Kromosomer

Kromosomer er den funksjonelle arvelighetsenheten, hvis funksjon er å bære genene til et individ. Et gen er et segment av DNA som inneholder informasjonen for å syntetisere et protein (eller en serie proteiner). Imidlertid er det også gener som koder for regulatoriske elementer, for eksempel RNA.

Alle menneskelige celler (med unntak av kjønnsceller og røde blodlegemer) har to kopier av hvert kromosom, en arvet fra faren og den andre fra moren.

Kromosomer er strukturer som består av et langt lineært stykke DNA assosiert med proteinkompleksene nevnt ovenfor. Normalt i eukaryoter er alt genetisk materiale som inngår i kjernen delt inn i en serie kromosomer.

Organisering i prokaryoter

Prokaryoter er organismer som mangler en kjerne. I disse artene er det genetiske materialet sterkt kveilet sammen med alkaliske proteiner med lav molekylvekt. På denne måten komprimeres DNA og ligger i en sentral region i bakterien..

Noen forfattere kaller ofte denne strukturen for "bakteriekromosom", selv om den ikke har de samme egenskapene til et eukaryot kromosom..

DNA-mengde

Ikke alle arter av organismer inneholder like mye DNA. Faktisk er denne verdien svært variabel mellom arter, og det er ingen sammenheng mellom DNA-mengden og organismenes kompleksitet. Denne motsetningen er kjent som "C-verdi paradoks".

Den logiske resonnementet vil være å intuitere at jo mer kompleks organismen er, jo mer DNA har den. Dette er imidlertid ikke sant i naturen..

For eksempel lungefiskgenomet Protopterus aethiopicus Det er 132 pg i størrelse (DNA kan kvantifiseres i pikogram = pg) mens det menneskelige genomet bare veier 3,5 pg.

Det må huskes at ikke alt DNA i en organisme koder for proteiner, en stor mengde av dette er relatert til regulatoriske elementer og med de forskjellige typene RNA.

Strukturelle former for DNA

Watson og Crick-modellen, utledet fra røntgendiffraksjonsmønstre, er kjent som B-DNA-helixen og er den “tradisjonelle” og mest kjente modellen. Imidlertid er det to andre forskjellige former, kalt A-DNA og Z-DNA..

DNA-A

"A" -varianten svinger mot høyre, akkurat som B-DNA, men er kortere og bredere. Dette skjemaet vises når relativ fuktighet synker.

A-DNA roterer hvert 11. basepar, hovedsporet er smalere og dypere enn B-DNA. Med hensyn til mindre spor er dette mer overfladisk og bredt.

Z-DNA

Den tredje varianten er Z-DNA. Det er den smaleste formen, dannet av en gruppe heksanukleotider organisert i en dupleks av antiparallelle kjeder. En av de mest fremragende egenskapene til denne formen er at den dreier mot venstre, mens de to andre måtene gjør det til høyre..

Z-DNA vises når det er korte sekvenser av pyrimidiner og puriner alternerende med hverandre. Major sulcus er flat og minor er smal og dypere, sammenlignet med B-DNA.

Selv om DNA-molekylet under fysiologiske forhold hovedsakelig er i sin B-form, avslører eksistensen av de to beskrevne variantene fleksibiliteten og dynamikken til det genetiske materialet..

Funksjoner

DNA-molekylet inneholder all informasjon og instruksjoner som er nødvendige for konstruksjon av en organisme. Det komplette settet med genetisk informasjon i organismer kalles genomet.

Meldingen er kodet av det "biologiske alfabetet": de fire basene som er nevnt tidligere, A, T, G og C.

Meldingen kan føre til dannelse av forskjellige typer proteiner eller kode for noe regulatorisk element. Prosessen ved hvilken disse databasene kan levere en melding er forklart nedenfor:

Replikering, transkripsjon og oversettelse

Meldingen kryptert med de fire bokstavene A, T, G og C resulterer i en fenotype (ikke alle DNA-sekvenser koder for proteiner). For å oppnå dette, må DNA replikere seg selv i hver prosess med celledeling..

DNA-replikasjon er semi-konservativ: en streng fungerer som en mal for dannelsen av det nye dattermolekylet. Ulike enzymer katalyserer replikasjon, inkludert DNA-primase, DNA-helikase, DNA-ligase og topoisomerase..

Deretter må meldingen - skrevet på et basesekvensspråk - overføres til et mellommolekyl: RNA (ribonukleinsyre). Denne prosessen kalles transkripsjon..

For at transkripsjon skal skje, må forskjellige enzymer delta, inkludert RNA-polymerase.

Dette enzymet er ansvarlig for å kopiere DNA-meldingen og konvertere den til et messenger-RNA-molekyl. Målet med transkripsjon er med andre ord å skaffe budbringeren.

Til slutt skjer oversettelsen av meldingen til messenger RNA-molekyler, takket være ribosomene.

Disse strukturene tar messenger RNA og danner sammen med oversettelsesmaskineriet det spesifiserte proteinet..

Den genetiske koden

Meldingen leses i "tripletter" eller grupper med tre bokstaver som spesifiserer for en aminosyre - byggesteinene til proteiner. Det er mulig å dechiffrere budskapet til trillingene siden den genetiske koden allerede er avslørt.

Oversettelse begynner alltid med aminosyren metionin, som er kodet av start tripletten: AUG. "U" representerer basen uracil og er karakteristisk for RNA og erstatter tymin.

For eksempel, hvis messenger-RNA har følgende sekvens: AUG CCU CUU UUU UUA, blir det oversatt til følgende aminosyrer: metionin, prolin, leucin, fenylalanin og fenylalanin. Merk at to tripletter - i dette tilfellet UUU og UUA - kan kode for den samme aminosyren: fenylalanin.

På grunn av denne egenskapen sies det at den genetiske koden er degenerert, siden en aminosyre er kodet av mer enn en sekvens av tripletter, bortsett fra aminosyren metionin, som dikterer begynnelsen av oversettelsen..

Prosessen stoppes med spesifikke stopp- eller stopp-tripletter: UAA, UAG og UGA. De er kjent under navnene henholdsvis oker, rav og opal. Når ribosomet oppdager dem, kan de ikke lenger tilsette flere aminosyrer i kjeden.

Kjemiske og fysiske egenskaper

Nukleinsyrer er sure og er oppløselige i vann (hydrofile). Dannelsen av hydrogenbindinger mellom fosfatgruppene og hydroksylgruppene av pentoser med vann kan forekomme. Det er negativt ladet ved fysiologisk pH.

DNA-løsninger er svært tyktflytende på grunn av deformasjonsmotstandskapasiteten til dobbeltspiralen, som er veldig stiv. Viskositet avtar hvis nukleinsyre er enkeltstrenget.

De er svært stabile molekyler. Logisk sett må denne karakteristikken være uunnværlig i strukturene som bærer genetisk informasjon. Sammenlignet med RNA er DNA mye mer stabilt fordi det mangler en hydroksylgruppe.

DNA kan varmedenatureres, noe som betyr at strengene skilles når molekylet utsettes for høye temperaturer.

Mengden varme som må påføres, avhenger av GC-prosentandelen av molekylet, fordi disse basene er bundet av tre hydrogenbindinger, noe som øker motstanden mot separasjon..

Når det gjelder absorpsjon av lys, har de en topp på 260 nanometer, noe som øker hvis nukleinsyren er enkeltstrenget, siden nukleotidringene er eksponert og disse er ansvarlige for absorpsjonen..

Utvikling

I følge Lazcano et al. 1988 kommer DNA i overgangsfaser fra RNA, og er en av de viktigste hendelsene i livets historie.

Forfatterne foreslår tre trinn: en første periode hvor det var molekyler som ligner på nukleinsyrer, senere ble genomene bygd opp av RNA og som siste trinn oppstod dobbeltbånds-DNA-genomene..

Noen bevis støtter teorien om en primær verden basert på RNA. For det første kan proteinsyntese forekomme i fravær av DNA, men ikke når RNA mangler. I tillegg er det oppdaget RNA-molekyler med katalytiske egenskaper..

Når det gjelder syntesen av deoksyribonukleotider (til stede i DNA) kommer de alltid fra reduksjon av ribonukleotider (til stede i RNA).

Den evolusjonære innovasjonen til et DNA-molekyl må ha krevd tilstedeværelsen av enzymer som syntetiserer DNA-forløpere og deltar i revers transkripsjon av RNA.

Ved å studere nåværende enzymer kan det konkluderes med at disse proteinene har utviklet seg flere ganger, og at overgangen fra RNA til DNA er mer kompleks enn tidligere antatt, inkludert prosesser for overføring og tap av gener og ikke-ortologiske erstatninger..

DNA-sekvensering

DNA-sekvensering består i å belyse sekvensen til DNA-strengen når det gjelder de fire basene som komponerer den.

Kunnskap om denne sekvensen er av største betydning i de biologiske vitenskapene. Den kan brukes til å skille mellom to morfologisk veldig like arter, for å oppdage sykdommer, patologier eller parasitter, og har til og med en rettsmedisinsk anvendbarhet.

Sanger-sekvensering ble utviklet på 1900-tallet og er den tradisjonelle teknikken for å avklare en sekvens. Til tross for alderen er det en gyldig metode og mye brukt av forskere.

Sanger-metoden

Metoden bruker DNA-polymerase, et svært pålitelig enzym som replikerer DNA i celler, og syntetiserer en ny DNA-streng ved hjelp av en eksisterende som en veiledning. Enzymet krever en først eller primer for å starte syntese. Primeren er et lite DNA-molekyl som er komplementært til molekylet som skal sekvenseres.

I reaksjonen tilsettes nukleotider som skal inkorporeres i den nye DNA-strengen av enzymet.

I tillegg til de "tradisjonelle" nukleotidene, inkluderer metoden en serie dideoxynukleotider for hver av basene. De skiller seg fra standard nukleotider i to egenskaper: strukturelt tillater de ikke at DNA-polymerase tilfører flere nukleotider til datterstrengen, og de har en annen fluorescerende markør for hver base.

Resultatet er en rekke DNA-molekyler med forskjellige lengder, siden dideoxynukleotidene ble innlemmet tilfeldig og stoppet replikasjonsprosessen på forskjellige stadier..

Denne variasjonen av molekyler kan skilles ut i henhold til lengden, og identiteten til nukleotidene leses ved hjelp av lysutslipp fra den fluorescerende markøren..

Neste generasjons sekvensering

Sekvenseringsteknikker utviklet de siste årene tillater massiv analyse av millioner av prøver samtidig.

Blant de mest fremragende metodene er pyrosekvensering, sekvensering ved syntese, sekvensering ved ligering og neste generasjons sekvensering av Ion Torrent..

Referanser

  1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., et al. (2002). Molecular Biology of the Cell. 4. utgave. New York: Garland Science. Strukturen og funksjonen til DNA. Tilgjengelig på: ncbi.nlm.nih.gov/
  2. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., et al. (2002). Molecular Biology of the Cell. 4. utgave. New York: Garland Science. Kromosomalt DNA og dets emballasje i kromatinfiberen. Tilgjengelig på: ncbi.nlm.nih.gov
  3. Berg, J.M., Tymoczko, J.L., Stryer, L. (2002). Biokjemi. 5. utgave. New York: W H Freeman. Avsnitt 27.1, DNA kan anta en rekke strukturelle former. Tilgjengelig på: ncbi.nlm.nih.gov
  4. Fierro, A. (2001). Kort historie om oppdagelsen av DNA-strukturen. Rev Méd Clínica Las Condes, tjue, 71-75.
  5. Forterre, P., Filée, J. & Myllykallio, H. (2000-2013) Opprinnelse og utvikling av DNA- og DNA-replikeringsmaskinerier. På: Madame Curie Bioscience Database [Internett]. Austin (TX): Landes Bioscience. Tilgjengelig på: ncbi.nlm.nih.gov
  6. Lazcano, A., Guerrero, R., Margulis, L., & Oro, J. (1988). Den evolusjonære overgangen fra RNA til DNA i tidlige celler. Tidsskrift for molekylær evolusjon, 27(4), 283-290.
  7. Lodish, H., Berk, A., Zipursky, S.L., et al. (2000). Molekylær cellebiologi. 4. utgave. New York: W. H. Freeman. Avsnitt 9.5, Organisering av cellulært DNA i kromosomer. Tilgjengelig på: ncbi.nlm.nih.gov/books
  8. Voet, D., Voet, J. G., & Pratt, C. W. (1999). Grunnleggende for biokjemi. Ny York: John Willey og sønner.

Ingen har kommentert denne artikkelen ennå.