DNA: HISTORIA, TOIMINNOT, RAKENNE, KOMPONENTIT - BIOLOGIA - 2026

DNA (deoksiribonukleiinihappo) on biomolekyyli sisältää kaikki tarvittavat tiedot tuottaa kehon ja ylläpitää sen toimintaa. Se koostuu nukleotideiksi kutsuttuista yksiköistä, jotka puolestaan ​​koostuvat fosfaattiryhmästä, viiden hiilen sokerimolekyylistä ja typpipohjaisesta emäksestä.

Typpipitoisia emäksiä on neljä: adeniini (A), sytosiini (C), guaniini (G) ja tymiini (T). Adeniini pariutuu aina tymiinin ja guaniini parin kanssa sytosiinin kanssa. DNA-juosteen sisältämä viesti muunnetaan lähetti-RNA: ksi ja tämä osallistuu proteiinien synteesiin.

DNA on erittäin vakaa molekyyli, negatiivisesti varautunut fysiologisessa pH: ssa, joka assosioituu positiivisten proteiinien (histonien) kanssa kompaktioimaan tehokkaasti eukaryoottisolujen ytimessä. Pitkä DNA-ketju yhdessä erilaisten assosioituneiden proteiinien kanssa muodostaa kromosomin.

Historia

Vuonna 1953 amerikkalainen James Watson ja britti Francis Crick onnistuivat selvittämään DNA: n kolmiulotteisen rakenteen Rosalind Franklinin ja Maurice Wilkinsin kristallografiatyön ansiosta. He perustivat päätelmänsä myös muiden kirjoittajien työhön.

Kun DNA altistetaan röntgensäteille, muodostuu diffraktiokuvio, jota voidaan käyttää päättelemään molekyylin rakennetta: kahden oikein suuntautuvan vastakkaisen ketjun heliksi, jossa molemmat ketjut yhdistyvät vetysideilla emästen välillä.. Saatu malli oli seuraava:

Rakenteen voidaan olettaa noudattavan Braggin diffraktiolakeja: kun esine sijoitetaan röntgensäteen keskelle, se heijastuu, koska kohteen elektronit ovat vuorovaikutuksessa säteen kanssa.

Watsonin ja Crickin tulokset julkaistiin 25. huhtikuuta 1953 arvostetussa Nature-lehdessä vain kahdelle sivulle ulottuvassa artikkelissa, jonka otsikko oli "Nukleiinihappojen molekyylirakenne", joka mullisti täysin biologian alan.

Tämän löytön ansiosta tutkijat saivat Nobelin lääkepalkinnon vuonna 1962, lukuun ottamatta Frankliniä, joka kuoli ennen toimitusta. Tällä hetkellä tämä löytö on yksi suurimmista eksponenteista tieteellisen menetelmän onnistumiselle uuden tiedon hankkimiseksi.

komponentit

DNA-molekyyli koostuu nukleotideistä, yksiköistä, jotka koostuvat viiden hiilen sokerista, joka on kiinnittynyt fosfaattiryhmään, ja typpipitoisesta emäksestä. DNA: sta löydetty sokerityyppi on deoksiriboosityyppi ja tästä syystä sen nimi, deoksiribonukleiinihappo.

Ketjun muodostamiseksi nukleotidit yhdistetään kovalenttisesti fosfodiesterityyppisellä sidoksella sokerin 3'-hydroksyyliryhmän (-OH) ja seuraavan nukleotidin 5'-fosfofonin kautta.

Nukleotideja ei pidä sekoittaa nukleosidien kanssa. Jälkimmäinen tarkoittaa nukleotidin osaa, jonka muodostavat vain pentoosi (sokeri) ja typpipitoinen emäs.

DNA koostuu neljästä tyypistä typpipohjaisia ​​emäksiä: adeniini (A), sytosiini (C), guaniini (G) ja tymiini (T).

Typpiemäkset luokitellaan kahteen luokkaan: puriinit ja pyrimidiinit. Ensimmäinen ryhmä koostuu viiden atomin renkaasta, joka on kiinnitetty toiseen kuuden renkaan kanssa, kun taas pyrimidiinit koostuvat yhdestä renkaasta.

Mainituista emäksistä adeniini ja guaniini ovat puriinijohdannaisia. Sitä vastoin tymiini, sytosiini ja urasiili (läsnä RNA-molekyylissä) kuuluvat pyrimidiinien ryhmään.

Rakenne

DNA-molekyyli koostuu kahdesta nukleotidiketjusta. Tämä "ketju" tunnetaan DNA-juosteena.

Nämä kaksi juostetta yhdistetään vety- sidoksilla komplementaaristen emästen välillä. Typpiemäkset ovat kovalenttisesti kytketty sokerien ja fosfaattien runkoon.

Jokainen nukleotidi, joka sijaitsee yhdellä juosteella, voidaan kytkeä toisen spesifisen nukleotidin kanssa toisessa juosteessa, niin että muodostetaan tunnettu kaksoiskierre. Tehokkaan rakenteen muodostamiseksi A kytkeytyy aina T: n kanssa kahden vety sidoksen avulla ja G C: n kanssa kolmella sidoksella.

Chargaffin laki

Jos tutkimme typpipitoisten emästen osuuksia DNA: ssa, huomaat, että A: n määrä on identtinen T: n määrän kanssa ja sama G: n ja C: n kanssa. Tätä mallia kutsutaan Chargaffin lakiksi.

Tämä pariliitos on energeettisesti suotuisa, koska se sallii samanlaisen leveyden säilyttämisen rakennetta pitkin pitäen saman etäisyyden pitkin sokeri-fosfaattirungon molekyyliä. Huomaa, että renkaan pohja liittyy toiseen renkaasta.

Tupla kierre malli

On ehdotettu, että kaksoiskierre koostuu 10,4 nukleotidistä käännöstä kohden, jonka keskipisteestä toisiinsa on erotettu 3,4 nanometriä. Valssausprosessi aiheuttaa urien muodostumisen rakenteessa, jotta voidaan tarkkailla suurempaa ja pienempää uraa.

Urat syntyvät, koska emäsparien glykosidisidokset eivät ole vastakkain toistensa suhteen niiden halkaisijan suhteen. Pyrimidiini O-2 ja puriini N-3 löytyvät sivuraosta, kun taas suurin ura sijaitsee vastakkaisella alueella.

Jos käytämme tikkaiden analogiaa, rungot koostuvat toisiaan täydentävistä pohjapareista, kun taas luuranko vastaa kahta tartuntakiskoa.

DNA-molekyylin päät eivät ole samat, minkä vuoksi puhumme “napaisuudesta”. Yhdessä sen päässä, 3 ', on -OH-ryhmä, kun taas 5'-päässä on vapaa fosfaattiryhmä.

Nämä kaksi säiettä on sijoitettu vastakkaisella tavalla, mikä tarkoittaa, että ne sijaitsevat päinvastaisuuden suhteen napaisuuksien suhteen seuraavasti:

Lisäksi yhden juosteen sekvenssin on oltava komplementaarinen kumppanilleen, jos se on asema, jossa on A, antiparallel-juosteessa täytyy olla T.

organisaatio

Jokaisessa ihmisen solussa on noin kaksi metriä DNA: ta, joka on pakattava tehokkaasti.

Juoste on tiivistettävä siten, että se voi sisältyä mikroskooppiseen ytimeen, jonka halkaisija on 6 μm ja joka vie vain 10% solutilavuudesta. Tämä on mahdollista seuraavien tiivistysasteiden ansiosta:

histones

Eukaryooteissa on histoneiksi kutsuttuja proteiineja, joilla on kyky sitoutua DNA-molekyyliin, mikä on juosteen ensimmäinen tiivistysaste. Histoneilla on positiivisia varauksia voidakseen olla vuorovaikutuksessa fosfaattien tuottaman DNA: n negatiivisten varausten kanssa.

Histonit ovat proteiineja, jotka ovat niin tärkeitä eukaryoottisille organismeille, että ne ovat olleet käytännössä muuttumattomia evoluution aikana - muistaen, että pieni mutaatioiden määrä osoittaa, että selektiiviset paineet kyseiseen molekyyliin ovat vahvat. Histonivirhe voi johtaa puutteelliseen DNA: n tiivistymiseen.

Histonit voidaan modifioida biokemiallisesti ja tämä prosessi muuttaa geneettisen materiaalin tiivistymisastetta.

Kun histonit "hypoasetyloidaan", kromatiini on tiivistyneempi, koska asetyloidut muodot neutraloivat lysiinien (positiivisesti varautuneiden aminohappojen) positiiviset varaukset proteiinissa.

Nukleosomit ja 30 nm kuitu

DNA-juoste kääntyy histoneiksi ja ne muodostavat rakenteita, jotka muistuttavat helmen kaulakorun helmiä, nimeltään nukleosomit. Tämän rakenteen ytimessä on kaksi kopiota jokaisesta histonityypistä: H2A, H2B, H3 ja H4. Eri histonien yhdistystä kutsutaan "histonioktameeriksi".

Oktameeria ympäröi noin 146 emäsparia, jotka kiertävät vähemmän kuin kaksi kertaa. Ihmisen diploidisolupopu- sisältää noin 6,4 x 10 ⁹ nukleotidit, jotka on järjestetty 30000000 nukleosomeja.

Järjestys nukleosomeiksi mahdollistaa DNA: n tiivistymisen yli kolmannekseen sen alkuperäisestä pituudesta.

Geneettisen materiaalin uuttoprosessissa fysiologisissa olosuhteissa havaitaan, että nukleosomit on järjestetty 30 nanometrin kuituun.

kromosomit

Kromosomit ovat perinnöllisyyden funktionaalinen yksikkö, jonka tehtävänä on kuljettaa yksilön geenejä. Geeni on DNA-segmentti, joka sisältää tietoa proteiinin (tai proteiinisarjan) syntetisoimiseksi. On kuitenkin myös geenejä, jotka koodaavat säätelyelementtejä, kuten RNA.

Kaikilla ihmisen soluilla (sukusoluja ja verisoluja lukuun ottamatta) on kaksi kopiota jokaisesta kromosomista, toinen peritty isältä ja toinen äidiltä.

Kromosomit ovat rakenteita, jotka koostuvat pitkästä lineaarisesta DNA-kappaleesta, joka liittyy edellä mainittuihin proteiinikomplekseihin. Normaalisti eukaryooteissa kaikki ytimeen sisältyvät geneettiset materiaalit on jaettu kromosomisarjoihin.

Organisaatio prokaryooteissa

Prokaryootit ovat organismeja, joista puuttuu ydin. Näissä lajeissa geneettinen materiaali kääntyy voimakkaasti yhdessä alkalipitoisten proteiinien kanssa, joiden molekyylipaino on pieni. Tällä tavalla DNA tiivistetään ja se sijaitsee bakteerien keskialueella.

Jotkut kirjoittajat kutsuvat tätä rakennetta usein "bakteerikromosomiksi", vaikka sillä ei ole samoja ominaisuuksia kuin eukaryoottisella kromosomilla.

DNA-määrä

Kaikki organismit eivät sisällä yhtä paljon DNA: ta. Itse asiassa tämä arvo on hyvin vaihteleva lajien välillä, eikä DNA: n määrän ja organismin monimutkaisuuden välillä ole yhteyttä. Tämä ristiriita tunnetaan "C-arvon paradoksina".

Looginen päättely olisi intuitio, että mitä monimutkaisempi organismi on, sitä enemmän DNA: ta sillä on. Tämä ei kuitenkaan ole totta luonteeltaan.

Esimerkiksi keuhkokalan Protopterus aethiopicus -genomi on kooltaan 132 pg (DNA voidaan ilmaista pikogrammeina = pg), kun taas ihmisen genomi painaa vain 3,5 pg.

On muistettava, että kaikki organismin DNA: t eivät koodaa proteiineja, suuri osa tästä liittyy säätelyelementteihin ja erityyppisiin RNA: iin.

DNA: n rakennemuodot

Watson- ja Crick-malli, joka on johdettu röntgendiffraktiokuvioista, tunnetaan B-DNA-helixinä ja on ”perinteinen” ja tunnetuin malli. Kuitenkin on olemassa kaksi muuta erilaista muotoa, nimeltään A-DNA ja Z-DNA.

DNA - A

"A" -variantti pyörii oikealle, aivan kuten B-DNA, mutta on lyhyempi ja leveämpi. Tämä muoto tulee näkyviin, kun suhteellinen kosteus laskee.

A-DNA kiertää joka 11. emäsparia, pääura on kapeampi ja syvempi kuin B-DNA. Pieneen uraan nähden tämä on pinnallisempi ja leveämpi.

DNA - Z

Kolmas variantti on Z-DNA. Se on kapein muoto, jonka muodostavat ryhmä heksanukleotideja, jotka on järjestetty antiparalleelisten ketjujen dupleksiin. Yksi tämän muodon merkittävimmistä ominaisuuksista on, että se kääntyy vasemmalle, kun taas kaksi muuta tapaa tehdä se oikealle.

Z-DNA esiintyy, kun pyrimidiinien ja puriinien lyhyitä sekvenssejä on vuorotellen keskenään. Suurin sulcus on litteä ja minor on kapea ja syvempi verrattuna B-DNA: han.

Vaikka fysiologisissa olosuhteissa DNA-molekyyli on pääosin B-muodossaan, kuvattujen kahden muunnoksen olemassaolo paljastaa geneettisen materiaalin joustavuuden ja dynaamisuuden.

ominaisuudet

DNA-molekyyli sisältää kaikki organismin rakentamiseksi tarvittavat tiedot ja ohjeet. Täydellistä organismien geneettistä tietoa kutsutaan genomiksi.

Viestin koodaa "biologinen aakkoset": edellä mainitut neljä emästä, A, T, G ja C.

Viesti voi johtaa erityyppisten proteiinien tai koodin muodostumiseen joillekin säätelyelementeille. Prosessi, jolla nämä tietokannat voivat toimittaa viestin, selitetään alla:

Kopiointi, transkriptio ja käännös

Neljällä kirjaimella A, T, G ja C salattu viesti johtaa fenotyyppiin (kaikki DNA-sekvenssit eivät koodaa proteiineja). Tämän saavuttamiseksi DNA: n on replikoitava itsensä jokaisessa solunjakoprosessissa.

DNA-replikaatio on puolikonservatiivista: yksi juoste toimii templaattina uuden tytärmolekyylin muodostukseen. Useiden entsyymien, mukaan lukien DNA-primaasi, DNA-helikaasi, DNA-ligaasi ja topoisomeraasi, katalysoima replikaatio.

Myöhemmin, emässekvenssikielellä kirjoitettu viesti on lähetettävä välimolekyyliin: RNA (ribonukleiinihappo). Tätä prosessia kutsutaan transkriptioksi.

Jotta transkriptio tapahtuisi, erilaisten entsyymien, mukaan lukien RNA-polymeraasi, on osallistuttava.

Tämän entsyymin tehtävänä on kopioida DNA: n viesti ja muuntaa se Messenger-RNA-molekyyliksi. Toisin sanoen, transkription tavoitteena on saada lähettiläs.

Viimeinkin, viestin muuntaminen lähetti-RNA-molekyyleiksi tapahtuu ribosomien ansiosta.

Nämä rakenteet ottavat lähetti-RNA: n ja muodostavat yhdessä translaatiokoneiden kanssa määritellyn proteiinin.

Geneettinen koodi

Viesti luetaan "kolmoisina" tai kolmen kirjaimen ryhminä, jotka määrittelevät aminohapon - proteiinien rakennuspalikat. Kolmion viesti on mahdollista purkaa, koska geneettinen koodi on jo paljastettu kokonaan.

Translaatio alkaa aina aminohapolla metioniinilla, jota koodaa lähtökolmio: AUG. "U" edustaa emäksistä urasiilia ja on ominaista RNA: lle ja immuunille tymiinille.

Esimerkiksi, jos lähetti-RNA: lla on seuraava sekvenssi: AUG CCU CUU UUU UUA, se muunnetaan seuraaviksi aminohapoiksi: metioniini, proliini, leusiini, fenyylialaniini ja fenyylialaniini. Huomaa, että kaksi triplettiä - tässä tapauksessa UUU ja UUA - voivat koodata samaa aminohappoa: fenyylialaniinia.

Tämän ominaisuuden vuoksi sanotaan, että geneettinen koodi on rappeutunut, koska aminohappoa koodaa useampi kuin yksi triplettien sekvenssi paitsi aminohappo metioniini, joka sanoo translaation alkamisen.

Prosessi pysäytetään tietyillä stop- tai stop-tripleteilla: UAA, UAG ja UGA. Ne tunnetaan okran, meripihkan ja opaalin nimellä. Kun ribosomi havaitsee ne, he eivät voi enää lisätä enää aminohappoja ketjuun.

Kemialliset ja fysikaaliset ominaisuudet

Nukleiinihapot ovat luonteeltaan happamia ja liukenevat veteen (hydrofiilisiä). Vety sidoksia voi muodostua vedellä fosfaattiryhmien ja pentoosien hydroksyyliryhmien välillä. Se on negatiivisesti varautunut fysiologisessa pH: ssa.

DNA-liuokset ovat erittäin viskooseja johtuen kaksinkertaisen kierukan muodonkestävyyksestä, joka on erittäin jäykkä. Viskositeetti laskee, jos nukleiinihappo on yksijuosteinen.

Ne ovat erittäin stabiileja molekyylejä. Loogisesti, tämän ominaisuuden on oltava välttämätön rakenteissa, joissa on geneettistä tietoa. RNA: han verrattuna, DNA on paljon vakaampi, koska siitä puuttuu hydroksyyliryhmä.

DNA voidaan denaturoida lämpöä, ts. Säikeet erottuvat, kun molekyyli altistetaan korkeille lämpötiloille.

Käytettävän lämmön määrä riippuu molekyylin G-C-prosenttimäärästä, koska nämä emäkset yhdistetään kolmella vety sidoksella, mikä lisää vastustuskykyä erotukselle.

Mitä tulee valon absorptioon, niiden piikki on 260 nanometrissä, mikä kasvaa, jos nukleiinihappo on yksijuosteinen, koska nukleotidirenkaat paljastuvat ja nämä ovat vastuussa absorptiosta.

evoluutio

Lazcano et ai. 1988 DNA ilmenee RNA: n siirtymävaiheissa, ja se on yksi elämän historian tärkeimmistä tapahtumista.

Kirjoittajat ehdottavat kolmea vaihetta: ensimmäisessä jaksossa, jossa oli nukleiinihappojen kaltaisia ​​molekyylejä, myöhemmin genomit koostuivat RNA: sta ja viimeisenä vaiheena kaksikaistaiset DNA-genomit ilmestyivät.

Jotkut todisteet tukevat RNA: han perustuvaa primaarimaailman teoriaa. Ensinnäkin proteiinisynteesi voi tapahtua ilman DNA: ta, mutta ei silloin, kun RNA puuttuu. Lisäksi on löydetty RNA-molekyylejä, joilla on katalyyttisiä ominaisuuksia.

Mitä tulee deoksiribonukleotidien (läsnä DNA: ssa) synteesiin, ne tulevat aina ribonukleotidien (läsnä RNA: ssa) pelkistyksestä.

DNA-molekyylin evoluutioinnovaation on täytynyt vaatia entsyymien läsnäoloa, jotka syntetisoivat DNA-esiasteita ja osallistuvat RNA: n käänteiskopiointiin.

Tutkimalla nykyisiä entsyymejä voidaan päätellä, että nämä proteiinit ovat kehittyneet useita kertoja ja että siirtyminen RNA: sta DNA: han on monimutkaisempaa kuin aikaisemmin uskottiin, mukaan lukien geenien siirtymistä ja menettämistä sekä ei-ortologisia korvauksia.

DNA-sekvensointi

DNA-sekvensointi koostuu DNA-juosteen sekvenssin selvittämisestä sen muodostavien neljän emäksen suhteen.

Tämän sekvenssin tuntemus on äärimmäisen tärkeää biologisissa tieteissä. Sitä voidaan käyttää erottamaan kaksi morfologisesti hyvin samanlaista lajia toisistaan, havaitsemaan sairauksia, patologioita tai loisia, ja sillä on jopa oikeuslääketiede.

Sanger-sekvensointi kehitettiin 1900-luvulla, ja se on perinteinen tekniikka sekvenssin selventämiseksi. Iästään huolimatta se on kelvollinen menetelmä ja tutkijoiden laajalti käyttämä.

Sanger-menetelmä

Menetelmässä käytetään DNA-polymeraasia, erittäin luotettavaa entsyymiä, joka replikoi DNA: ta soluissa, syntetisoimalla uuden DNA-juosteen käyttämällä jo olemassa olevaa. Entsyymi vaatii alukkeen synteesin aloittamiseksi. Aluke on pieni DNA-molekyyli, joka on komplementaarinen sekvensoitavalle molekyylille.

Reaktiossa lisätään nukleotideja, jotka entsyymi sisällyttää uuteen DNA-juosteeseen.

"Perinteisten" nukleotidien lisäksi menetelmä sisältää sarjan dideoksinukleotideja jokaiselle emäkselle. Ne eroavat tavanomaisista nukleotideista kahdella ominaisuudella: rakenteellisesti ne eivät salli DNA-polymeraasin lisätä lisää nukleotidejä tytär juosteen ja niillä on erilainen fluoresoiva merkki jokaiselle emäkselle.

Tuloksena on useita DNA-molekyylejä, joiden pituus on eripituinen, koska dideoksinukleotidit sisällytettiin satunnaisesti ja pysäyttivät replikaatioprosessin eri vaiheissa.

Tämä molekyylivalikoima voidaan erottaa niiden pituuden mukaan ja nukleotidien identiteetti luetaan valon säteilyllä fluoresoivasta leimasta.

Seuraavan sukupolven sekvensointi

Viime vuosina kehitetyt sekvensointitekniikat mahdollistavat miljoonien näytteiden massiivisen analysoinnin samanaikaisesti.

Yksi merkittävimmistä menetelmistä on pyrosekvensointi, sekvensointi synteesillä, sekvensointi ligaatiolla ja seuraavan sukupolven sekvensointi Ion Torrentilla.

Viitteet

1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., et ai. (2002). Solun molekyylibiologia. 4. painos. New York: Garland Science. DNA: n rakenne ja toiminta. Saatavana osoitteessa: ncbi.nlm.nih.gov/
2. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., et ai. (2002). Solun molekyylibiologia. 4. painos. New York: Garland Science. Kromosomaalinen DNA ja sen pakkaukset kromatiinikuitussa. Saatavana osoitteessa: ncbi.nlm.nih.gov
3. Berg, JM, Tymoczko, JL, Stryer, L. (2002). Biokemia. 5. painos. New York: WH Freeman. Kohta 27.1, DNA voi olettaa erilaisia ​​rakennemuotoja. Saatavana osoitteessa: ncbi.nlm.nih.gov
4. Fierro, A. (2001). Lyhyt historia DNA: n rakenteen löytämisestä. Rev Méd Clínica Las Condes, 20, 71-75.
5. Forterre, P., Filée, J. & Myllykallio, H. (2000-2013) DNA: n ja DNA: n replikaatiokoneiden alkuperä ja kehitys. Julkaisussa: Madame Curie Bioscience Database. Austin (TX): Landes Bioscience. Saatavana osoitteessa: ncbi.nlm.nih.gov
6. Lazcano, A., Guerrero, R., Margulis, L., & Oro, J. (1988). Evoluutiovaihe RNA: sta DNA: han varhaisissa soluissa. Journal of molecular evolution, 27 (4), 283 - 290.
7. Lodish, H., Berk, A., Zipursky, SL, et ai. (2000). Molekyylisolubiologia. 4. painos. New York: WH Freeman. Kohta 9.5, Solu-DNA: n järjestäminen kromosomeiksi. Saatavana osoitteessa: ncbi.nlm.nih.gov/books
8. Voet, D., Voet, JG, & Pratt, CW (1999). Biokemian perusteet. New York: John Willey ja pojat.