ДНК историја, функције, структура, компоненте



Тхе ДНА (деоксирибонуклеинска киселина) је биомолекула која садржи све информације потребне за стварање организма и одржавање његовог функционисања. Састоји се од јединица које се називају нуклеотиди, формиране наизменично од фосфатне групе, молекула шећера од пет угљеника и азотне базе.

Постоје четири азотне базе: аденин (А), цитозин (Ц), гванин (Г) и тимин (Т). Аденин се увек спарује са тимином и гванином са цитозином. Порука садржана у ланцу ДНК трансформише се у РНК гласника и она учествује у синтези протеина.

ДНК је екстремно стабилан молекул, негативно набијен на физиолошком пХ, који је повезан са позитивним протеинима (хистонима) да се ефикасно компактирају у језгру еукариотских ћелија. Дуги ланац ДНК, заједно са различитим сродним протеинима, формира хромозом.

Индек

  • 1 Хистори
  • 2 Цомпонентс
  • 3 Структура
    • 3.1 Закон Чаргафа
    • 3.2 Модел двоструке спирале
  • 4 Организација
    • 4.1 Хистони
    • 4.2 Нуклеозоми и 30 нм влакна
    • 4.3 Хромозоми
    • 4.4 Организација у прокариотима
    • 4.5 Количина ДНК
  • Структурни облици ДНК
    • 5.1 ДНК-А
    • 5.2 АДН-З
  • 6 Функције
    • 6.1 Реплицирање, транскрипција и превод
    • 6.2 Генетски код
  • 7 Хемијске и физичке особине
  • 8 Еволутион
  • ДНА секвенцирање
    • 9.1 Сангер метода
  • 10 Секвенцирање нове генерације
  • 11 Референце

Хистори

Године 1953. Американац Јамес Ватсон и Британац Францис Црицк успјели су разјаснити тродимензионалну структуру ДНК, захваљујући раду у кристалографији коју су провели Росалинд Франклин и Маурице Вилкинс. Они су своје закључке заснивали и на радовима других аутора.

Излагање ДНК рендгенским зрацима формира дифракцијски образац који се може користити за закључивање структуре молекула: хеликс два антипаралелна ланца који се окрећу удесно, где су оба ланца повезана водоничним везама између база . Добијени образац је био следећи:

Структура се може претпоставити законима Браггове дифракције: када се објекат уметне у средину снопа рендгенских зрака, он се рефлектује, пошто електрони објекта интерагују са зраком.

25. априла 1953. резултати Ватсона и Црицка објављени су у престижном часопису Природа, у чланку на две странице под насловом "Молекуларна структура нуклеинских киселинаТо би потпуно револуционирало поље биологије.

Захваљујући овом открићу, истраживачи су добили Нобелову награду за медицину 1962. године, осим Франклина који је умро прије порођаја. Тренутно је ово откриће један од највећих показатеља успјеха знанствене методе за стицање нових знања.

Компоненте

Молекул ДНК је састављен од нуклеотида, јединица формираних од шећера пет угљеника везаних за фосфатну групу и азотне базе. Тип шећера који се налази у ДНК је типа дезоксирибозе, па стога и његово име, дезоксирибонуклеинска киселина.

Да би се формирао ланац, нуклеотиди су ковалентно везани фосфодиестерском везом помоћу 3'-хидроксилне групе (-ОХ) из једног шећера и 5'-фосфофа из следећег нуклеотида.

Не мешајте нуклеотиде са нуклеозидима. Ово последње се односи на део нуклеотида који је формиран само пентозом (шећер) и азотном базом.

ДНК се састоји од четири типа азотних база: аденин (А), цитозин (Ц), гванин (Г) и тимин (Т).

Азотне базе се класификују у две категорије: пурини и пиримидини. Прва група се састоји од прстена од пет атома спојених на други прстен од шест, док су пиримидини састављени од једног прстена.

Од наведених база, аденин и гванин су деривати пурина. Насупрот томе, група пиримидина припада тимину, цитозину и урацилу (присутна у РНА молекулу).

Структура

Молекул ДНК се састоји од два нуклеотидна ланца. Овај "ланац" је познат као ДНК ланац.

Два ланца су повезана водиковим везама између комплементарних база. Азотне базе су ковалентно повезане са скелетом шећера и фосфата.

Сваки нуклеотид који се налази у једном ланцу може бити повезан са другим специфичним нуклеотидом другог ланца, да би се формирао познати двоструки хеликс. Да би се формирала ефикасна структура, А се увек повезује са Т помоћу два водонична моста, а Г са Ц помоћу три моста.

Цхаргаффов закон

Ако проучавамо пропорције азотних база у ДНК, открићемо да је количина А идентична са количином Т и иста са Г и Ц. Овај образац је познат као Цхаргаффов закон.

Ово упаривање је енергетски повољно, јер омогућава да се сачува слична ширина дуж структуре, одржавајући сличну удаљеност дуж молекула костура шећерне фосфате. Имајте на уму да је база прстена повезана са једним прстеном.

Модел двоструке спирале

Предложено је да је двострука спирала састављена од 10,4 нуклеотида по скретању, раздвојене раздаљином од центра до центра од 3,4 нанометра. Процес ваљања доводи до формирања жљебова у конструкцији, при чему се може уочити велики и мањи жлеб.

Жљебови настају зато што гликозидне везе у базним паровима нису једна насупрот друге, с обзиром на њихов пречник. У малом жлебу су пиримидин О-2 и пурински Н-3, док се главни жлеб налази у супротном подручју.

Ако користимо аналогију мердевина, пречке се састоје од парова база који се међусобно допуњују, док костур одговара двема прирубницама.

Крајеви ДНК молекула нису исти, тако да говоримо о "поларитету". Један од његових крајева, 3 ', носи -ОХ групу, док 5' крај има слободну фосфатну групу.

Два ланца су лоцирана антипаралелно, што значи да се налазе супротно од њихових поларитета, као што следи:

Поред тога, секвенца једне од нити мора бити комплементарна са својим партнером, ако је пронађена позиција А, у антипаралелном низу мора постојати Т.

Организација

У свакој људској ћелији има приближно два метра ДНК који мора бити ефикасно упакован.

Прамен мора бити збијен тако да може бити садржан у микроскопском језгру промјера 6 μм који заузима само 10% волумена ћелије. То је могуће захваљујући следећим нивоима збијања:

Хистонес

Код еукариота постоје протеини названи хистони, који имају способност везивања за ДНК молекул, што је први ниво збијања траке. Хистони имају позитивне набоје да би могли да интерагују са негативним набојем ДНК, које доприносе фосфати.

Хистони су тако важни протеини за еукариотске организме који су практично непромјењиви у току еволуције - подсјећајући да ниска стопа мутација указује да су селективни притисци на овај молекул јаки. Дефект хистона може довести до дефектног збијања ДНК.

Хистони се могу модификовати биохемијски и овај процес модификује ниво збијања генетског материјала.

Када су хистони "хипоацетилирани" кроматин је више кондензован, пошто ацетиловани облици неутралишу позитивне набоје лизина (позитивно наелектрисаних аминокиселина) у протеину.

Нуклеосоми и 30 нм влакна

ДНК ланац је замотан у хистоне и формира структуре које наликују перли огрлице од бисера, названих нуклеосоми. У срцу ове структуре су двије копије сваке врсте хистона: Х2А, Х2Б, Х3 и Х4. Унија различитих хистона назива се "хистонски октамер".

Октамер је окружен са 146 пари база, дајући мање од два окрета. Људска диплоидна ћелија садржи приближно 6,4 к 109 нуклеотида који су организовани у 30 милиона нуклеосома.

Организација у нуклеозомима омогућава компактирање ДНК у више од трећине своје оригиналне дужине.

У процесу екстракције генетског материјала у физиолошким условима уочено је да су нуклеосоми распоређени у влакну од 30 нанометара.

Хромозоми

Хромозоми су функционална јединица наслеђивања, чија је функција да носе гене појединца. Ген је сегмент ДНК који садржи информације за синтезу протеина (или серије протеина). Међутим, постоје и гени који кодирају регулаторне елементе, као што је РНК.

Све људске ћелије (осим гамета и крвних еритроцита) имају две копије сваког хромозома, од којих је једна наследена од оца, а друга од мајке..

Хромозоми су структуре састављене од дугог линеарног дела ДНК који је повезан са горе поменутим протеинским комплексима. Нормално код еукариота, сав генетски материјал укључен у нуклеус је подељен у низ хромозома.

Организација у прокариотима

Прокариоти су организми којима недостаје језгро. Код ових врста генетски материјал је високо намотан заједно са алкалним протеинима ниске молекулске масе. На овај начин, ДНК се збија и налази се у централном региону бактерије.

Неки аутори ову структуру најчешће називају "бактеријски хромозом", иако не представља исте карактеристике еукариотског хромозома.

Количина ДНК

Све врсте организама не садрже исту количину ДНК. У ствари, ова вредност је веома варијабилна између врста и не постоји веза између количине ДНК и комплексности организма. Ова контрадикција је позната као "парадокс Ц вредности".

Логично размишљање би било интуитивно схватити да што је организам сложенији, то је више ДНК. Међутим, то није истина у природи.

На пример, геном плућа Протоптерус аетхиопицус има величину од 132 пг (ДНК се може квантификовати у пикограмима = пг), док људски геном тежи само 3,5 пг.

Запамтите да нису сви ДНК организма кодови за протеине, велика количина тога је повезана са регулаторним елементима и различитим типовима РНК.

Структурни облици ДНК

Ватсонов и Црицков модел, изведен из рендгенских дифрактограма, познат је као хеликс Б-ДНА и "традиционални" и најпознатији модел. Међутим, постоје још два различита облика, названа ДНК-А и ДНК-З.

ДНА-А

Варијанта "А" се окреће удесно, баш као и ДНК-Б, али је краћа и шира. Овај облик се појављује када се релативна влажност смањи.

ДНК-А се ротира на сваких 11 парова база, главни жлеб је ужи и дубљи од Б-ДНК. Што се тиче мањег жлијеба, ово је више површно и широко.

АДН-З

Трећа варијанта је З-ДНА. То је најужи облик, формиран групом хексануклеотида организованих у дуплекс антипаралелних ланаца. Једна од најупечатљивијих одлика ове форме је да се окреће улево, док друга два облика то раде десно.

З-ДНА се појављује када постоје кратке секвенце наизменичних пиримидина и пурина. Већи жлеб је раван и мањи је ужи и дубљи у односу на Б-ДНК.

Иако је у физиолошким условима ДНК молекул углавном у Б облику, постојање две описане варијанте открива флексибилност и динамичност генетског материјала..

Функције

Молекул ДНК садржи све информације и упутства неопходна за изградњу организма. Назива се комплетан сет генетских информација у организмима генома.

Порука је кодирана "биолошком абецедом": четири претходно наведене базе, А, Т, Г и Ц.

Порука може довести до формирања различитих типова протеина или кодирања за неки регулаторни елемент. Процес којим се те базе могу доставити, објашњен је у наставку:

Репликација, транскрипција и превод

Порука која је шифрована у четири слова А, Т, Г и Ц даје као резултат фенотип (нису сви кодови ДНК кодирани за протеине). Да би се то постигло, ДНК се мора реплицирати у сваком процесу дељења ћелија.

Репликација ДНК је полу-конзервативна: ланац служи као шаблон за формирање новог молекула кћери. Различити ензими катализују репликацију, укључујући ДНК примазу, ДНК хеликазу, ДНК лигазу и топоизомеразу.

Након тога, порука - написана језиком базне секвенце - мора се пренијети молекули интермедијера: РНА (рибонуклеинска киселина). Овај процес се назива транскрипција.

Да би дошло до транскрипције, морају учествовати различити ензими, укључујући РНА полимеразу.

Овај ензим је одговоран за копирање ДНК поруке и њено претварање у молекулу РНК поруке. Другим речима, сврха транскрипције је да се добије гласник.

Коначно, порука је преведена у молекуле РНК гласника, захваљујући рибозомима.

Ове структуре узимају РНК и заједно са машинама за превођење формирају специфични протеин.

Генетски код

Порука се чита у "тројкама" или групама од три слова која одређују аминокиселину - структурне блокове протеина. Могуће је дешифровати поруку тројки јер је генетски код већ потпуно откривен.

Превод увек почиње са аминокиселином метионином, која је кодирана почетним триплетом: АУГ. "У" представља базу урацила и карактеристичан је за РНК и замењује тимин.

На пример, ако РНК гласника има следећу секвенцу: АУГ ЦЦУ ЦУУ УУУ УУА, она се преводи у следеће аминокиселине: метионин, пролин, леуцин, фенилаланин и фенилаланин. Имајте на уму да је могуће да две тројке - у овом случају УУУ и УУА - шифру за исту амино киселину: фенилаланин.

За ово својство се каже да је генетски код дегенерисан, јер је аминокиселина кодирана више од једне секвенце тројки, осим аминокиселине метионина која диктира почетак превођења..

Процес се зауставља са специфичним завршетком или престанком тројке: УАА, УАГ и УГА. Познати су под називима окер, амбер и опал. Када их рибозом детектује, они више не могу да додају више аминокиселина у ланац.

Хемијске и физичке особине

Нуклеинске киселине су киселе природе и растворљиве су у води (хидрофилне). Може доћи до формирања водикових веза између фосфатних група и хидроксилних група пентоза са водом. Негативно се пуни при физиолошком пХ.

Раствори ДНК су високо вискозни, због способности отпорности на деформацију двоструке спирале, која је веома крута. Вискозност се смањује ако је нуклеинска киселина једноланчана.

То су високо стабилни молекули. Логично, ова особина мора бити неопходна у структурама које носе генетичку информацију. У поређењу са РНК, ДНК је много стабилнија јер јој недостаје хидроксилна група.

ДНК се може денатурирати топлотом, тј. Влакна се одвајају када је молекул изложен високим температурама.

Количина топлоте која се мора применити зависи од Г-Ц процента молекула, јер се ове базе спајају са три водоничне везе, повећавајући отпорност на раздвајање..

Што се тиче апсорпције светлости, они имају пик на 260 нанометара, који се повећава ако је нуклеинска киселина једноланчана, јер излажу прстенове нуклеотида и они су одговорни за апсорпцију..

Еволутион

Према Лазцану ет ал. 1988 ДНК настаје у фазама транзиције из РНК, што је један од најважнијих догађаја у историји живота.

Аутори предлажу три фазе: први период у коме су постојали молекули слични нуклеинским киселинама, касније су настали геноми од РНК и као последња фаза појавили су се двопојасни ДНК геноми..

Неки докази подржавају теорију о примарном свету заснованом на РНК. Прво, синтеза протеина може да се деси у одсуству ДНК, али не када недостаје РНК. Поред тога, откривени су РНК молекули са каталитичким својствима.

Што се тиче синтезе дезоксирибонуклеотида (присутног у ДНК) они увек долазе из редукције рибонуклеотида (присутних у РНК).

Еволуцијска иновација молекуле ДНК мора да захтева присуство ензима који синтетишу прекурсоре ДНК и учествују у ретротранспикцији РНК..

Проучавајући тренутне ензиме, може се закључити да су ови протеини еволуирали неколико пута и да је прелазак из РНК у ДНК сложенији него што се раније мислило, укључујући процесе трансфера гена и губитка и неортологних замена..

ДНА секуенцинг

Секвенцирање ДНК се састоји у расветљавању секвенце ДНК ланца у смислу четири базе које га чине.

Познавање ове секвенце је од великог значаја у биолошким наукама. Може се користити за разликовање између двије морфолошки врло сличне врсте, за откривање болести, патологија или паразита, па чак и за форензичку примјењивост..

Секвенца Сангер-а је развијена 1900-их и традиционална је техника за разјашњавање секвенце. Упркос својој старости, то је валидна метода коју широко користе истраживачи.

Сангер-ова метода

Метода користи ДНК полимеразу, високо поуздани ензим који реплицира ДНК у ћелијама, синтетизирајући нови ланац ДНК користећи другу постојећу смерницу. Ензим захтева а прво или прајмер за почетак синтезе. Прајмер је мали молекул ДНК комплементаран молекулу који желите да секвенцирате.

У реакцији се додају нуклеотиди који ће бити инкорпорирани у нови ланац ДНК помоћу ензима.

Поред "традиционалних" нуклеотида, метода укључује низ дидеоксинуклеотида за сваку базу. Они се разликују од стандардних нуклеотида у две карактеристике: структурно не дозвољавају ДНК полимерази да дода више нуклеотида у ланац кћерке и имају различити флуоресцентни маркер за сваку базу.

Резултат је мноштво ДНК молекула различите дужине, пошто су дидеоксинуклеотиди насумично укључени и зауставили процес репликације у различитим фазама.

Ова разноликост молекула може се раздвојити према њиховој дужини и идентитет нуклеотида се очитава кроз емисију светлости из флуоресцентне етикете..

Секвенцирање нове генерације

Технике секвенцирања развијене последњих година омогућавају масовну анализу милиона узорака истовремено.

Међу најистакнутијим методама је пиросеквенцирање, секвенцирање путем синтезе, секвенцирање лигацијом и секвенцирање следеће генерације од стране Ион Торрент-а..

Референце

  1. Албертс, Б., Јохнсон, А., Левис, Ј., ет ал. (2002). Молекуларна биологија ћелије. 4тх едитион. Нев Иорк: Гарланд Сциенце. Структура и функција ДНК. Доступно на: нцби.нлм.них.гов/
  2. Албертс, Б., Јохнсон, А., Левис, Ј., ет ал. (2002). Молекуларна биологија ћелије. 4тх едитион. Нев Иорк: Гарланд Сциенце. Хромозомска ДНК и њено паковање у влакна хроматина. Доступно на: нцби.нлм.них.гов
  3. Берг, Ј.М., Тимоцзко, Ј.Л., Стриер, Л. (2002). Биоцхемистри 5тх едитион. Нев Иорк: В Х Фрееман. Одељак 27.1, ДНК може да прихвати различите структуре. Доступно на: нцби.нлм.них.гов
  4. Фиерро, А. (2001). Кратка историја открића ДНК структуре. Рев Мед Цлиниц Лас Цондес, 20, 71-75.
  5. Фортерре, П., Филее, Ј. и Милликаллио, Х. (2000-2013) Поријекло и еволуција механизама репликације ДНА и ДНК. У: База података биомедицине Мадаме Цурие [Интернет] Остин (ТКС): Ландес Биосциенце. Доступно на: нцби.нлм.них.гов
  6. Лазцано, А., Гуерреро, Р., Маргулис, Л., & Оро, Ј. (1988). Еволуцијски прелаз из РНК у ДНК у раним ћелијама. Часопис молекуларне еволуције, 27(4), 283-290.
  7. Лодисх, Х., Берк, А., Зипурски, С.Л., ет ал. (2000). Молецулар Целл Биологи. 4тх едитион. Нев Иорк: В. Х. Фрееман. Одељак 9.5, Организовање ћелијске ДНК у хромозоме. Доступно на: нцби.нлм.них.гов/боокс
  8. Воет, Д., Воет, Ј.Г., & Пратт, Ц.В. (1999). Фундаментална биохемија. Нев Иорк: Јохн Виллеи и Сонс.