DNA historie, funksjoner, struktur, komponenter



den DNA (deoksyribonukleinsyre) er biomolekylen som inneholder all informasjon som er nødvendig for å generere en organisme og opprettholde dens funksjon. Den består av enheter kalt nukleotider, dannet i sin tur av en fosfatgruppe, et sukkermolekyl med fem karboner og en nitrogenbasert base.

Det er fire nitrogenholdige baser: adenin (A), cytosin (C), guanin (G) og tymin (T). Adenin parrer alltid med tymin og guanin med cytosin. Meldingen i DNA-strengen blir transformert til et messenger-RNA, og dette deltar i syntese av proteiner.

DNA er et ekstremt stabilt molekyl, negativt ladet ved fysiologisk pH, som er forbundet med positive proteiner (histoner) for effektivt å komprimere i kjernen av eukaryote celler. En lang DNA-streng, sammen med forskjellige assosierte proteiner, danner et kromosom.

index

  • 1 historie
  • 2 komponenter
  • 3 Struktur
    • 3.1 Lov av Chargaff
    • 3.2 Dobbel helix modell
  • 4 organisasjon
    • 4.1 Histoner
    • 4.2 Nukleosomer og 30 nm fiber
    • 4.3 kromosomer
    • 4.4 Organisasjon i prokaryoter
    • 4,5 DNA-mengde
  • 5 Strukturelle former for DNA
    • 5.1 DNA-A
    • 5.2 ADN-Z
  • 6 funksjoner
    • 6.1 Replikasjon, transkripsjon og oversettelse
    • 6.2 Den genetiske koden
  • 7 Kjemiske og fysiske egenskaper
  • 8 Evolusjon
  • 9 DNA-sekvensering
    • 9.1 Sanger metode
  • 10 Ny generasjons sekvensering
  • 11 referanser

historie

I 1953, den amerikanske James Watson og Francis Crick britisk lyktes i å belyse den tredimensjonale strukturen til DNA, takket være arbeidet som gjøres av krystallografi Rosalind Franklin og Maurice Wilkins. De baserte også sine konklusjoner på verk fra andre forfattere.

Ved å utsette DNA til røntgendiffraksjons-mønster som kan brukes til å utlede strukturen av molekylet dannes: en skruelinje av to antiparallelle kjeder rotere i urviserretningen, når begge er bundet ved hydrogenbindinger mellom basene . Oppnådd mønster var som følger:

Strukturen kan antas i henhold til Bragg-diffraksjonsloven: Når en gjenstand er plassert midt i en stråle av røntgenstråler, reflekteres det, da objektets elektroner interagerer med strålen.

25. april 1953 ble resultatene av Watson og Crick publisert i den prestisjetunge journalen natur, i en to-siders artikkel med tittelen "Molekylær struktur av nukleinsyrer", Det ville helt revolusjonere feltet av biologi.

Takket være denne oppdagelsen fikk forskerne Nobelprisen i medisin i 1962, bortsett fra Franklin som døde før leveransen. For tiden er denne oppdagelsen en av de store eksponentene for suksessen til den vitenskapelige metoden for å skaffe seg ny kunnskap.

komponenter

DNA-molekylet er sammensatt av nukleotider, enheter dannet av et sukker med fem karboner festet til en fosfatgruppe og en nitrogenbasert base. Den type sukker som finnes i DNA er av deoksyribosetypen og dermed dets navn, deoksyribonukleinsyre.

For å danne kjeden, er nukleotidene kovalent bundet av en fosfodiesterbinding ved hjelp av en 3'-hydroksylgruppe (-OH) fra ett sukker og 5'-fosfafoen fra følgende nukleotid.

Ikke forveksle nukleotider med nukleosider. Sistnevnte refererer til den delen av nukleotidet som dannes bare av pentosen (sukker) og den nitrogenholdige base.

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

De nitrogenholdige basene er klassifisert i to kategorier: puriner og pyrimidiner. Den første gruppen består av en ring med fem atomer som er forbundet med en annen ring på seks, mens pyrimidiner er sammensatt av en enkelt ring.

Av de nevnte baser er adenin og guanin derivater av puriner. Tilsvarende tilhører gruppen av pyrimidiner tymin, cytosin og uracil (tilstede i RNA-molekylet).

struktur

Et DNA-molekyl består av to nukleotidkjeder. Denne "kjeden" er kjent som en DNA-streng.

De to strengene er forbundet med hydrogenbindinger mellom de komplementære baser. De nitrogenholdige basene er kovalent koblet til et skjelett med sukker og fosfater.

Hvert nukleotid som er lokalisert i en streng, kan kobles med et annet spesifikt nukleotid av den andre streng for å danne den kjente dobbeltspiralen. For å danne en effektiv struktur, A alltid par med T ved hjelp av to hydrogenbroer, og G med C ved tre broer.

Chargaffs lov

Hvis vi studerer proporsjonene av nitrogenbaserte baser i DNA, vil vi finne at mengden A er identisk med mengden T og det samme med G og C. Dette mønsteret er kjent som Chargaffs lov.

Denne sammenkoblingen er energisk gunstig, siden den tillater å bevare en lignende bredde langs strukturen, opprettholder en lignende avstand langs molekylet av sukkerfosfatskjelettet. Legg merke til at en base av en ring er koblet til en av en ring.

Modell av dobbelthelixen

Det foreslås at doble helix består av 10,4 nukleotider per sving, separert med en midt-til-senter-avstand på 3,4 nanometer. Rulleprosessen gir opphav til dannelsen av spor i strukturen, å kunne observere en større og en mindre rille.

Sporene oppstår fordi de glykosidiske bindingene i baseparene ikke er motsatt hverandre med hensyn til diameteren deres. I den lille sporet er pyrimidin O-2 og purinen N-3, mens hovedsporet ligger i motsatt region.

Hvis vi bruker analogi av en stige, består ringene av baseparene som er komplementære til hverandre, mens skjelettet tilsvarer de to grepskinnene.

Endene av DNA-molekylet er ikke det samme, så vi snakker om en "polaritet". En av dens ender, 3 ', bærer en -OH gruppe, mens 5'-enden har den frie fosfatgruppen.

De to strengene er plassert antiparallelle, noe som betyr at de er plassert i motsetning til deres polariteter, som følger:

I tillegg må sekvensen av en av trådene være komplementær til partneren sin, hvis det er en posisjon A er funnet, i den antiparallelle tråden må det være en T.

organisasjonen

I hver menneskelig celle er det omtrent to meter DNA som må pakkes effektivt.

Strengen må komprimeres slik at den kan være inneholdt i en mikroskopisk kjerne 6 μm i diameter som opptar bare 10% av cellevolumet. Dette er mulig takket være følgende komprimeringsnivåer:

histoner

I eukaryoter er det proteiner kalt histoner, som har evne til å binde seg til DNA-molekylet, som er det første nivået av komprimering av strengen. Histonene har positive ladninger for å kunne samhandle med de negative ladningene av DNA, som bidrar med fosfater.

Histoner er så viktig for eukaryote organismer som har vært praktisk talt uforandret i løpet av evolusjonen proteiner - huske på at en lav hastighet av mutasjoner indikerer at selektive presset på dette molekylet er sterke. En defekt i histonene kan resultere i en defekt DNA-komprimering.

Histoner kan modifiseres biokjemisk, og denne prosessen modifiserer nivået av komprimering av det genetiske materialet.

Når histonene er "hypoacetylert", er kromatin mer kondensert, siden de acetylerte former nøytraliserer de positive ladningene av lysinene (positivt ladede aminosyrer) i proteinet.

Nukleosomer og 30 nm fiber

DNA-strengen rulles opp i histones og danner strukturer som ligner perlene i perlekjede, kalt nukleosomer. I hjertet av denne strukturen er to kopier av hver type histon: H2A, H2B, H3 og H4. Foreningen av de forskjellige histonene kalles "histon-oktameren".

I oktameren er det omgitt av 146 par baser, noe som gir mindre enn to svinger. En human diploid celle inneholder ca. 6,4 x 109 nukleotider som er organisert i 30 millioner nukleosomer.

Organisasjonen i nukleosomer tillater å komprimere DNA i mer enn en tredjedel av sin opprinnelige lengde.

I en prosess med ekstraksjon av det genetiske materialet under fysiologiske forhold blir det observert at nukleosomene er anordnet i en fiber på 30 nanometer.

kromosomer

Kromosomer er den funksjonelle arvenheten, hvis funksjon er å bære gener av en person. Et gen er et segment av DNA som inneholder informasjonen for å syntetisere et protein (eller en serie proteiner). Det er imidlertid også gener som kodes for regulatoriske elementer, for eksempel RNA.

Alle menneskelige celler (unntatt gameter og blod erytrocytter) har to kopier av hvert kromosom, en arvet fra far og den andre fra moren.

Kromosomer er strukturer sammensatt av en lang lineær del av DNA assosiert med proteinkompleksene nevnt ovenfor. Normalt i eukaryoter er alt genetisk materiale som inngår i kjernen delt inn i en serie kromosomer.

Organisasjon i prokaryoter

Prokaryoter er organismer som mangler en kjerne. I disse artene er det genetiske materialet spolet høyt sammen med lavmolekylære alkaliske proteiner. På denne måten komprimeres DNA'et og ligger i en sentral region i bakterien.

Noen forfattere betegner vanligvis denne strukturen "bakteriell kromosom", selv om den ikke presenterer de samme egenskapene til et eukaryot kromosom.

Mengden av DNA

Ikke alle arter av organismer inneholder samme mengde DNA. Faktisk er denne verdien svært variabel mellom arter og det er ikke noe forhold mellom mengden av DNA og kompleksiteten av organismen. Denne motsetningen er kjent som et "C-verdi paradoks".

Den logiske resonnementet ville være å intuitere at jo mer kompleks organismen er, jo mer DNA den har. Men dette er ikke sant i naturen.

For eksempel, langfiskens genom Protopterus aethiopicus den har en størrelse på 132 pg (DNA kan kvantifiseres i piktogrammer = pg) mens det menneskelige genomet veier bare 3,5 pg.

Husk at ikke alle DNA i en organisme koder for proteiner, en stor del av dette er relatert til regulatoriske elementer og forskjellige typer RNA.

Strukturelle former for DNA

Watson og Crick-modellen, utledet fra røntgendiffraksjonsmønstre, er kjent som B-DNA-helixen og er den "tradisjonelle" og mest kjente modellen. Imidlertid er det to andre forskjellige former, kalt DNA-A og DNA-Z.

DNA-A

Variant "A" roterer til høyre, akkurat som DNA-B, men er kortere og bredere. Dette skjemaet vises når relativ fuktighet avtar.

DNA-A roterer hvert 11 basepar, hovedsporet er smalere og dypere enn B-DNA. Med hensyn til mindre groove er dette mer overfladisk og bred.

Z-DNA

Den tredje varianten er Z-DNA. Det er den smaleste formen, dannet av en gruppe heksanukleotider organisert i et tosidig av antiparallelle kjeder. En av de mest slående trekkene i dette skjemaet er at den vender mot venstre, mens de to andre skjemaene gjør det til høyre.

Z-DNA vises når det er korte sekvenser av alternerende pyrimidiner og puriner. Jo større sporet er flatt, og jo mindre er smalere og dypere, sammenlignet med B-DNA.

Selv om DNA-molekylet hovedsakelig er under B-form under fysiologiske forhold, viser eksistensen av de to varianter fleksibiliteten og dynamikken i det genetiske materialet.

funksjoner

DNA-molekylet inneholder all informasjon og instruksjoner som er nødvendige for bygging av en organisme. Det komplette settet med genetisk informasjon i organismer kalles genom.

Meldingen er kodet av det "biologiske alfabetet": de fire basene nevnt tidligere, A, T, G og C.

Meldingen kan føre til dannelse av ulike typer proteiner eller koding for noe regulatorisk element. Prosessen som disse basene kan levere en melding til, er forklart nedenfor:

Replikasjon, transkripsjon og oversettelse

Meldingen som er kryptert i de fire bokstavene A, T, G og C gir som et resultat en fenotype (ikke alle DNA-sekvenser kode for proteiner). For å oppnå dette må DNA replikere seg i hver prosess med celledeling.

DNA-replikasjon er semikonservativ: en streng tjener som en mal for dannelsen av det nye dattermolekylet. Ulike enzymer katalyserer replikasjon, inkludert DNA-primase, DNA-helikase, DNA-ligase og topoisomerase.

Deretter må meldingen - skrevet i et basesekvenssprog - overføres til et intermediært molekyl: RNA (ribonukleinsyre). Denne prosessen kalles transkripsjon.

For at transkripsjon skal skje, må forskjellige enzymer delta, inkludert RNA-polymerase.

Dette enzymet er ansvarlig for å kopiere DNA-meldingen og konvertere den til et messenger-RNA-molekyl. Med andre ord, formålet med transkripsjon er å skaffe budbringeren.

Til slutt blir meldingen oversatt til messenger-RNA-molekyler, takket være ribosomene.

Disse strukturene tar messenger RNA og sammen med oversettelsesmaskinen danner det spesifiserte protein.

Den genetiske koden

Meldingen er lest i "triplets" eller grupper med tre bokstaver som spesifiserer for en aminosyre - de strukturelle blokkene av proteinene. Det er mulig å dechifisere meldingen fra triplettene, siden den genetiske koden allerede er fullstendig avdekket.

Oversetteren starter alltid med aminosyren metionin, som er kodet av start triplet: AUG. "U" representerer uracilbasen og er karakteristisk for RNA og supplanter tymin.

For eksempel, hvis messenger-RNA har følgende sekvens: AUG CCU CUU UUU UUA, blir den oversatt til følgende aminosyrer: metionin, prolin, leucin, fenylalanin og fenylalanin. Merk at det er mulig at to tripletter - i dette tilfellet UUU og UUA - kodes for samme aminosyre: fenylalanin.

For denne egenskapen sies det at den genetiske koden er degenerert, siden en aminosyre er kodet av mer enn en sekvens av tripeller, bortsett fra aminosyren metionin som dikterer starten av oversettelsen.

Prosessen stoppes med bestemt avslutning eller stopp tripletter: UAA, UAG og UGA. De er kjent under henholdsvis navn på okker, rav og opal. Når ribosomet oppdager dem, kan de ikke lenger legge til flere aminosyrer i kjeden.

Kjemiske og fysiske egenskaper

Nukleinsyrer er sure i naturen og er oppløselige i vann (hydrofilt). Dannelsen av hydrogenbindinger mellom fosfatgruppene og hydroksylgruppene av pentoser med vann kan forekomme. Det er negativt ladet ved fysiologisk pH.

DNA-løsningene er svært viskøse på grunn av kapasiteten til motstand mot deformasjonen av dobbelthelixen, som er meget stiv. Viskositeten reduseres dersom nukleinsyren er enkeltstrenget.

De er svært stabile molekyler. Logisk må denne funksjonen være uunnværlig i strukturer som bærer den genetiske informasjonen. Sammenlignet med RNA er DNA mye stabilere fordi det mangler en hydroksylgruppe.

DNA kan denatureres av varme, det vil si at strengene adskilles når molekylet er utsatt for høye temperaturer.

Mengden varme som må påføres, avhenger av G-C-prosentdelen av molekylet, fordi disse basene er forbundet med tre hydrogenbindinger, noe som øker motstanden mot separasjon.

Når det gjelder lys absorpsjon, har de en topp ved 260 nanometer, noe som øker hvis nukleinsyren er enkeltstrenget, siden de eksponerer ringen av nukleotidene, og disse er ansvarlige for absorpsjonen.

evolusjon

Ifølge Lazcano et al. 1988 DNA oppstår i stadier av overgang fra RNA, som er en av de viktigste hendelsene i livets historie.

Forfatterne foreslår tre stadier: En første periode hvor molekyler ligner nukleinsyrer eksisterte, senere ble genomene dannet av RNA, og som et siste skritt viste dobbeltbånds DNA-genomene.

Noen bevis støtter teorien om en primær verden basert på RNA. For det første kan proteinsyntese forekomme i fravær av DNA, men ikke når RNA mangler. I tillegg har RNA-molekyler med katalytiske egenskaper blitt oppdaget.

Når det gjelder syntese av deoksyribonukleotidet (tilstede i DNA), kommer de alltid fra reduksjonen av ribonukleotidene (tilstede i RNA).

Den evolusjonære innovasjonen av et DNA-molekyl må ha krevd tilstedeværelsen av enzymer som syntetiserer DNA-forløpere og deltar i retrotransskripsjonen av RNA.

Ved å studere de nåværende enzymer kan det konkluderes at disse proteinene har utviklet seg flere ganger, og at overgangen fra RNA til DNA er mer kompleks enn tidligere antatt, inkludert prosesser av genoverføring og tap og ikke-ortodologiske erstatninger..

DNA-sekvensering

DNA-sekvensering består i å illustrere sekvensen av DNA-strengen i form av de fire basene som gjør det opp.

Kunnskapen om denne sekvensen er av stor betydning i biologiske fag. Det kan brukes til å diskriminere mellom to morfologisk svært likartede arter, å oppdage sykdommer, patologier eller parasitter og til og med ha en rettsmedisinsk anvendelighet.

Sangeringen av Sanger ble utviklet på 1900-tallet og er den tradisjonelle teknikken for å avklare en sekvens. Til tross for sin alder er det en gyldig metode som brukes mye av forskere.

Sangerens metode

Metoden bruker DNA-polymerase, et svært pålitelig enzym som replikerer DNA i celler, syntetiserer en ny DNA-kjede ved hjelp av en annen eksisterende styring. Enzymet krever a første eller primer for å starte syntesen. Primeren er et lite molekyl med DNA som er komplementært til molekylet som du vil sekvensere.

I reaksjonen blir nukleotider som skal inkorporeres i den nye DNA-streng av enzymet tilsatt.

I tillegg til de "tradisjonelle" nukleotidene, innbefatter fremgangsmåten en serie dideoxynukleotider for hvert av basene. De adskiller seg fra standardnukleotidene i to egenskaper: strukturelt tillater de ikke DNA-polymerasen å legge til flere nukleotider i datterkjeden og har en annen fluorescerende markør for hver base.

Resultatet er en rekke DNA-molekyler av forskjellig lengde, siden dideoxynukleotidene ble tilfeldig innlemmet og stoppet replikasjonsprosessen i forskjellige stadier.

Denne variasjonen av molekyler kan separeres i henhold til deres lengde og identiteten til nukleotidene leses gjennom lysemisjonen fra det fluorescerende merket..

Ny generasjons sekvensering

Sekvenseringsteknikker utviklet de siste årene tillater den massive analysen av millioner av prøver samtidig.

Blant de mest fremragende metodene er pyrosequencing, sekvensering ved syntese, sekvensering ved ligering og neste generasjons sekvensering av Ion Torrent..

referanser

  1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., et al. (2002). Molekylærbiologi av cellen. 4. utgave. New York: Garland Science. Strukturen og funksjonen av DNA. Tilgjengelig på: ncbi.nlm.nih.gov/
  2. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., et al. (2002). Molekylærbiologi av cellen. 4. utgave. New York: Garland Science. Kromosomalt DNA og dets emballasje i kromatinfiberen. Tilgjengelig på: ncbi.nlm.nih.gov
  3. Berg, J.M., Tymoczko, J. L., Stryer, L. (2002). Biokjemi. 5. utgave. New York: W H Freeman. Seksjon 27.1, DNA kan påta seg ulike strukturformer. Tilgjengelig på: ncbi.nlm.nih.gov
  4. Fierro, A. (2001). Kort historie om funn av DNA-struktur. Rev Med Clinic Las Condes, 20, 71-75.
  5. Forterre, P., Filée, J. & Myllykallio, H. (2000-2013) Opprinnelse og evolusjon av DNA- og DNA-replikeringsmaskiner. i: Madame Curie Bioscience Database [Internett]. Austin (TX): Landes Bioscience. Tilgjengelig på: ncbi.nlm.nih.gov
  6. Lazcano, A., Guerrero, R., Margulis, L., & Oro, J. (1988). Den evolusjonære overgangen 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. utgave. New York: W. H. Freeman. Seksjon 9.5, Organisering av cellulært DNA i kromosomer. Tilgjengelig på: ncbi.nlm.nih.gov/books
  8. Voet, D., Voet, J.G., & Pratt, C.W. (1999). Grunnleggende om biokjemi. ny York: John Willey og Sons.