DNA historie, funktioner, struktur, komponenter



den DNA (deoxyribonukleinsyre) er biomolekylet, som indeholder alle de oplysninger, der er nødvendige for at generere en organisme og opretholde dens funktion. Den er sammensat af enheder kaldet nukleotider, dannet i tur og ordning af en phosphatgruppe, et sukkermolekyle med fem carbonatomer og en nitrogenbaseret base.

Der er fire nitrogenholdige baser: adenin (A), cytosin (C), guanin (G) og thymin (T). Adenin parrer altid med thymin og guanin med cytosin. Meddelelsen indeholdt i DNA-strengen omdannes til et messenger-RNA, og dette deltager i syntese af proteiner.

DNA er et ekstremt stabilt molekyle, negativt ladet ved fysiologisk pH, som er forbundet med positive proteiner (histoner) for effektivt at komprimere i kernen af ​​eukaryote celler. En lang DNA-streng, sammen med forskellige associerede proteiner, danner et kromosom.

indeks

  • 1 historie
  • 2 komponenter
  • 3 struktur
    • 3.1 Chargaffs lov
    • 3.2 Dobbelt helix model
  • 4 organisation
    • 4.1 Histoner
    • 4.2 Nukleosomer og 30 nm fiber
    • 4.3 kromosomer
    • 4.4 Organisation i prokaryoter
    • 4,5 mængde DNA
  • 5 strukturelle former for DNA
    • 5.1 DNA-A
    • 5.2 ADN-Z
  • 6 funktioner
    • 6.1 Replikation, transkription og oversættelse
    • 6.2 Den genetiske kode
  • 7 Kemiske og fysiske egenskaber
  • 8 Evolution
  • 9 DNA-sekventering
    • 9.1 Sanger metode
  • 10 Ny generation sekvensering
  • 11 referencer

historie

I 1953, den amerikanske James Watson og Francis Crick britisk lykkedes at belyse den tredimensionelle struktur af DNA, takket være det arbejde, som krystallografi Rosalind Franklin og Maurice Wilkins. De baserede også deres konklusioner på andre forfatteres værker.

Ved at udsætte DNA til røntgen-diffraktionsmønster, som kan bruges til at udlede strukturen af ​​molekylet er dannet: en helix af to antiparallelle kæder roterer med uret, når begge er bundet af hydrogenbindinger mellem baserne . Det opnåede mønster var som følger:

Strukturen kan antages i overensstemmelse med Bragg diffraktionens love: Når et objekt er indskudt midt i en stråle af røntgenstråler, reflekteres det, da objektets elektroner interagerer med strålen.

Den 25. april 1953 blev resultaterne af Watson og Crick udgivet i den prestigefyldte tidsskrift natur, i en to-siders artikel med titlen "Molekylær struktur af nukleinsyrer"Det ville fuldstændig revolutionere biologien.

Takket være denne opdagelse modtog forskerne Nobelprisen i medicin i 1962, bortset fra Franklin, der døde før leveringen. For øjeblikket er denne opdagelse en af ​​de store eksponenter for succesen med den videnskabelige metode til at erhverve ny viden.

komponenter

DNA-molekylet er sammensat af nukleotider, enheder dannet af et sukker af fem carbonatomer bundet til en phosphatgruppe og en nitrogenholdig base. Den type sukker, der findes i DNA, er af deoxyribosetypen og dermed dets navn, deoxyribonukleinsyre.

For at danne kæden er nucleotiderne kovalent bundet af en phosphodiesterbinding ved hjælp af en 3'-hydroxylgruppe (-OH) fra et sukker og 5'-phosphafoen fra det følgende nukleotid.

Forbind ikke nukleotider med nukleotider. Sidstnævnte refererer til den del af nukleotidet, der kun dannes af pentosen (sukker) og den nitrogenholdige base.

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

De nitrogenholdige baser er klassificeret i to kategorier: puriner og pyrimidiner. Den første gruppe består af en ring med fem atomer forbundet med en anden ring på seks, mens pyrimidinerne er sammensat af en enkelt ring.

Af de nævnte baser er adenin og guanin derivater af puriner. I modsætning hertil tilhører gruppen af ​​pyrimidiner tymin, cytosin og uracil (til stede i RNA molekylet).

struktur

Et DNA-molekyle består af to nukleotidkæder. Denne "kæde" er kendt som en DNA-streng.

De to tråde er forbundet med hydrogenbindinger mellem de komplementære baser. De nitrogenholdige baser er kovalent forbundet til et skelet af sukker og fosfater.

Hvert nukleotid placeret i en streng kan kobles med et andet specifikt nukleotid af den anden streng for at danne den kendte dobbelte helix. For at danne en effektiv struktur, A altid par med T ved hjælp af to brintbroer og G med C ved tre broer.

Chargaffs lov

Hvis vi studerer proportionerne af nitrogenholdige baser i DNA'et, vil vi opdage, at mængden af ​​A er identisk med mængden af ​​T og det samme med G og C. Dette mønster er kendt som Chargaffs lov.

Denne sammenkobling er energisk gunstig, da den tillader at bevare en lignende bredde langs strukturen, idet der opretholdes en lignende afstand langs sukkerphosphatskeletets molekyle. Bemærk, at en base af en ring er koblet med en ring.

Model af dobbelt helix

Det foreslås, at dobbelthelixen er sammensat af 10,4 nucleotider pr. Tur, adskilt af en center-til-center-afstand på 3,4 nanometer. Rulleprocessen giver anledning til dannelse af riller i strukturen, at kunne observere en stor og en mindre rille.

Sporene opstår, fordi de glycosidiske bindinger i basisparene ikke er modsatte hinanden i forhold til deres diameter. I den mindre spor er pyrimidin O-2 og purinen N-3, mens hovedsporet er placeret i modsat området.

Hvis vi bruger stigerens analogi, består ringene af baseparene, der er komplementære til hinanden, mens skeletet svarer til de to grebskinner.

Enderne af DNA-molekylet er ikke det samme, så vi taler om en "polaritet". En af dens ender, 3 ', bærer en -OH gruppe, mens 5'-enden har den frie phosphatgruppe.

De to tråde er placeret antiparallelle, hvilket betyder at de er placeret modsat deres polariteter som følger:

Desuden skal sekvensen af ​​en af ​​trådene være komplementær til sin partner, hvis det er en position A findes, skal der i den antiparallelle tråd være en T.

organisation

I hver humancelle er der ca. to meter DNA, der skal pakkes effektivt.

Strengen skal komprimeres, så den kan være indeholdt i en mikroskopisk kerne 6 μm i diameter, der kun optager 10% af cellevolumenet. Dette er muligt takket være følgende komprimeringsniveauer:

histoner

I eukaryoter er der proteiner kaldet histoner, som har evnen til at binde til DNA-molekylet, idet det er det første niveau af komprimering af strengen. Histonerne har positive ladninger for at kunne interagere med de negative ladninger af DNA'et, der bidrager af fosfaterne.

Histoner er sådanne vigtige proteiner til eukaryotiske organismer, som i næsten evigvarende grad har været uundgåelige i løbet af evolutionen - idet man husker at en lav mutationshastighed indikerer, at det selektive tryk på dette molekyle er stærkt. En defekt i histonerne kan resultere i en defekt DNA-komprimering.

Histoner kan modificeres biokemisk, og denne proces ændrer niveauet af komprimering af det genetiske materiale.

Når histonerne er "hypoacetylerede", er chromatinet mere kondenseret, da de acetylerede former neutraliserer de positive ladninger af lysinerne (positivt ladede aminosyrer) i proteinet.

Nukleosomer og 30 nm fiber

DNA-strengen rulles op i histonerne og danner strukturer, der ligner perler af perlekæde, kaldet nukleosomer. Kernen i denne struktur er to kopier af hver type histoner: H2A, H2B, H3 og H4. Foreningen af ​​de forskellige histoner kaldes "histon oktamer".

Octameren er omgivet af 146 par baser, hvilket giver mindre end to omdrejninger. En human diploid celle indeholder ca. 6,4 x 109 nukleotider, der er organiseret i 30 millioner nukleosomer.

Organisationen i nukleosomer gør det muligt at komprimere DNA'et i mere end en tredjedel af dets oprindelige længde.

Ved en fremgangsmåde til ekstraktion af det genetiske materiale under fysiologiske betingelser bemærkes det, at nukleosomer er anbragt i en fiber på 30 nanometer.

kromosomer

Kromosomer er den funktionelle arv, hvis funktion er at bære gener af en individ. Et gen er et segment af DNA, der indeholder informationen til syntetisering af et protein (eller en række proteiner). Der er dog også gener, som koder for regulatoriske elementer, såsom RNA.

Alle humane celler (undtagen gameter og blod erythrocytter) har to kopier af hvert kromosom, en arvet fra faderen og den anden fra moderen.

Kromosomer er strukturer sammensat af en lang lineær del af DNA forbundet med proteinkomplekserne nævnt ovenfor. Normalt i eukaryoter er alt det genetiske materiale indeholdt i kernen opdelt i en række kromosomer.

Organisation i prokaryoter

Prokaryoter er organismer der mangler en kerne. I disse arter er det genetiske materiale højt sammenviklet sammen med lavmolekylære alkaliske proteiner. På denne måde komprimeres DNA'et og befinder sig i en central region i bakterien.

Nogle forfattere betegner som regel denne struktur "bakteriel kromosom", selvom den ikke præsenterer de samme egenskaber ved et eukaryot kromosom.

Mængde DNA

Ikke alle arter af organismer indeholder samme mængde DNA. Faktisk er denne værdi meget variabel mellem arter, og der er ikke noget forhold mellem mængden af ​​DNA og kompleksiteten af ​​organismen. Denne modsigelse er kendt som et "C-værdi paradoks".

Den logiske begrundelse ville være at intuitere, at jo mere kompleks organismen er, desto mere DNA har den. Men dette er ikke sandt i naturen.

For eksempel lungfiskens genom Protopterus aethiopicus den har en størrelse på 132 pg (DNA kan kvantificeres i picograms = pg), mens det menneskelige genom kun vejer kun 3,5 pg.

Husk at ikke alle DNA fra en organisme koder for proteiner, en stor del af dette er relateret til regulatoriske elementer og forskellige typer af RNA.

Strukturelle former for DNA

Watson og Crick-modellen, der er udledt af røntgendiffraktionsmønstre, er kendt som B-DNA-helixen og er den "traditionelle" og mest kendte model. Der er dog to andre forskellige former, der hedder DNA-A og DNA-Z.

DNA-A

Variant "A" roterer til højre, ligesom DNA-B, men er kortere og bredere. Denne formular vises, når relativ luftfugtighed falder.

DNA-A roterer hvert 11 basepar, hovedsporet er snævrere og dybere end B-DNA. Med hensyn til den mindre groove er dette mere overfladisk og bred.

Z-DNA

Den tredje variant er Z-DNA'et. Det er den smaleste form, dannet af en gruppe af hexanukleotider organiseret i en duplex af antiparallelle kæder. Et af de mest slående træk ved denne form er, at det vender til venstre, mens de to andre former gør det til højre.

Z-DNA vises, når der er korte sekvenser af alternerende pyrimidiner og puriner. Jo større rille er flad, og jo mindre er snævrere og dybere sammenlignet med B-DNA.

Selvom DNA-molekylet under fysiologiske forhold hovedsagelig er i sin B-form, viser eksistensen af ​​de to varianter fleksibiliteten og dynamikken i det genetiske materiale.

funktioner

DNA-molekylet indeholder alle de oplysninger og instruktioner, der er nødvendige for opbygningen af ​​en organisme. Det komplette sæt genetisk information i organismer kaldes genom.

Meddelelsen er kodet af det "biologiske alfabet": de fire baser, der tidligere er nævnt, A, T, G og C.

Beskeden kan føre til dannelsen af ​​forskellige typer af proteiner eller kodning for nogle regulerende elementer. Processen, hvormed disse baser kan levere en besked, forklares nedenfor:

Replikation, transkription og oversættelse

Meddelelsen krypteret i de fire bogstaver A, T, G og C giver som følge heraf en fænotype (ikke alle DNA-sekvenser kode for proteiner). For at opnå dette skal DNA replikere sig i hver proces af celledeling.

DNA-replikation er semikonservativ: en streng tjener som en skabelon til dannelsen af ​​det nye dattermolekyle. Forskellige enzymer katalyserer replikation, herunder DNA-primase, DNA-helicase, DNA-ligase og topoisomerase.

Derefter skal meddelelsen - skrevet i et basesekvenssprog - overføres til et mellemliggende molekyle: RNA (ribonukleinsyre). Denne proces kaldes transkription.

For at transkription skal forekomme, skal forskellige enzymer deltage, herunder RNA-polymerase.

Dette enzym er ansvarlig for kopiering af DNA-beskeden og omdannelse til et messenger RNA-molekyle. Med andre ord er formålet med transkription at opnå budbringeren.

Endelig oversættes beskeden til messenger RNA-molekyler takket være ribosomerne.

Disse strukturer tager messenger RNA og sammen med oversættelsesmaskineriet danner det specificerede protein.

Den genetiske kode

Meddelelsen læses i "triplets" eller grupper af tre bogstaver, der angiver for en aminosyre - de strukturelle blokke af proteinerne. Det er muligt at dechiffrere budskabet fra tripletterne, da den genetiske kode allerede er blevet afsløret helt.

Oversættelsen starter altid med aminosyren methionin, som er kodet af start triplet: AUG. "U" repræsenterer uracilbasen og er karakteristisk for RNA og supplanter thymin.

For eksempel, hvis messenger RNA har følgende sekvens: AUG CCU CUU UUU UUA, oversættes den til følgende aminosyrer: methionin, prolin, leucin, phenylalanin og phenylalanin. Bemærk, at det er muligt, at to tripletter - i dette tilfælde UUU og UUA - koder for samme aminosyre: phenylalanin.

For denne egenskab siges det, at den genetiske kode er degenereret, da en aminosyre er kodet af mere end en sekvens af tripletter, bortset fra aminosyren methionin, der dikterer starten af ​​oversættelsen.

Processen stoppes med specifik terminering eller stop triplet: UAA, UAG og UGA. De er kendt under henholdsvis navnene på okker, rav og opal. Når ribosomet opdager dem, kan de ikke længere tilføje flere aminosyrer til kæden.

Kemiske og fysiske egenskaber

Nukleinsyrer er sure af natur og er opløselige i vand (hydrofile). Dannelsen af ​​hydrogenbindinger mellem phosphatgrupperne og hydroxylgrupperne af pentoser med vand kan forekomme. Det er negativt ladet ved fysiologisk pH.

DNA-opløsningerne er yderst viskøse på grund af kapaciteten af ​​modstandsdygtighed over for deformation af dobbelthelikixen, som er meget stiv. Viskositeten falder, hvis nukleinsyren er enkeltstrenget.

De er meget stabile molekyler. Logisk skal denne funktion være uundværlig i de strukturer, der bærer den genetiske information. Sammenlignet med RNA er DNA meget stabilt fordi det mangler en hydroxylgruppe.

DNA kan denatureres af varme, det vil sige tråde adskilles, når molekylet udsættes for høje temperaturer.

Den mængde varme, der skal påføres, afhænger af G-C-procentdelen af ​​molekylet, fordi disse baser er forbundet med tre hydrogenbindinger, hvilket øger modstanden mod adskillelse.

Med hensyn til absorptionen af ​​lys har de en højde ved 260 nanometer, hvilket forøges, hvis nukleinsyren er enkeltstrenget, da de udsætter nukleotidernes ringe, og disse er ansvarlige for absorptionen.

evolution

Ifølge Lazcano et al. 1988 DNA opstår i stadier af overgang fra RNA, som er en af ​​de vigtigste begivenheder i livets historie.

Forfatterne foreslår tre faser: En første periode hvor molekyler svarende til nukleinsyrer eksisterede, senere dannedes genomerne af RNA, og som et sidste stadium syntes dobbeltbånds DNA-genomerne.

Nogle beviser støtter teorien om en primær verden baseret på RNA. For det første kan proteinsyntese forekomme i fravær af DNA, men ikke når RNA mangler. Derudover er RNA-molekyler med katalytiske egenskaber blevet opdaget.

Hvad angår syntesen af ​​deoxyribonukleotidet (til stede i DNA'et), kommer de altid fra reduktionen af ​​ribonukleotiderne (til stede i RNA'et).

Den evolutionære innovation af et DNA-molekyle skal have krævet tilstedeværelsen af ​​enzymer, som syntetiserer DNA-precursorer og deltager i retrotransskriptionen af ​​RNA.

Ved at studere de nuværende enzymer kan det konkluderes, at disse proteiner har udviklet sig flere gange, og at overgangen fra RNA til DNA er mere kompleks end tidligere antaget, herunder processer med genoverførsel og tab og ikke-ortodologiske udskiftninger..

DNA-sekventering

DNA-sekventering består i at klarlægge sekvensen af ​​DNA-strengen i form af de fire baser, der udgør den.

Kendskabet til denne sekvens er af stor betydning i de biologiske videnskaber. Det kan bruges til at diskriminere mellem to morfologisk meget lignende arter, til at opdage sygdomme, patologier eller parasitter og endda besidde en retsmedicinsk anvendelighed.

Sangeringen af ​​Sanger blev udviklet i 1900'erne og er den traditionelle teknik til at afklare en sekvens. På trods af sin alder er det en gyldig metode, der anvendes bredt af forskere.

Sangers metode

Metoden anvender DNA-polymerase, et meget pålideligt enzym, der replikerer DNA i celler, syntetisering af en ny DNA-kæde ved anvendelse af en anden eksisterende guideline. Enzymet kræver a første eller primer til at starte syntesen. Primeren er et lille molekyle af DNA, der er komplementært til det molekyle, som du vil sekvensere.

I reaktionen tilsættes nukleotider, som skal inkorporeres i den nye DNA-streng af enzymet.

Ud over de "traditionelle" nukleotider indbefatter fremgangsmåden en række dideoxynukleotider for hvert af baserne. De adskiller sig fra standardnukleotiderne i to karakteristika: strukturelt tillader de ikke DNA-polymerasen at tilføje flere nukleotider til datterkæden og have en anden fluorescerende markør for hver base.

Resultatet er en række forskellige DNA-molekyler af forskellig længde, da dideoxynukleotiderne blev tilfældigt inkorporeret og stoppet replikationsprocessen i forskellige stadier.

Denne række molekyler kan adskilles i overensstemmelse med deres længde, og nukleotidernes identitet læses gennem lysemissionen fra det fluorescerende mærke..

Ny generation sekventering

De sekventeringsteknikker, der er udviklet i de seneste år, tillader den massive analyse af millioner af prøver samtidigt.

Blandt de mest fremragende metoder er pyrosequencing, sekventering ved syntese, sekventering ved ligering og næste generations sekventering af Ion Torrent..

referencer

  1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., et al. (2002). Molecular Biology of the Cell. 4. udgave. New York: Garland Science. Strukturen og funktionen af ​​DNA. Tilgængelig på: ncbi.nlm.nih.gov/
  2. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., et al. (2002). Molecular Biology of the Cell. 4. udgave. New York: Garland Science. Kromosomalt DNA og dets emballage i chromatinfiberen. Tilgængelig på: ncbi.nlm.nih.gov
  3. Berg, J.M., Tymoczko, J. L., Stryer, L. (2002). Biokemi. 5. udgave. New York: W H Freeman. Afsnit 27.1, DNA kan antage til forskellige strukturformer. Tilgængelig på: ncbi.nlm.nih.gov
  4. Fierro, A. (2001). Kort historie om opdagelsen af ​​DNA struktur. Rev Med Clinic Las Condes, 20, 71-75.
  5. Forterre, P., Filée, J. & Myllykallio, H. (2000-2013) Oprindelse og Evolution af DNA og DNA Replication Machineries. i: Madame Curie Bioscience Database [Internet]. Austin (TX): Landes Bioscience. Tilgængelig på: ncbi.nlm.nih.gov
  6. Lazcano, A., Guerrero, R., Margulis, L., & Oro, J. (1988). Den evolutionære overgang fra RNA til DNA i tidlige celler. Journal of molecular evolution, 27(4), 283-290.
  7. Lodish, H., Berk, A., Zipursky, S. L., et al. (2000). Molecular Cell Biology. 4. udgave. New York: W. H. Freeman. Afsnit 9.5, Organisering af cellulært DNA i kromosomer. Tilgængelig på: ncbi.nlm.nih.gov/books
  8. Voet, D., Voet, J.G., & Pratt, C.W. (1999). Grundlæggende i biokemi. ny York: John Willey og sønner.