Historia DNA, funkcje, struktura, składniki



The DNA (kwas dezoksyrybonukleinowy) jest biocząsteczką zawierającą wszystkie informacje niezbędne do wytworzenia organizmu i utrzymania jego funkcjonowania. Składa się z jednostek zwanych nukleotydami, utworzonych kolejno z grupy fosforanowej, cząsteczki cukru o pięciu atomach węgla i bazy azotowej.

Istnieją cztery zasady azotowe: adenina (A), cytozyna (C), guanina (G) i tymina (T). Adenina zawsze paruje z tyminą i guaniną z cytozyną. Komunikat zawarty w nici DNA przekształca się w informacyjny RNA, który bierze udział w syntezie białek.

DNA jest niezwykle stabilną cząsteczką, naładowaną ujemnie przy fizjologicznym pH, która jest związana z dodatnimi białkami (histonami), aby skutecznie zagęszczać się w jądrze komórek eukariotycznych. Długa nić DNA wraz z różnymi związanymi białkami tworzy chromosom.

Indeks

  • 1 Historia
  • 2 komponenty
  • 3 Struktura
    • 3.1 Prawo Chargaffa
    • 3.2 Model z podwójną helisą
  • 4 Organizacja
    • 4.1 Histony
    • 4.2 Nukleosomy i włókno 30 nm
    • 4.3 Chromosomy
    • 4.4 Organizacja u prokariotów
    • 4.5 Ilość DNA
  • 5 Formalne formy DNA
    • 5.1 DNA-A
    • 5.2 ADN-Z
  • 6 funkcji
    • 6.1 Replikacja, transkrypcja i tłumaczenie
    • 6.2 Kod genetyczny
  • 7 Właściwości chemiczne i fizyczne
  • 8 Ewolucja
  • 9 Sekwencjonowanie DNA
    • 9.1 Metoda Sangera
  • 10 Sekwencjonowanie nowej generacji
  • 11 Odniesienia

Historia

W roku 1953 Amerykanin James Watson i brytyjski Francis Crick zdołali wyjaśnić trójwymiarową strukturę DNA dzięki pracy w krystalografii przeprowadzonej przez Rosalind Franklin i Maurice'a Wilkinsa. Opierają się również na pracach innych autorów.

Narażenie DNA na promieniowanie rentgenowskie tworzy wzór dyfrakcyjny, który można wykorzystać do wnioskowania o strukturze cząsteczki: helisa dwóch łańcuchów antyrównoległych, które obracają się w prawo, gdzie oba łańcuchy są połączone wiązaniami wodorowymi między podstawami , Uzyskany wzór był następujący:

Strukturę można przyjąć zgodnie z prawami dyfrakcji Bragga: gdy obiekt jest umieszczony w środku wiązki promieni rentgenowskich, jest odbijany, ponieważ elektrony obiektu oddziałują z promieniem.

25 kwietnia 1953 r. Wyniki Watsona i Cricka zostały opublikowane w prestiżowym czasopiśmie Natura, w dwu stronicowym artykule zatytułowanym „Struktura molekularna kwasów nukleinowych„To całkowicie zrewolucjonizuje dziedzinę biologii.

Dzięki temu odkryciu naukowcy otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie medycyny w 1962 r., Z wyjątkiem Franklina, który zmarł przed porodem. Obecnie to odkrycie jest jednym z głównych czynników sukcesu naukowej metody zdobywania nowej wiedzy.

Komponenty

Cząsteczka DNA składa się z nukleotydów, jednostek utworzonych przez cukier z pięciu atomów węgla przyłączonych do grupy fosforanowej i zasady azotowej. Rodzaj cukru znajdowanego w DNA jest typu deoksyrybozy, stąd jego nazwa, kwas dezoksyrybonukleinowy.

Aby utworzyć łańcuch, nukleotydy są kowalencyjnie połączone wiązaniem fosfodiestrowym za pomocą grupy 3'-hydroksylowej (-OH) z jednego cukru i 5'-fosfafo z następującego nukleotydu.

Nie należy mylić nukleotydów z nukleozydami. Ta ostatnia odnosi się do części nukleotydu utworzonej tylko przez pentozę (cukier) i zasadę azotową.

DNA składa się z czterech rodzajów zasad azotowych: adeniny (A), cytozyny (C), guaniny (G) i tyminy (T).

Zasady azotowe dzieli się na dwie kategorie: puryny i pirymidyny. Pierwsza grupa składa się z pierścienia złożonego z pięciu atomów połączonych z sześcioma pierścieniami, podczas gdy pirymidyny składają się z jednego pierścienia.

Spośród wymienionych zasad adenina i guanina są pochodnymi puryn. Natomiast grupa pirymidyn należy do tyminy, cytozyny i uracylu (obecnych w cząsteczce RNA).

Struktura

Cząsteczka DNA składa się z dwóch łańcuchów nukleotydowych. Ten „łańcuch” jest znany jako nić DNA.

Dwie nici są połączone wiązaniami wodorowymi między komplementarnymi zasadami. Zasady azotowe są połączone kowalencyjnie ze szkieletem cukrów i fosforanów.

Każdy nukleotyd zlokalizowany w jednej nici może być sprzężony z innym specyficznym nukleotydem drugiej nici, tworząc znaną podwójną helisę. Aby utworzyć sprawną strukturę, A zawsze sprzęga się z T za pomocą dwóch mostków wodorowych, a G z C za pomocą trzech mostów.

Prawo Chargaffa

Jeśli zbadamy proporcje zasad azotowych w DNA, odkryjemy, że ilość A jest identyczna z ilością T i tym samym z G i C. Ten wzór jest znany jako prawo Chargaffa.

To parowanie jest korzystne energetycznie, ponieważ pozwala zachować podobną szerokość wzdłuż struktury, utrzymując podobną odległość wzdłuż cząsteczki szkieletu fosforanu cukru. Zauważ, że podstawa pierścienia jest połączona z jednym pierścieniem.

Model podwójnej helisy

Proponuje się, że podwójna helisa składa się z 10,4 nukleotydów na obrót, oddzielonych odległością od środka do środka wynoszącą 3,4 nanometra. Proces walcowania powoduje powstawanie rowków w strukturze, umożliwiając obserwację większego i mniejszego rowka.

Rowki powstają, ponieważ wiązania glikozydowe w parach zasad nie są naprzeciw siebie, w odniesieniu do ich średnicy. W mniejszym rowku znajduje się pirymidyna O-2 i puryna N-3, podczas gdy główny rowek znajduje się w przeciwległym regionie.

Jeśli użyjemy analogii drabiny, szczeble składają się z par zasad komplementarnych do siebie, podczas gdy szkielet odpowiada dwóm szynom chwytowym.

Końce cząsteczki DNA nie są takie same, więc mówimy o „polaryzacji”. Jeden z jego końców, 3 ', zawiera grupę -OH, podczas gdy koniec 5' ma wolną grupę fosforanową.

Obydwa pasma znajdują się antyrównolegle, co oznacza, że ​​znajdują się naprzeciwko ich biegunowości, jak następuje:

Ponadto sekwencja jednego z wątków musi być komplementarna do partnera, jeśli znajduje się w pozycji A, w wątku antyrównoległym musi być T.

Organizacja

W każdej komórce ludzkiej znajduje się około dwóch metrów DNA, które muszą być skutecznie pakowane.

Pasmo musi być zagęszczone, aby mogło być zawarte w mikroskopijnym rdzeniu o średnicy 6 μm, które zajmuje tylko 10% objętości komórki. Jest to możliwe dzięki następującym poziomom zagęszczania:

Histony

W eukariotach występują białka zwane histonami, które mają zdolność wiązania się z cząsteczką DNA, będąc pierwszym poziomem zagęszczenia nici. Histony mają ładunki dodatnie, aby móc oddziaływać z ujemnymi ładunkami DNA, wnoszonymi przez fosforany.

Histony są tak ważnymi białkami dla organizmów eukariotycznych, które były praktycznie niezmienne w trakcie ewolucji - pamiętając, że niski wskaźnik mutacji wskazuje, że presja selekcyjna na tę cząsteczkę jest silna. Wada histonów może spowodować wadliwe zagęszczenie DNA.

Histony mogą być modyfikowane biochemicznie i ten proces modyfikuje poziom zagęszczenia materiału genetycznego.

Gdy histony są „hipoacetylowane”, chromatyna jest bardziej skondensowana, ponieważ formy acetylowane neutralizują ładunki dodatnie lizyn (aminokwasy naładowane dodatnio) w białku.

Nukleosomy i włókno 30 nm

Nić DNA jest zwinięta w histony i tworzy struktury przypominające koraliki naszyjnik z pereł, zwane nukleosomami. Sercem tej struktury są dwie kopie każdego typu histonów: H2A, H2B, H3 i H4. Połączenie różnych histonów nazywane jest „oktamerem histonów”.

Oktamer jest otoczony przez 146 par zasad, dając mniej niż dwa obroty. Ludzka komórka diploidalna zawiera około 6,4 x 109 nukleotydy zorganizowane w 30 milionów nukleosomów.

Organizacja w nukleosomach pozwala na kompaktowanie DNA w ponad jednej trzeciej jego pierwotnej długości.

W procesie ekstrakcji materiału genetycznego w warunkach fizjologicznych obserwuje się, że nukleosomy są ułożone we włóknie o wielkości 30 nanometrów.

Chromosomy

Chromosomy są funkcjonalną jednostką dziedziczenia, której funkcją jest przenoszenie genów jednostki. Gen to segment DNA zawierający informacje do syntezy białka (lub serii białek). Istnieją jednak również geny kodujące elementy regulacyjne, takie jak RNA.

Wszystkie ludzkie komórki (z wyjątkiem gamet i erytrocytów krwi) mają dwie kopie każdego chromosomu, jeden odziedziczony po ojcu, a drugi od matki.

Chromosomy są strukturami złożonymi z długiej liniowej części DNA związanej z kompleksami białkowymi wspomnianymi powyżej. Zwykle u eukariontów cały materiał genetyczny zawarty w jądrze jest podzielony na szereg chromosomów.

Organizacja u prokariotów

Prokarionty to organizmy pozbawione jądra. U tych gatunków materiał genetyczny jest silnie zwijany razem z białkami alkalicznymi o niskiej masie cząsteczkowej. W ten sposób DNA jest zagęszczony i umieszczony w centralnym regionie bakterii.

Niektórzy autorzy zwykle określają tę strukturę „chromosomem bakteryjnym”, chociaż nie mają takich samych cech jak chromosom eukariotyczny.

Ilość DNA

Nie wszystkie gatunki organizmów zawierają taką samą ilość DNA. W rzeczywistości wartość ta jest bardzo zmienna między gatunkami i nie ma związku między ilością DNA a złożonością organizmu. Ta sprzeczność jest znana jako „paradoks wartości C”.

Logicznym rozumowaniem byłoby przeczucie, że im bardziej złożony jest organizm, tym więcej ma DNA. Nie jest to jednak prawda z natury.

Na przykład genom lungfish Protopterus aethiopicus ma wielkość 132 pg (DNA można określić ilościowo w pikogramach = pg), podczas gdy ludzki genom waży tylko 3,5 pg.

Pamiętaj, że nie całe DNA organizmu koduje białka, duża część jest związana z elementami regulacyjnymi i różnymi typami RNA.

Strukturalne formy DNA

Model Watsona i Cricka, wydedukowany na podstawie dyfraktogramów rentgenowskich, jest znany jako spirala B-DNA i jest „tradycyjnym” i najlepiej znanym modelem. Istnieją jednak dwie inne różne formy, zwane DNA-A i DNA-Z.

DNA-A

Wariant „A” obraca się w prawo, podobnie jak DNA-B, ale jest krótszy i szerszy. Ta postać pojawia się, gdy wilgotność względna maleje.

DNA-A obraca się co 11 par zasad, główny rowek jest węższy i głębszy niż B-DNA. W odniesieniu do mniejszego rowka jest to bardziej powierzchowne i szerokie.

ADN-Z

Trzeci wariant to Z-DNA. Jest to najwęższa forma, utworzona przez grupę heksanukleotydów zorganizowanych w dupleks łańcuchów antyrównoległych. Jedną z najbardziej uderzających cech tej formy jest to, że obraca się w lewo, podczas gdy pozostałe dwie formy robią to w prawo.

Z-DNA pojawia się, gdy występują krótkie sekwencje naprzemiennych pirymidyn i puryn. Większy rowek jest płaski, a mniejszy jest węższy i głębszy w porównaniu z B-DNA.

Chociaż w warunkach fizjologicznych cząsteczka DNA występuje głównie w formie B, istnienie dwóch opisanych wariantów ujawnia elastyczność i dynamizm materiału genetycznego.

Funkcje

Cząsteczka DNA zawiera wszystkie informacje i instrukcje niezbędne do budowy organizmu. Nazywany jest kompletny zestaw informacji genetycznych w organizmach genom.

Wiadomość jest zakodowana przez „biologiczny alfabet”: cztery wspomniane wcześniej zasady, A, T, G i C.

Wiadomość może prowadzić do powstawania różnych typów białek lub kodowania jakiegoś elementu regulacyjnego. Proces, w którym te bazy mogą dostarczyć wiadomość, jest wyjaśniony poniżej:

Replikacja, transkrypcja i tłumaczenie

Wiadomość zaszyfrowana czterema literami A, T, G i C daje w rezultacie fenotyp (nie wszystkie sekwencje DNA kodują białka). Aby to osiągnąć, DNA musi się replikować w każdym procesie podziału komórki.

Replikacja DNA jest półkonserwatywna: nić służy jako szablon do tworzenia nowej cząsteczki potomnej. Różne enzymy katalizują replikację, w tym primazę DNA, helikazę DNA, ligazę DNA i topoizomerazę.

Następnie wiadomość - napisana w języku sekwencji podstawowej - musi być przekazana do cząsteczki pośredniej: RNA (kwas rybonukleinowy). Ten proces nazywa się transkrypcją.

Aby nastąpiła transkrypcja, muszą w niej uczestniczyć różne enzymy, w tym polimeraza RNA.

Enzym ten jest odpowiedzialny za kopiowanie komunikatu DNA i przekształcanie go w cząsteczkę informacyjnego RNA. Innymi słowy, celem transkrypcji jest uzyskanie posłańca.

W końcu wiadomość zostaje przetłumaczona na cząsteczki RNA informacyjnego dzięki rybosomom.

Struktury te pobierają informacyjny RNA i wraz z maszynerią translacyjną tworzą określone białko.

Kod genetyczny

Komunikat jest odczytywany w „trójkach” lub grupach trzech liter określających aminokwas - strukturalne bloki białek. Możliwe jest rozszyfrowanie wiadomości trojaczków, ponieważ kod genetyczny został już całkowicie odsłonięty.

Tłumaczenie zawsze zaczyna się od aminokwasu metioniny, który jest kodowany przez tryplet startowy: AUG. „U” reprezentuje zasadę uracylu i jest charakterystyczna dla RNA i zastępuje tyminę.

Na przykład, jeśli informacyjny RNA ma następującą sekwencję: AUG CCU CUU UUU UUA, jest on tłumaczony na następujące aminokwasy: metionina, prolina, leucyna, fenyloalanina i fenyloalanina. Zauważ, że możliwe jest, że dwa tryplety - w tym przypadku UUU i UUA - kodują ten sam aminokwas: fenyloalanina.

Dla tej właściwości mówi się, że kod genetyczny jest zdegenerowany, ponieważ aminokwas jest kodowany przez więcej niż jedną sekwencję trojaczków, z wyjątkiem aminokwasu metioniny, który dyktuje początek tłumaczenia.

Proces jest zatrzymywany przez określone tryplety kończące lub zatrzymujące: UAA, UAG i UGA. Znane są pod nazwami odpowiednio ochra, bursztyn i opal. Gdy rybosom je wykryje, nie mogą już dodawać więcej aminokwasów do łańcucha.

Właściwości chemiczne i fizyczne

Kwasy nukleinowe mają charakter kwaśny i są rozpuszczalne w wodzie (hydrofilowe). Może wystąpić tworzenie wiązań wodorowych między grupami fosforanowymi i grupami hydroksylowymi pentoz z wodą. Jest naładowany ujemnie przy fizjologicznym pH.

Roztwory DNA są bardzo lepkie, ze względu na odporność na deformację podwójnej helisy, która jest bardzo sztywna. Lepkość zmniejsza się, jeśli kwas nukleinowy jest jednoniciowy.

Są to bardzo stabilne cząsteczki. Logicznie rzecz biorąc, ta cecha musi być niezbędna w strukturach, które niosą informację genetyczną. W porównaniu z RNA, DNA jest znacznie bardziej stabilny, ponieważ nie ma grupy hydroksylowej.

DNA może zostać zdenaturowane przez ciepło, to znaczy nici oddzielają się, gdy cząsteczka jest wystawiona na wysokie temperatury.

Ilość ciepła, która musi być zastosowana, zależy od procentowej zawartości G-C cząsteczki, ponieważ te zasady są połączone trzema wiązaniami wodorowymi, zwiększając odporność na separację.

Jeśli chodzi o absorpcję światła, mają pik przy 260 nanometrach, który wzrasta, jeśli kwas nukleinowy jest jednoniciowy, ponieważ odsłaniają pierścienie nukleotydów i są one odpowiedzialne za absorpcję.

Ewolucja

Według Lazcano et al. 1988 DNA powstaje w etapach przejścia z RNA, będąc jednym z najważniejszych wydarzeń w historii życia.

Autorzy proponują trzy etapy: pierwszy okres, w którym istniały molekuły podobne do kwasów nukleinowych, później genomy zostały utworzone z RNA i jako ostatni etap pojawiły się dwupasmowe genomy DNA.

Niektóre dowody potwierdzają teorię świata pierwotnego opartego na RNA. Po pierwsze, synteza białek może wystąpić przy braku DNA, ale nie w przypadku braku RNA. Ponadto odkryto cząsteczki RNA o właściwościach katalitycznych.

Jeśli chodzi o syntezę deoksyrybonukleotydu (obecnego w DNA), zawsze pochodzą z redukcji rybonukleotydów (obecnych w RNA).

Ewolucyjna innowacja cząsteczki DNA musiała wymagać obecności enzymów, które syntetyzują prekursory DNA i uczestniczą w retrotranskrypcji RNA.

Badając obecne enzymy, można wywnioskować, że białka te ewoluowały kilka razy i że przejście od RNA do DNA jest bardziej złożone niż wcześniej sądzono, w tym procesy transferu i utraty genów oraz nieortologiczne wymiany..

Sekwencjonowanie DNA

Sekwencjonowanie DNA polega na wyjaśnieniu sekwencji nici DNA pod względem czterech zasad, które ją tworzą.

Znajomość tej sekwencji ma ogromne znaczenie w naukach biologicznych. Może być używany do rozróżniania między dwoma morfologicznie bardzo podobnymi gatunkami, do wykrywania chorób, patologii lub pasożytów, a nawet do zastosowania w medycynie sądowej.

Sekwencjonowanie Sangera zostało opracowane na początku XX wieku i jest tradycyjną techniką wyjaśniającą sekwencję. Pomimo swojego wieku jest to ważna metoda szeroko stosowana przez naukowców.

Metoda Sangera

Metoda wykorzystuje polimerazę DNA, wysoce niezawodny enzym, który replikuje DNA w komórkach, syntetyzując nowy łańcuch DNA przy użyciu innej wcześniej istniejącej wytycznej. Enzym wymaga pierwszy lub starter do rozpoczęcia syntezy. Primer to mała cząsteczka DNA komplementarna do cząsteczki, którą chcesz sekwencjonować.

W reakcji dodaje się nukleotydy, które zostaną włączone do nowej nici DNA przez enzym.

Oprócz „tradycyjnych” nukleotydów, metoda obejmuje szereg dideoksynukleotydów dla każdej z zasad. Różnią się one od standardowych nukleotydów dwiema cechami: strukturalnie nie pozwalają polimerazie DNA dodawać więcej nukleotydów do łańcucha potomnego i mają inny znacznik fluorescencyjny dla każdej zasady.

Rezultatem jest różnorodność cząsteczek DNA o różnej długości, ponieważ dideoksynukleotydy zostały losowo włączone i zatrzymały proces replikacji w różnych etapach.

Ta różnorodność cząsteczek może być rozdzielona w zależności od ich długości, a tożsamość nukleotydów jest odczytywana przez emisję światła ze znacznika fluorescencyjnego..

Sekwencjonowanie nowej generacji

Opracowane w ostatnich latach techniki sekwencjonowania pozwalają na masową analizę milionów próbek jednocześnie.

Wśród najbardziej wybitnych metod jest pirosekwencjonowanie, sekwencjonowanie przez syntezę, sekwencjonowanie przez ligację i sekwencjonowanie nowej generacji przez Ion Torrent..

Referencje

  1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., i in. (2002). Molekularna biologia komórki. 4. edycja. Nowy Jork: Garland Science. Struktura i funkcja DNA. Dostępne pod adresem: ncbi.nlm.nih.gov/
  2. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., i in. (2002). Molekularna biologia komórki. 4. edycja. Nowy Jork: Garland Science. Chromosomalny DNA i jego opakowanie w włóknie chromatyny. Dostępne pod adresem: ncbi.nlm.nih.gov
  3. Berg, J.M., Tymoczko, J.L., Stryer, L. (2002). Biochemia 5. edycja. Nowy Jork: W H Freeman. Sekcja 27.1, DNA może przyjmować różne formy strukturalne. Dostępne pod adresem: ncbi.nlm.nih.gov
  4. Fierro, A. (2001). Krótka historia odkrycia struktury DNA. Rev Med Clinic Las Condes, 20, 71-75.
  5. Forterre, P., Filée, J. i Myllykallio, H. (2000-2013) Pochodzenie i ewolucja maszyn do replikacji DNA i DNA. W: Baza danych Madame Curie Bioscience [Internet] Austin (TX): Landes Bioscience. Dostępne pod adresem: ncbi.nlm.nih.gov
  6. Lazcano, A., Guerrero, R., Margulis, L., i Oro, J. (1988). Ewolucyjne przejście od RNA do DNA we wczesnych komórkach. Dziennik ewolucji molekularnej, 27(4), 283-290.
  7. Lodish, H., Berk, A., Zipursky, S.L., i in. (2000). Molekularna biologia komórkowa. 4. edycja. Nowy Jork: W. H. Freeman. Sekcja 9.5, Organizowanie komórkowego DNA w chromosomy. Dostępne pod adresem: ncbi.nlm.nih.gov/books
  8. Voet, D., Voet, J. G., i Pratt, C. W. (1999). Podstawy biochemii. Nowy York: John Willey and Sons.