DNA: HISTORIE, FUNKTIONER, STRUKTUR, KOMPONENTER - BIOLOGI

Den DNA (deoxyribonucleinsyre) er biomolekylet indeholder alle de nødvendige oplysninger til at generere en krop og opretholde sin drift. Det består af enheder, der kaldes nukleotider, som igen består af en fosfatgruppe, et sukkermolekyle med fem carbonhydrider og en nitrogenbaseret base.

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

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

Historie

I 1953 lykkedes det amerikaneren James Watson og briten Francis Crick at belyse den tredimensionelle struktur af DNA takket være det kristallografiske arbejde udført af Rosalind Franklin og Maurice Wilkins. De baserede også deres konklusioner på andre forfatteres arbejde.

Når DNA udsættes for røntgenstråler, dannes et diffraktionsmønster, der kan bruges til at udlede strukturen af molekylet: en helix af to antiparallelle kæder, der roterer til højre, hvor begge kæder er forbundet med brintbinding mellem baserne.. Det opnåede mønster var følgende:

Strukturen kan antages at følge Braggs diffraktionslove: Når et objekt er anbragt midt i en røntgenstråle, reflekteres det, da objektets elektroner interagerer med strålen.

Den 25. april 1953 blev resultaterne af Watson og Crick offentliggjort i det prestigefyldte tidsskrift Nature, i en artikel på kun to sider med titlen "Molekylær struktur af nukleinsyrer", som fuldstændigt ville revolutionere området biologi.

Takket være denne opdagelse modtog forskerne Nobelprisen for medicin i 1962 med undtagelse af Franklin, der døde før fødslen. I øjeblikket er denne opdagelse en af de store eksponenter for succes med den videnskabelige metode til at tilegne sig ny viden.

komponenter

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

For at danne kæden er nucleotiderne kovalent bundet af en binding af phosphodiester-type gennem en 3'-hydroxylgruppe (-OH) fra et sukker og 5'-phosphapho i det næste nucleotid.

Nukleotider bør ikke forveksles med nukleosider. Sidstnævnte henviser til den del af nukleotidet, der kun dannes af pentose (sukker) og den nitrogenholdige base.

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

Kvælstofbaser klassificeres i to kategorier: puriner og pyrimidiner. Den første gruppe består af en ring med fem atomer, der er knyttet til en anden ring på seks, mens pyrimidinerne kun er sammensat af en ring.

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

Struktur

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

De to strenge er forbundet med brintbindinger mellem de komplementære baser. Kvælstofbaser er kovalent bundet til en rygrad i sukker og fosfater.

Hvert nukleotid placeret på den ene streng kan kobles med et andet specifikt nukleotid på den anden streng for at danne den velkendte dobbelt helix. For at danne en effektiv struktur kobles A altid sammen med T ved hjælp af to brintbindinger og G med C med tre bindinger.

Chargaffs lov

Hvis vi studerer andelerne af nitrogenholdige baser i DNA, vil vi opdage, at mængden af A er identisk med mængden af T og den samme med G og C. Dette mønster er kendt som Chargaffs lov.

Denne sammenkobling er energisk fordelagtig, da det tillader at bevare en lignende bredde i hele strukturen og opretholde en lignende afstand langs sukker-fosfat-rygradsmolekylet. Bemærk, at en base af en ring passer sammen med en af en ring.

Dobbelt helix model

Det antydes, at den dobbelte helix er sammensat af 10,4 nukleotider pr. Tur, adskilt med en center-til-center-afstand på 3,4 nanometer. Rulleprocessen giver anledning til dannelse af riller i strukturen, der er i stand til at observere en større og en mindre rille.

Rillerne opstår, fordi de glycosidiske bindinger i baseparene ikke er overfor hinanden med hensyn til deres diameter. Pyrimidine O-2 og purin N-3 findes i den mindre rille, mens den største rille ligger i det modsatte område.

Hvis vi bruger analogien til en stige, består trinene af de komplementære basepar til hinanden, mens skelettet svarer til de to gribeskinner.

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

De to strenge er placeret på en antiparallel måde, hvilket betyder, at de er placeret på den modsatte måde med hensyn til deres polariteter som følger:

Derudover skal sekvensen for en af strengene være komplementær til sin partner, hvis det er en position der er A, i den antiparallelle streng skal der være en T.

Organisation

I hver menneskelig celle er der cirka to meter DNA, der skal pakkes effektivt.

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

histoner

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

Histoner er proteiner, der er så vigtige for eukaryote organismer, at de har været praktisk taget uændrede i løbet af udviklingen - huskende at en lav hastighed af mutationer indikerer, at det selektive tryk på det molekyle er stærkt. En defekt i histoner kan resultere i mangelfuld komprimering i DNA.

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

Når histoner "hypoacetyleres" kondenseres chromatinet, da acetylerede former neutraliserer de positive ladninger af lysiner (positivt ladede aminosyrer) i proteinet.

Nukleosomer og 30 nm fiber

DNA-strengen snor sig ind i histoner, og de danner strukturer, der ligner perlerne på en perlekæde, kaldet nukleosomer. I hjertet af denne struktur er to kopier af hver type histon: H2A, H2B, H3 og H4. Sammenslutningen af de forskellige histoner kaldes en "histonoktamer".

Oktamer er omgivet af ca. 146 basepar, der cirkler mindre end to gange. En human diploid celle indeholder ca. 6,4 x ¹⁰⁹ nukleotider, der er organiseret i 30 millioner nukleosomer.

Organisering i nukleosomer tillader, at DNA komprimeres til mere end en tredjedel af dets oprindelige længde.

I en fremgangsmåde til ekstraktion af genetisk materiale under fysiologiske forhold observeres det, at nukleosomer er arrangeret i en 30 nanometerfiber.

kromosomer

Kromosomer er den funktionelle arvelige enhed, hvis funktion er at bære gener fra et individ. Et gen er et segment af DNA, der indeholder informationen til at syntetisere et protein (eller serie proteiner). Der er imidlertid også gener, der koder for regulatoriske elementer, såsom RNA.

Alle humane celler (med undtagelse af gameter og blodlegemer) har to kopier af hvert kromosom, den ene arvet fra faren og den anden fra moren.

Kromosomer er strukturer, der består af et langt lineært stykke DNA, der er forbundet med de ovenfor nævnte proteinkomplekser. Normalt i eukaryoter er alt det genetiske materiale inkluderet i kernen opdelt i en serie kromosomer.

Organisering i prokaryoter

Prokaryoter er organismer, der mangler en kerne. I disse arter er det genetiske materiale stærkt opviklet sammen med alkaliske proteiner med lav molekylvægt. På denne måde komprimeres DNA'et og er placeret i en central region i bakterien.

Nogle forfattere kalder denne struktur ofte for et "bakteriekromosom", selvom det ikke har de samme egenskaber som et eukaryotisk kromosom.

DNA-mængde

Ikke alle arter af organismer indeholder den samme mængde DNA. Faktisk er denne værdi meget varierende mellem arter, og der er ingen sammenhæng mellem mængden af DNA og kompleksiteten af organismen. Denne modsigelse er kendt som "C-værdi-paradokset."

Den logiske begrundelse ville være at intuitere, at jo mere kompleks organismen er, jo mere DNA har den. Dette er dog ikke sandt.

For eksempel er genomet til lungefisken Protopterus aethiopicus 132 pg i størrelse (DNA kan kvantificeres i picogram = pg), mens det humane genom kun vejer 3,5 pg.

Det skal huskes, at ikke alt DNA fra en organisme koder for proteiner, en stor mængde heraf er relateret til regulatoriske elementer og med de forskellige typer RNA.

Strukturelle former for DNA

Watson og Crick-modellen, afledt af røntgendiffraktionsmønstre, er kendt som B-DNA-helix og er den "traditionelle" og bedst kendte model. Der er imidlertid to andre forskellige former, kaldet A-DNA og Z-DNA.

DNA - A

A-varianten roterer til højre, ligesom B-DNA, men er kortere og bredere. Denne form vises, når relativ fugtighed falder.

A-DNA roterer hvert 11. basepar, den største rille er smallere og dybere end B-DNA. Med hensyn til den mindre rille er dette mere overfladisk og bredt.

DNA - Z

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

Z-DNA vises, når der er korte sekvenser af pyrimidiner og puriner, der skifter med hinanden. Den største sulcus er flad, og den mindre er smal og dybere sammenlignet med B-DNA.

Selvom DNA-molekylet under fysiologiske forhold for det meste er i sin B-form, afslører eksistensen af de to beskrevne varianter det genetiske materiales fleksibilitet og dynamik.

Funktioner

DNA-molekylet indeholder al den information og instruktioner, der er nødvendige for konstruktionen af en organisme. Det komplette sæt genetisk information i organismer kaldes genomet.

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

Beskeden kan føre til dannelse af forskellige typer proteiner eller kode for et eller andet regulerende element. Processen, hvorpå disse databaser kan levere en meddelelse, forklares nedenfor:

Replikation, transskription og oversættelse

Meddelelsen krypteret i de fire bogstaver A, T, G og C resulterer i en fænotype (ikke alle DNA-sekvenser koder for proteiner). For at opnå dette skal DNA replikere sig selv i hver celledelingsproces.

DNA-replikation er semikonservativ: en streng tjener som en skabelon til dannelsen af det nye dattermolekyle. Replikation katalyseret af et antal enzymer, inklusive DNA-primase, DNA-helikase, DNA-ligase og topoisomerase.

Efterfølgende skal beskeden - skrevet på et basesekvenssprog - overføres til et mellemliggende molekyle: RNA (ribonukleinsyre). Denne proces kaldes transkription.

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

Dette enzym er ansvarligt for at kopiere meddelelsen om DNA og konvertere det til et messenger-RNA-molekyle. Med andre ord, målet med transkription er at få messenger.

Endelig forekommer oversættelsen af meddelelsen til messenger-RNA-molekyler takket være ribosomerne.

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

Den genetiske kode

Meddelelsen læses i "tripletter" eller grupper på tre bogstaver, der specificerer for en aminosyre - byggestenene til proteiner. Det er muligt at dechiffrere tripplenes meddelelse, da den genetiske kode allerede er afsløret fuldt ud.

Oversættelse begynder altid med aminosyren methionin, som kodes af starttripletten: AUG. "U" repræsenterer basisuracil og er karakteristisk for RNA og erstatter thymin.

Hvis messenger-RNA for eksempel har den følgende sekvens: AUG CCU CUU UUU UUA, oversættes den til følgende aminosyrer: methionin, prolin, leucin, phenylalanin og phenylalanin. Bemærk, at to trillinger - i dette tilfælde UUU og UUA - muligvis koder for den samme aminosyre: phenylalanin.

På grund af 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, som dikterer starten af translationen.

Processen stoppes med specifikke stop- eller stoptripletter: UAA, UAG og UGA. De er kendt under navnene henholdsvis oker, rav og opal. Når ribosomet detekterer dem, kan de ikke længere tilføje flere aminosyrer til kæden.

Kemiske og fysiske egenskaber

Nukleinsyrer er sure i naturen og er opløselige i vand (hydrofil). Dannelse af brintbindinger mellem phosphatgrupperne og hydroxylgrupperne af pentoser med vand kan forekomme. Det lades negativt ved fysiologisk pH.

DNA-opløsninger er meget viskøse på grund af deformationsmodstandsevnen for den dobbelte helix, som er meget stiv. Viskositeten falder, hvis nukleinsyren er enkeltstrenget.

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

DNA kan denatureres med varme, det vil sige, at strengene adskilles, når molekylet udsættes for høje temperaturer.

Mængden af varme, der skal påføres, afhænger af molekylets G - C - procentdel, fordi disse baser er forbundet med tre brintbindinger, hvilket øger modstanden mod adskillelse.

Hvad angår absorption af lys, har de en top ved 260 nanometer, hvilket øges, hvis nukleinsyren er enkeltstrenget, da nukleotidringene udsættes, og disse er ansvarlige for absorptionen.

Udvikling

Ifølge Lazcano et al. 1988 fremkommer DNA i overgangsfaser fra RNA, og er en af de vigtigste begivenheder i livshistorien.

Forfatterne foreslår tre stadier: en første periode, hvor der var molekyler svarende til nukleinsyrer, senere blev genomerne sammensat af RNA, og som det sidste trin dukkede DNA-genomerne med dobbeltbånd op.

Nogle bevis understøtter teorien om en primær verden baseret på RNA. Først kan proteinsyntese forekomme i fravær af DNA, men ikke når RNA mangler. Endvidere er RNA-molekyler med katalytiske egenskaber blevet opdaget.

Med hensyn til syntese af deoxyribonukleotider (til stede i DNA) kommer de altid fra reduktionen af ribonukleotider (til stede i RNA).

Den evolutionære innovation af et DNA-molekyle må have krævet tilstedeværelsen af enzymer, der syntetiserer DNA-forstadier og deltager i den omvendte transkription af RNA.

Ved at studere 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 overførsel og tab af gener og ikke-ortologe udskiftninger.

DNA-sekventering

DNA-sekventering består af at belyse sekvensen af DNA-strengen med hensyn til de fire baser, der sammensætter den.

Kendskab til denne sekvens er yderst vigtig i biologiske videnskaber. Det kan bruges til at skelne mellem to morfologisk meget lignende arter, til at detektere sygdomme, patologier eller parasitter og endda har en retsmedicinsk anvendelighed.

Sanger-sekventering blev udviklet i 1900-tallet og er den traditionelle teknik til afklaring af en sekvens. På trods af sin alder er det en gyldig metode og brugt vidt af forskere.

Sanger-metode

Metoden bruger DNA-polymerase, et yderst pålideligt enzym, der replikerer DNA i celler, der syntetiserer en ny streng DNA ved hjælp af en allerede eksisterende en som vejledning. Enzymet kræver en primer for at indlede syntese. Primeren er et lille DNA-molekyle komplementært til molekylet, der skal sekventeres.

I reaktionen tilsættes nucleotider, der vil blive inkorporeret i den nye DNA-streng af enzymet.

Foruden de "traditionelle" nukleotider inkluderer fremgangsmåden en række dideoxynukleotider for hver af baserne. De adskiller sig fra standardnukleotider i to egenskaber: Strukturelt tillader de ikke DNA-polymerase at tilføje flere nukleotider til datterstrengen, og de har en anden fluorescerende markør for hver base.

Resultatet er en række DNA-molekyler i forskellige længder, da dideoxynukleotiderne blev inkorporeret tilfældigt og stoppede replikationsprocessen i forskellige stadier.

Denne variation af molekyler kan adskilles i henhold til deres længde, og identiteten af nukleotiderne læses ved hjælp af udsendelse af lys fra den fluorescerende etiket.

Next Generation Sequencing

Sekventeringsteknikkerne, der er udviklet i de senere år, tillader en massiv analyse af millioner af prøver samtidig.

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

Referencer

Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., et al. (2002). Cellens molekylærbiologi. 4. udgave. New York: Garland Science. Struktur og funktion af DNA. Findes på: ncbi.nlm.nih.gov/
Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., et al. (2002). Cellens molekylærbiologi. 4. udgave. New York: Garland Science. Kromosomalt DNA og dens emballage i Chromatin Fiber. Fås på: ncbi.nlm.nih.gov
Berg, JM, Tymoczko, JL, Stryer, L. (2002). Biokemi. 5. udgave. New York: WH Freeman. Afsnit 27.1, DNA kan antage en række strukturelle former. Fås på: ncbi.nlm.nih.gov
Fierro, A. (2001). Kort historie om opdagelsen af DNA-strukturen. Pastor Méd Clínica Las Condes, 20, 71-75.
Forterre, P., Filée, J. & Myllykallio, H. (2000-2013) Oprindelse og udvikling af DNA og DNA-replikationsmaskiner. I: Madame Curie Bioscience Database. Austin (TX): Landes Bioscience. Fås på: ncbi.nlm.nih.gov
Lazcano, A., Guerrero, R., Margulis, L., & Oro, J. (1988). Den evolutionære overgang fra RNA til DNA i tidlige celler. Tidsskrift for molekylær evolution, 27 (4), 283-290.
Lodish, H., Berk, A., Zipursky, SL, et al. (2000). Molekylær cellebiologi. 4. udgave. New York: WH Freeman. Afsnit 9.5, Organisering af cellulært DNA i kromosomer. Fås på: ncbi.nlm.nih.gov/books
Voet, D., Voet, JG, & Pratt, CW (1999). Grundlæggende i biokemi. New York: John Willey og sønner.

DNA: HISTORIE, FUNKTIONER, STRUKTUR, KOMPONENTER - BIOLOGI - 2025