História DNA, funkcie, štruktúra, zložky



DNA (deoxyribonukleová kyselina) je biomolekula, ktorá obsahuje všetky informácie potrebné na vytvorenie organizmu a zachovanie jeho fungovania. Skladá sa z jednotiek nazývaných nukleotidy, ktoré sú tvorené fosfátovou skupinou, molekulou cukru s 5 atómami uhlíka a dusíkatou bázou..

Existujú štyri dusíkaté zásady: adenín (A), cytozín (C), guanín (G) a tymín (T). Adenín sa vždy spája s tymínom a guanínom s cytozínom. Správa obsiahnutá v reťazci DNA sa transformuje na mediátorovú RNA, ktorá sa zúčastňuje syntézy proteínov.

DNA je extrémne stabilná molekula, negatívne nabitá pri fyziologickom pH, ktoré je spojené s pozitívnymi proteínmi (histónmi), aby sa účinne zhutnili v jadre eukaryotických buniek. Dlhé vlákno DNA spolu s rôznymi asociovanými proteínmi tvorí chromozóm.

index

  • 1 História
  • 2 Komponenty
  • 3 Štruktúra
    • 3.1 Zákon Chargaffa
    • 3.2 Model dvojitej špirály
  • 4 Organizácia
    • 4.1 Históny
    • 4.2 Nukleozómy a 30 nm vlákno
    • 4.3 Chromozómy
    • 4.4 Organizácia v prokaryotoch
    • 4.5 Množstvo DNA
  • 5 Štrukturálne formy DNA
    • 5.1 DNA-A
    • 5.2 ADN-Z
  • 6 Funkcie
    • 6.1 Replikácia, prepis a preklad
    • 6.2 Genetický kód
  • 7 Chemické a fyzikálne vlastnosti
  • 8 Vývoj
  • 9 Sekvenovanie DNA
    • 9.1 Metóda Sanger
  • 10 Sekvenovanie novej generácie
  • 11 Odkazy

histórie

V roku 1953 sa americkému Jamesovi Watsonovi a britskému Francisovi Crickovi podarilo objasniť trojdimenzionálnu štruktúru DNA vďaka práci v kryštalografii, ktorú uskutočnili Rosalind Franklin a Maurice Wilkins. Svoje závery založili aj na dielach iných autorov.

Vystavenie DNA röntgenovým lúčom vytvára difrakčný obrazec, ktorý možno použiť na odvodenie štruktúry molekuly: špirálu dvoch antiparalelných reťazcov, ktoré sa otáčajú doprava, kde sú obidva reťazce spojené vodíkovými väzbami medzi bázami. , Získaný vzor bol nasledovný:

Štruktúru možno predpokladať podľa zákonov Braggovej difrakcie: keď je objekt vložený do stredu lúča röntgenového žiarenia, odráža sa, pretože elektróny objektu vzájomne pôsobia s lúčom..

25. apríla 1953 boli výsledky prestížneho časopisu Watson a Crick publikované v prestížnom časopise príroda, v dvojstranovom článku s názvom „Molekulárna štruktúra nukleových kyselínTo by úplne revolúciu v oblasti biológie.

Vďaka tomuto objavu, výskumníci dostali Nobelovu cenu v medicíne v roku 1962, okrem Franklin, ktorý zomrel pred pôrodom. V súčasnosti je tento objav jedným z najväčších predstaviteľov úspechu vedeckej metódy na získanie nových poznatkov.

komponenty

Molekula DNA sa skladá z nukleotidov, jednotiek tvorených cukrom piatich uhlíkov pripojeným k fosfátovej skupine a dusíkatej báze. Typ cukru, ktorý sa nachádza v DNA, je typu deoxyribózy, a teda jej názvu, kyseliny deoxyribonukleovej.

Na vytvorenie reťazca sú nukleotidy kovalentne viazané fosfodiesterovou väzbou pomocou 3'-hydroxylovej skupiny (-OH) z jedného cukru a 5'-fosfafo z nasledujúceho nukleotidu.

Nezamieňajte nukleotidy s nukleozidmi. Posledne menovaný odkazuje na časť nukleotidu tvorenú iba pentózou (cukrom) a dusíkatou bázou.

DNA sa skladá zo štyroch typov dusíkatých báz: adenín (A), cytozín (C), guanín (G) a tymín (T).

Dusíkaté bázy sú rozdelené do dvoch kategórií: puríny a pyrimidíny. Prvá skupina sa skladá z kruhu piatich atómov pripojeného k inému kruhu šiestich, zatiaľ čo pyrimidíny sa skladajú z jedného kruhu.

Zo spomínaných báz sú adenín a guanín deriváty purínov. Naopak skupina pyrimidínov patrí k tymínu, cytozínu a uracilu (prítomnému v molekule RNA)..

štruktúra

Molekula DNA je tvorená dvoma nukleotidovými reťazcami. Tento "reťazec" je známy ako reťazec DNA.

Tieto dva reťazce sú spojené vodíkovými väzbami medzi komplementárnymi bázami. Dusíkaté bázy sú kovalentne spojené s kostrou cukrov a fosfátov.

Každý nukleotid lokalizovaný v jednom vlákne môže byť spojený s iným špecifickým nukleotidom druhého reťazca, čím sa vytvorí známa dvojitá špirála. Aby sa vytvorila účinná štruktúra, A sa vždy spája s T pomocou dvoch vodíkových mostov a G s C tromi mostami.

Chargaffov zákon

Ak budeme študovať proporcie dusíkatých báz v DNA, zistíme, že množstvo A je rovnaké ako množstvo T a rovnaké s G a C. Tento vzor je známy ako Chargaffov zákon.

Toto párovanie je energeticky výhodné, pretože umožňuje zachovať podobnú šírku pozdĺž štruktúry, pričom si zachováva podobnú vzdialenosť pozdĺž molekuly kostry cukru a fosfátu. Všimnite si, že základňa prstenca je spojená s jedným krúžkom.

Model dvojitej špirály

Navrhuje sa, aby dvojitá špirála bola zložená z 10,4 nukleotidov na otáčku, oddelených vzdialenosťou od stredu k stredu 3,4 nanometrov. Proces valcovania vedie k vytvoreniu drážok v konštrukcii, ktoré sú schopné pozorovať hlavnú a vedľajšiu drážku.

Drážky vznikajú preto, že glykozidické väzby v pároch báz nie sú oproti sebe vzhľadom na ich priemer. V vedľajšej drážke je pyrimidínový O-2 a purín N-3, zatiaľ čo hlavná drážka je umiestnená v opačnej oblasti.

Ak použijeme analógiu rebríka, priečky sa skladajú zo základných párov komplementárnych k sebe, pričom kostra zodpovedá dvom uchopovacím koľajniciam..

Konce molekuly DNA nie sú rovnaké, preto hovoríme o „polarite“. Jeden z jeho koncov 3 'nesie skupinu -OH, zatiaľ čo 5' koniec má voľnú fosfátovú skupinu.

Tieto dva reťazce sú umiestnené antiparalelne, čo znamená, že sú umiestnené oproti ich polaritám nasledovne:

Okrem toho poradie jedného z vlákien musí byť komplementárne k svojmu partnerovi, ak sa nachádza poloha A, v antiparalelnom vlákne musí byť T.

organizácie

V každej ľudskej bunke je približne dva metre DNA, ktoré musia byť efektívne zabalené.

Prameň musí byť zhutnený tak, aby mohol byť obsiahnutý v mikroskopickom jadre s priemerom 6 μm, ktoré zaberá iba 10% objemu buniek. To je možné vďaka nasledujúcim úrovniam zhutnenia:

históny

V eukaryotoch sú proteíny nazývané históny, ktoré majú schopnosť viazať sa na molekulu DNA, čo je prvá úroveň zhutnenia vlákna. Históny majú pozitívne náboje, aby boli schopné interakcie s negatívnymi nábojmi DNA, ktoré prispievajú fosfáty.

Históny sú také dôležité proteíny pre eukaryotické organizmy, ktoré boli v priebehu evolúcie prakticky nemenné - pripomínajúc, že ​​nízka miera mutácií naznačuje, že selektívne tlaky na túto molekulu sú silné. Defekt v histónoch môže viesť k chybnému zhutneniu DNA.

Históny môžu byť modifikované biochemicky a tento proces modifikuje stupeň zhutnenia genetického materiálu.

Keď sú históny "hypoacetylované", chromatín je viac kondenzovaný, pretože acetylované formy neutralizujú pozitívne náboje lyzínov (pozitívne nabité aminokyseliny) v proteíne.

Nukleozómy a 30 nm vlákno

DNA vlákno je navinuté v histónoch a vytvára štruktúry, ktoré sa podobajú perličkám perlového náhrdelníka, nazývaných nukleozómy. V srdci tejto štruktúry sú dve kópie každého typu histónov: H2A, H2B, H3 a H4. Spojenie rôznych histónov sa nazýva "histónový oktamér".

Oktamér je obklopený 146 pármi báz, čo dáva menej než dve otočky. Ľudská diploidná bunka obsahuje približne 6,4 x 109 nukleotidy, ktoré sú organizované do 30 miliónov nukleozómov.

Organizácia v nukleozómoch umožňuje zhutniť DNA vo viac ako tretine pôvodnej dĺžky.

V procese extrakcie genetického materiálu za fyziologických podmienok sa pozoruje, že nukleozómy sú usporiadané vo vlákne s 30 nanometrami..

chromozómy

Chromozómy sú funkčnou jednotkou dedičnosti, ktorej funkciou je niesť gény jednotlivca. Gén je segment DNA, ktorý obsahuje informácie na syntézu proteínu (alebo radu proteínov). Existujú však aj gény, ktoré kódujú regulačné elementy, ako napríklad RNA.

Všetky ľudské bunky (okrem gamét a krvných erytrocytov) majú dve kópie každého chromozómu, jeden zdedený od otca a druhý od matky.

Chromozómy sú štruktúry zložené z dlhej lineárnej časti DNA asociovanej s vyššie uvedenými proteínovými komplexmi. Normálne v eukaryotoch je všetok genetický materiál obsiahnutý v jadre rozdelený do série chromozómov.

Organizácia v prokaryotoch

Prokaryoty sú organizmy, ktoré nemajú jadro. U týchto druhov je genetický materiál vysoko navinutý spolu s alkalickými proteínmi s nízkou molekulovou hmotnosťou. Týmto spôsobom je DNA zhutnená a umiestnená v centrálnej oblasti baktérie.

Niektorí autori zvyčajne označujú túto štruktúru "bakteriálny chromozóm", hoci nemá rovnaké vlastnosti ako eukaryotický chromozóm.

Množstvo DNA

Nie všetky druhy organizmov obsahujú rovnaké množstvo DNA. V skutočnosti je táto hodnota medzi druhmi veľmi premenlivá a neexistuje vzťah medzi množstvom DNA a komplexnosťou organizmu. Tento rozpor je známy ako "paradox hodnôt C".

Logickým odôvodnením by bolo intuitívnosť, že čím zložitejší je organizmus, tým viac DNA má. V prírode to však nie je pravda.

Napríklad genóm pľúc Protopterus aethiopicus má veľkosť 132 pg (DNA môže byť kvantifikovaná v pikogramoch = pg), zatiaľ čo ľudský genóm váži iba 3,5 pg.

Pamätajte, že nie všetky DNA organizmu kódujú proteíny, veľké množstvo z nich súvisí s regulačnými prvkami a rôznymi typmi RNA.

Štrukturálne formy DNA

Model Watson a Crick, odvodený z rôntgenových difraktogramov, je známy ako B-DNA helix a je "tradičným" a najznámejším modelom. Existujú však dve ďalšie formy, nazývané DNA-A a DNA-Z.

DNA-A

Variant "A" sa otáča doprava, rovnako ako DNA-B, ale je kratší a širší. Tento formulár sa zobrazí, keď relatívna vlhkosť klesne.

DNA-A rotuje každých 11 párov báz, hlavná drážka je užšia a hlbšia ako B-DNA. Čo sa týka menšej drážky, je to povrchnejšie a širšie.

Z-DNA

Tretím variantom je Z-DNA. Je to najužšia forma tvorená skupinou hexanukleotidov organizovaných v duplexe antiparalelných reťazcov. Jedným z najvýraznejších znakov tejto formy je, že sa otočí doľava, zatiaľ čo ostatné dve formy to spravia.

Z-DNA sa objaví, keď sú krátke sekvencie striedajúcich sa pyrimidínov a purínov. Väčšia drážka je plochá a menšia je užšia a hlbšia v porovnaní s B-DNA.

Hoci molekula DNA je vo fyziologických podmienkach väčšinou vo svojej B-forme, existencia dvoch opísaných variantov vystavuje flexibilitu a dynamiku genetického materiálu..

funkcie

Molekula DNA obsahuje všetky informácie a inštrukcie potrebné na konštrukciu organizmu. Nazýva sa kompletný súbor genetických informácií v organizmoch genóm.

Správa je zakódovaná "biologickou abecedou": štyrmi vyššie uvedenými bázami, A, T, G a C.

Táto správa môže viesť k tvorbe rôznych typov proteínov alebo kódovaniu niektorých regulačných prvkov. Postup, ktorým môžu tieto základne prinášať správu, je vysvetlený nižšie:

Replikácia, transkripcia a translácia

Správa zašifrovaná v štyroch písmenách A, T, G a C poskytuje ako výsledok fenotyp (nie všetky sekvencie DNA kódujú proteíny). Aby sa to dosiahlo, DNA sa musí replikovať v každom procese bunkového delenia.

Replikácia DNA je polokonzervatívna: vlákno slúži ako templát na tvorbu novej dcérskej molekuly. Rôzne enzýmy katalyzujú replikáciu, vrátane DNA primázy, DNA helikázy, DNA ligázy a topoizomerázy.

Následne musí byť správa - napísaná v základnom sekvenčnom jazyku - prenesená do sprostredkujúcej molekuly: RNA (kyselina ribonukleová). Tento proces sa nazýva transkripcia.

Aby nastala transkripcia, musia sa zúčastniť rôzne enzýmy, vrátane RNA polymerázy.

Tento enzým je zodpovedný za kopírovanie DNA správy a jej premenu na molekulu mediátorovej RNA. Inými slovami, účelom prepisu je získať posla.

Nakoniec, správa je preložená do messenger RNA molekúl, vďaka ribozómom.

Tieto štruktúry berú messenger RNA a spolu s translačným aparátom tvoria špecifikovaný proteín.

Genetický kód

Správa sa číta v "trojiciach" alebo skupinách troch písmen, ktoré špecifikujú aminokyselinu - štruktúrne bloky proteínov. Je možné rozlúštiť posolstvo trojičiek, pretože genetický kód už bol úplne odhalený.

Translácia vždy začína aminokyselinou metionínu, ktorý je kódovaný štartovým tripletom: AUG. "U" predstavuje uracilovú bázu a je charakteristická pre RNA a nahradzuje tymín.

Napríklad, ak má mediátorová RNA nasledujúcu sekvenciu: AUG CCU CUU UUU UUA, je preložená do nasledujúcich aminokyselín: metionín, prolín, leucín, fenylalanín a fenylalanín. Je možné, že dve triplety - v tomto prípade UUU a UUA - kódujú rovnakú aminokyselinu: fenylalanín.

Pre túto vlastnosť sa uvádza, že genetický kód je degenerovaný, pretože aminokyselina je kódovaná viac ako jednou sekvenciou tripletov, s výnimkou aminokyseliny metionínu, ktorá určuje začiatok translácie..

Proces sa zastaví so špecifickými koncovými alebo zastavovacími tripletmi: UAA, UAG a UGA. Sú známe pod názvami okr, jantár a opál. Keď ich ribozóm zistí, nemôžu do reťazca pridávať viac aminokyselín.

Chemické a fyzikálne vlastnosti

Nukleové kyseliny majú kyslú povahu a sú rozpustné vo vode (hydrofilné). Môže nastať tvorba vodíkových väzieb medzi fosfátovými skupinami a hydroxylovými skupinami pentóz s vodou. Pri fyziologickom pH je záporne nabitý.

Roztoky DNA sú vysoko viskózne vďaka schopnosti rezistencie voči deformácii dvojitej špirály, ktorá je veľmi tuhá. Viskozita klesá, ak je nukleová kyselina jednovláknová.

Sú to vysoko stabilné molekuly. Logicky musí byť táto vlastnosť nevyhnutná v štruktúrach, ktoré nesú genetickú informáciu. V porovnaní s RNA je DNA oveľa stabilnejšia, pretože nemá hydroxylovú skupinu.

DNA môže byť denaturovaná teplom, to znamená, že vlákna sú oddelené, keď je molekula vystavená vysokým teplotám.

Množstvo tepla, ktoré musí byť aplikované, závisí od G-C percenta molekuly, pretože tieto bázy sú spojené tromi vodíkovými väzbami, čím sa zvyšuje odolnosť voči separácii..

Čo sa týka absorpcie svetla, majú vrchol pri 260 nanometroch, ktorý sa zvyšuje, ak je nukleová kyselina jednovláknová, pretože vystavujú kruhy nukleotidov a tieto sú zodpovedné za absorpciu..

vývoj

Podľa Lazcana et al. 1988 DNA vzniká v štádiách prechodu z RNA, ktorá je jednou z najdôležitejších udalostí v dejinách života.

Autori navrhujú tri štádiá: prvé obdobie, v ktorom existovali molekuly podobné nukleovým kyselinám, neskôr sa vytvorili genómy z RNA av poslednom štádiu sa objavili dvojpásové genómy DNA.

Niektoré dôkazy podporujú teóriu primárneho sveta založeného na RNA. Po prvé, syntéza proteínov môže nastať v neprítomnosti DNA, ale nie v prípade, keď chýba RNA. Okrem toho boli objavené molekuly RNA s katalytickými vlastnosťami.

Pokiaľ ide o syntézu deoxyribonukleotidu (prítomného v DNA), vždy pochádza z redukcie ribonukleotidov (prítomných v RNA)..

Evolučná inovácia molekuly DNA musela vyžadovať prítomnosť enzýmov, ktoré syntetizujú prekurzory DNA a podieľajú sa na retrotranskripcii RNA..

Študovaním súčasných enzýmov možno konštatovať, že tieto proteíny sa vyvinuli niekoľkokrát a že prechod z RNA na DNA je zložitejší, než sa pôvodne predpokladalo, vrátane procesov prenosu a straty génov a neortologických nahradení..

DNA sekvenovanie

Sekvenovanie DNA spočíva v objasnení sekvencie reťazca DNA z hľadiska štyroch báz, ktoré ho tvoria.

Poznanie tejto sekvencie má veľký význam v biologických vedách. Môže byť použitý na rozlíšenie medzi dvoma morfologicky veľmi podobnými druhmi, na odhalenie chorôb, patológií alebo parazitov a dokonca má forenznú použiteľnosť..

Sekvencovanie Sanger bol vyvinutý v 1900s a je tradičná technika na objasnenie sekvencie. Napriek svojmu veku je to platná metóda široko využívaná výskumníkmi.

Sangerova metóda

Metóda využíva DNA polymerázu, vysoko spoľahlivý enzým, ktorý replikuje DNA v bunkách a syntetizuje nový DNA reťazec s použitím inej už existujúcej smernice. Enzým vyžaduje a prvý alebo primér na začatie syntézy. Primér je malá molekula DNA komplementárna k molekule, ktorú chcete sekvenovať.

V reakcii sa pridajú nukleotidy, ktoré sa majú inkorporovať do nového reťazca DNA enzýmom.

Okrem "tradičných" nukleotidov tento spôsob zahŕňa sériu dideoxynukleotidov pre každú z báz. Líšia sa od štandardných nukleotidov v dvoch charakteristikách: štrukturálne neumožňujú DNA polymeráze pridávať viac nukleotidov do dcérskeho reťazca a majú odlišný fluorescenčný marker pre každú bázu..

Výsledkom sú rôzne molekuly DNA rôznej dĺžky, pretože dideoxynukleotidy boli náhodne začlenené a zastavili proces replikácie v rôznych štádiách..

Táto rozmanitosť molekúl môže byť oddelená podľa ich dĺžky a identita nukleotidov je odčítaná emisiou svetla z fluorescenčnej značky..

Sekvenovanie novej generácie

Techniky sekvencovania vyvinuté v posledných rokoch umožňujú masívnu analýzu miliónov vzoriek súčasne.

Medzi najvýraznejšie metódy patrí pyrosekvenovanie, sekvenovanie syntézou, sekvenovanie ligáciou a sekvencovanie nasledujúcej generácie Ion Torrentom..

referencie

  1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., et al. (2002). Molekulárna biológia bunky. 4. vydanie. New York: Garland Science. Štruktúra a funkcia DNA. K dispozícii na adrese: ncbi.nlm.nih.gov/
  2. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., et al. (2002). Molekulárna biológia bunky. 4. vydanie. New York: Garland Science. Chromozomálna DNA a jej balenie vo vlákne chromatínu. K dispozícii na adrese: ncbi.nlm.nih.gov
  3. Berg, J. M., Tymoczko, J. L., Stryer, L. (2002). Biochémie. 5. vydanie. New York: W H Freeman. Oddiel 27.1, DNA môže predpokladať rôzne štrukturálne formuláre. K dispozícii na adrese: ncbi.nlm.nih.gov
  4. Fierro, A. (2001). Stručná história objavu štruktúry DNA. Rev Med Clinic Las Condes, 20, 71-75.
  5. Forterre, P., Filée, J. & Myllykallio, H. (2000-2013) Pôvod a vývoj DNA a DNA replikácie strojov. in: Madame Curie Bioscience Database [Internet]. Austin (TX): Landes Bioscience. K dispozícii na adrese: ncbi.nlm.nih.gov
  6. Lazcano, A., Guerrero, R., Margulis, L., & Oro, J. (1988). Evolučný prechod z RNA na DNA v skorých bunkách. Časopis molekulárnej evolúcie, 27(4), 283-290.
  7. Lodish, H., Berk, A., Zipursky, S.L., et al. (2000). Molekulárna bunková biológia. 4. vydanie. New York: W. H. Freeman. Časť 9.5, Organizácia bunkovej DNA do chromozómov. K dispozícii na adrese: ncbi.nlm.nih.gov/books
  8. Voet, D., Voet, J.G., & Pratt, C.W. (1999). Základy biochémie. nový York: John Willey a Sons.