ДНК история, функции, структура, компоненти



на ДНК (дезоксирибонуклеинова киселина) е биомолекулата, която съдържа цялата информация, необходима за генериране на организъм и поддържане на нейното функциониране. Състои се от единици, наречени нуклеотиди, образувани на свой ред от фосфатна група, захарна молекула от пет въглеродни атома и азотна база.

Има четири азотни бази: аденин (А), цитозин (С), гуанин (G) и тимин (Т). Аденин винаги се свързва с тимин и гуанин с цитозин. Съобщението, съдържащо се в нишката на ДНК, се трансформира в РНК на пратеника и това участва в синтеза на протеини.

ДНК е изключително стабилна молекула, отрицателно заредена при физиологично рН, която е свързана с положителни протеини (хистони) за ефективно компактиране в ядрото на еукариотните клетки. Дългата нишка ДНК, заедно с различни свързани протеини, образува хромозома.

индекс

  • 1 История
  • 2 Компоненти
  • 3 Структура
    • 3.1 Закон на Чаргаф
    • 3.2 Модел с двойна спирала
  • 4 Организация
    • 4.1 Хистони
    • 4.2 Нуклеозоми и 30 nm влакна
    • 4.3. Хромозоми
    • 4.4 Организация в прокариоти
    • 4.5 Количество ДНК
  • 5 Структурни форми на ДНК
    • 5.1 ДНК-А
    • 5.2 ADN-Z
  • 6 Функции
    • 6.1. Репликация, транскрипция и превод
    • 6.2 Генетичен код
  • 7 Химични и физични свойства
  • 8 Еволюция
  • 9 ДНК секвениране
    • 9.1 Метод Sanger
  • 10 Секвениране на ново поколение
  • 11 Препратки

история

През 1953 г. американецът Джеймс Уотсън и британецът Франсис Крик успяха да изяснят триизмерната структура на ДНК, благодарение на работата по кристалография, извършена от Розалинд Франклин и Морис Уилкинс. Те също така основават своите заключения върху творбите на други автори.

Излагането на ДНК на рентгеновите лъчи образува дифракционен модел, който може да се използва за извеждане на структурата на молекулата: спирала от две антипаралелни вериги, които се обръщат надясно, където двете вериги са свързани с водородни връзки между базите , Полученият модел е както следва:

Структурата може да се приеме следвайки законите на бракската дифракция: когато даден обект е поставен в средата на лъча рентгенови лъчи, той се отразява, тъй като електроните на обекта взаимодействат с лъча..

На 25 април 1953 г. резултатите на Уотсън и Крик бяха публикувани в престижното списание природа, в статия от две страници, озаглавена "Молекулна структура на нуклеиновите киселиниТова би революционизирало напълно областта на биологията.

Благодарение на това откритие, изследователите получиха Нобелова награда за медицина през 1962 г., с изключение на Франклин, който почина преди раждането. Понастоящем това откритие е една от големите експонати на успеха на научния метод за придобиване на нови знания.

елементи

ДНК молекулата е съставена от нуклеотиди, единици, образувани от захар от пет въглеродни атома, прикрепени към фосфатна група и азотна база. Видът на захарта, открит в ДНК, е от типа на дезоксирибозата и оттук и неговото име, дезоксирибонуклеинова киселина.

За да се образува веригата, нуклеотидите са ковалентно свързани чрез фосфодиестерна връзка посредством 3'-хидроксилна група (-ОН) от една захар и 5'-фосфата от следващия нуклеотид.

Не бъркайте нуклеотидите с нуклеозидите. Последното се отнася до частта от нуклеотида, образувана само от пентозата (захарта) и азотната основа.

ДНК се състои от четири вида азотни бази: аденин (А), цитозин (С), гуанин (G) и тимин (Т)..

Азотните основи се класифицират в две категории: пурини и пиримидини. Първата група се състои от пръстен от пет атома, свързани с друг пръстен от шест, докато пиримидините са съставени от един пръстен.

От споменатите основи, аденин и гуанин са производни на пурини. За разлика от това, групата от пиримидини принадлежи към тимин, цитозин и урацил (присъстващ в молекулата на РНК).

структура

ДНК молекулата се състои от две нуклеотидни вериги. Тази "верига" е известна като ДНК верига.

Двете нишки са свързани чрез водородни връзки между комплементарните бази. Азотните основи са свързани ковалентно със скелет на захари и фосфати.

Всеки нуклеотид, разположен в една верига, може да бъде свързан с друг специфичен нуклеотид от друга верига, за да се образува известната двойна спирала. За да се формира ефективна структура, А винаги се свързва с Т чрез два водородни моста, а Г с С с три моста.

Законът на Чаргаф

Ако изследваме пропорциите на азотни бази в ДНК, ще открием, че количеството на А е идентично с количеството на Т и същото с G и C. Този модел е известен като закон на Чаргаф..

Това сдвояване е енергийно благоприятно, тъй като позволява да се запази подобна ширина по протежение на структурата, като се поддържа сходно разстояние по протежение на молекулата на захарно-фосфатния скелет. Забележете, че основата на пръстена е свързана с един пръстен.

Модел на двойната спирала

Предполага се, че двойната спирала е съставена от 10.4 нуклеотида на ход, разделени от разстояние от център до център от 3.4 нанометра. Процесът на валцоване води до образуването на канали в структурата, като е възможно да се наблюдава малък и малък жлеб.

Вдлъбнатините възникват, тъй като гликозидните връзки в базовите двойки не са една срещу друга, по отношение на техния диаметър. В малката бразда са пиримидин О-2 и пуриновият N-3, докато основният канал е разположен в противоположния участък..

Ако използваме аналогията на стълба, стъпалата се състоят от базовите двойки, които се допълват взаимно, докато скелетът съответства на двете сцепления.

Краищата на ДНК молекулата не са еднакви, така че ние говорим за "полярност". Един от нейните краища, 3 ', носи -ОН група, докато 5' краят има свободна фосфатна група.

Двете нишки са разположени антипаралелно, което означава, че те са разположени срещу техните полярности, както следва:

В допълнение, последователността на една от нишките трябва да бъде допълваща към нейния партньор, ако е намерена позиция А, в антипаралелната нишка трябва да има T.

организация

Във всяка човешка клетка има приблизително два метра ДНК, които трябва да бъдат пакетирани ефективно.

Направление трябва да бъде уплътнено, така че да може да се съдържа в микроскопично ядро ​​с диаметър 6 μm, което заема само 10% от обема на клетката. Това е възможно благодарение на следните нива на уплътняване:

хистони

В еукариотите има протеини, наречени хистони, които имат способността да се свързват с ДНК молекулата, като са първото ниво на уплътняване на веригата. Хистоните имат положителни заряди, за да могат да взаимодействат с отрицателните заряди на ДНК, допринасяни от фосфатите.

Хистоните са толкова важни протеини за еукариотните организми, които са били практически неизменни в хода на еволюцията - като помнят, че ниската степен на мутации показва, че селективните налягания върху тази молекула са силни. Дефект в хистоните може да доведе до дефектно уплътняване на ДНК.

Хистоните могат да бъдат модифицирани биохимично и този процес променя нивото на уплътняване на генетичния материал.

Когато хистоните са "хипоацетилирани", хроматинът е по-кондензиран, тъй като ацетилираните форми неутрализират положителните заряди на лизините (положително заредени аминокиселини) в протеина..

Нуклеозоми и 30 nm влакна

ДНК нишката се навива в хистоните и образува структури, които приличат на перли от перлена огърлица, наречени нуклеозоми. В основата на тази структура са две копия на всеки тип хистони: H2A, H2B, H3 и H4. Съюзът на различните хистони се нарича "хистонов октамер".

Октамерът е заобиколен от 146 двойки бази, което дава по-малко от два завоя. Човешка диплоидна клетка съдържа приблизително 6.4 х 109 нуклеотиди, които са организирани в 30 милиона нуклеозоми.

Организацията в нуклеозомите позволява да се уплътни ДНК в повече от една трета от първоначалната му дължина.

В процеса на екстракция на генетичния материал при физиологични условия се наблюдава, че нуклеозомите са подредени в влакно с 30 нанометра..

хромозоми

Хромозомите са функционална единица за наследяване, чиято функция е да носят гените на индивида. Генът е сегмент от ДНК, който съдържа информацията за синтезиране на протеин (или серия от протеини). Съществуват обаче и гени, които кодират регулаторни елементи, като РНК.

Всички човешки клетки (с изключение на гамети и еритроцити в кръвта) имат две копия на всяка хромозома, една от които е наследена от бащата, а другата от майката.

Хромозомите са структури, съставени от дълга линейна част от ДНК, свързана с посочените по-горе протеинови комплекси. Обикновено при еукариотите всички генетични материали, включени в ядрото, се разделят на серия от хромозоми.

Организация в прокариоти

Прокариотите са организми, които нямат ядро. При тези видове генетичният материал е силно навит заедно с нискомолекулни алкални протеини. По този начин ДНК се уплътнява и се намира в централен район на бактерията.

Някои автори обикновено наричат ​​тази структура "бактериална хромозома", въпреки че не представя същите характеристики на еукариотната хромозома.

Количество ДНК

Не всички видове организми съдържат същото количество ДНК. В действителност, тази стойност е силно променлива между видовете и няма връзка между количеството на ДНК и сложността на организма. Това противоречие е известно като "парадокс на стойността C".

Логическото разсъждение би било интуицията, че колкото по-сложен е организмът, толкова повече ДНК притежава. Това обаче не е вярно в природата.

Например, геномът на lungfish Protopterus aethiopicus размерът му е 132 pg (ДНК може да се определи количествено в пикограми = pg), докато човешкият геном тежи само 3.5 pg.

Не забравяйте, че не цялата ДНК на организма кодира за протеини, голяма част от това е свързана с регулаторни елементи и различни видове РНК.

Структурни форми на ДНК

Моделът Уотсън и Крик, изведен от рентгеновите дифракционни модели, е известен като спирала на В-ДНК и е "традиционен" и най-известен модел. Има обаче две други различни форми, наречени ДНК-А и ДНК-Z.

ДНК-A

Вариант "А" се върти надясно, точно като ДНК-В, но е по-кратък и по-широк. Тази форма се появява, когато относителната влажност намалява.

ДНК-А се върти на всеки 11 базови двойки, основният жлеб е по-тесен и по-дълбок от В-ДНК. По отношение на малкия канал, това е по-повърхностно и широко.

Z-ДНК

Третият вариант е Z-ДНК. Това е най-тясната форма, образувана от група хексануклеотиди, организирани в дуплекс от антипаралелни вериги. Една от най-забележителните черти на тази форма е, че тя се обръща наляво, докато другите две форми го правят надясно.

Z-ДНК се появява, когато има къси последователности от редуващи се пиримидини и пурини. По-големият жлеб е плосък и по-малкият е по-тесен и по-дълбок в сравнение с В-ДНК.

Въпреки че при физиологични условия ДНК молекулата е най-вече в неговата Б форма, съществуването на двата описани варианта разкрива гъвкавостта и динамиката на генетичния материал..

функции

ДНК молекулата съдържа цялата информация и инструкции, необходими за изграждането на организма. Нарича се пълният набор от генетична информация в организмите геном.

Съобщението е кодирано от "биологичната азбука": четирите бази, споменати по-горе, A, T, G и C.

Посланието може да доведе до образуването на различни видове протеини или кодиране на някакъв регулаторен елемент. Процесът, чрез който тези бази могат да доставят съобщение, е обяснен по-долу:

Репликация, транскрипция и превод

Съобщението, кодирано в четирите букви A, T, G и C, дава като резултат фенотип (не всички ДНК последователности кодират за протеини). За да постигне това, ДНК трябва да се възпроизведе във всеки процес на клетъчно делене.

Репликацията на ДНК е полуконсервативна: нишката служи като шаблон за образуването на новата дъщерна молекула. Различните ензими катализират репликацията, включително ДНК примаза, ДНК хеликаза, ДНК лигаза и топоизомераза.

Впоследствие, съобщението - написано на език на базовата последователност - трябва да бъде предадено на междинна молекула: РНК (рибонуклеинова киселина). Този процес се нарича транскрипция.

За да се случи транскрипция, трябва да участват различни ензими, включително РНК полимераза.

Този ензим е отговорен за копиране на ДНК съобщението и превръщането му в молекула на РНК. С други думи, целта на транскрипцията е да се получи пратеникът.

И накрая, съобщението се превежда в молекули на РНК, благодарение на рибозомите.

Тези структури приемат информационната РНК и заедно с машината за транслация образуват специфичния протеин.

Генетичният код

Съобщението се чете в "тризнаци" или групи от три букви, които определят за аминокиселина - структурните блокове на протеините. Възможно е да се дешифрира посланието на тризнаците, тъй като генетичният код вече е напълно разкрит.

Преводът винаги започва с аминокиселината метионин, кодирана от стартовия триплет: AUG. "U" представлява урациловата база и е характерна за РНК и замества тимина.

Например, ако пратеник РНК има следната последователност: AUG CCU CUU UUU UUA, то се превежда в следните аминокиселини: метионин, пролин, левцин, фенилаланин и фенилаланин. Имайте предвид, че е възможно два триплета - в този случай UUU и UUA - да кодират една и съща аминокиселина: фенилаланин.

За това свойство се казва, че генетичният код е дегенериран, тъй като една аминокиселина е кодирана от повече от една последователност от триплети, с изключение на аминокиселината метионин, която диктува началото на транслацията..

Процесът се прекратява със специфични триплети за прекъсване или спиране: UAA, UAG и UGA. Те са известни под имената на охра, съответно кехлибар и опал. Когато рибозомите ги открият, те вече не могат да добавят повече аминокиселини към веригата.

Химични и физични свойства

Нуклеиновите киселини са кисели по природа и са разтворими във вода (хидрофилни). Възможно е образуването на водородни връзки между фосфатните групи и хидроксилните групи пентози с вода. Той се зарежда отрицателно при физиологично рН.

Разтворите на ДНК са силно вискозни, поради способността за устойчивост на деформацията на двойната спирала, която е много твърда. Вискозитетът намалява, ако нуклеиновата киселина е едноверижна.

Те са много стабилни молекули. Логично, тази характеристика трябва да бъде незаменима в структурите, които носят генетичната информация. В сравнение с РНК, ДНК е много по-стабилна, защото няма хидроксилна група.

ДНК може да бъде денатурирана чрез топлина, т.е. нишките се отделят, когато молекулата е изложена на високи температури.

Количеството топлина, което трябва да се приложи, зависи от процента на G-C на молекулата, тъй като тези бази се свързват с три водородни връзки, увеличавайки устойчивостта на разделяне..

Що се отнася до абсорбцията на светлина, те имат пик при 260 нанометра, което се увеличава, ако нуклеиновата киселина е едноверижна, тъй като те излагат пръстените на нуклеотидите и те са отговорни за абсорбцията..

еволюция

Според Ласкано et al. 1988 ДНК възниква на етапи на преход от РНК, като едно от най-важните събития в историята на живота.

Авторите предлагат три етапа: първи период, в който съществуват молекули, подобни на нуклеинови киселини, а по-късно геномите са образувани от РНК и като последен етап се появяват двулентови ДНК геноми..

Някои доказателства подкрепят теорията за първичен свят, основан на РНК. Първо, протеиновият синтез може да се появи в отсъствието на ДНК, но не и когато липсва РНК. Освен това са открити молекули РНК с каталитични свойства.

Що се отнася до синтеза на дезоксирибонуклеотида (присъстващ в ДНК), те винаги идват от редукцията на рибонуклеотидите (присъстващи в РНК).

Еволюционната иновация на ДНК молекулата трябва да изисква наличието на ензими, които синтезират ДНК прекурсори и участват в ретротранскрипцията на РНК..

Чрез изследване на настоящите ензими може да се заключи, че тези протеини са еволюирали няколко пъти и че преходът от РНК към ДНК е по-сложен, отколкото се смяташе преди, включително процесите на трансфер на гени и загуба и неортологични заместители..

ДНК секвениране

Секвенирането на ДНК се състои в изясняване на последователността на ДНК веригата от гледна точка на четирите бази, които я съставят.

Познаването на тази последователност е от голямо значение в биологичните науки. Може да се използва за разграничаване на два морфологично много сходни вида, за откриване на болести, патологии или паразити и дори да притежава криминално приложение..

Последователността на Сангер е разработена през 1900-те години и е традиционна техника за изясняване на една последователност. Въпреки възрастта си, това е валиден метод, широко използван от изследователите.

Методът на Сангер

Методът използва ДНК полимераза, високо надежден ензим, който репликира ДНК в клетките, синтезирайки нова ДНК верига, използвайки друга предварително съществуваща насока. Ензимът изисква a първи или праймер за започване на синтеза. Праймерът е малка молекула ДНК, комплементарна на молекулата, която искате да подредите.

В реакцията се добавят нуклеотиди, които ще бъдат включени в новата верига на ДНК от ензима.

В допълнение към "традиционните" нуклеотиди, методът включва серия от дидеоксинуклеотиди за всяка от базите. Те се различават от стандартните нуклеотиди в две характеристики: структурно не позволяват на ДНК полимеразата да добавя повече нуклеотиди към дъщерната верига и да има различен флуоресцентен маркер за всяка база..

Резултатът е разнообразие от ДНК молекули с различна дължина, тъй като дидезоксинуклеотидите са случайно включени и спират процеса на репликация в различни етапи..

Това разнообразие от молекули може да бъде разделено според тяхната дължина и идентичността на нуклеотидите е прочетена чрез излъчване на светлина от флуоресцентния етикет..

Секвениране от ново поколение

Разработените през последните години техники за подреждане позволяват масиран анализ на милиони проби едновременно.

Сред най-забележителните методи е пиросеквениране, секвениране чрез синтез, секвениране чрез лигиране и следващо поколение последователност от Ion Torrent..

препратки

  1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., et al. (2002). Молекулярна биология на клетката. 4-то издание. Ню Йорк: Garland Science. Структурата и функцията на ДНК. Достъпни на адрес: ncbi.nlm.nih.gov/
  2. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., et al. (2002). Молекулярна биология на клетката. 4-то издание. Ню Йорк: Garland Science. Хромозомна ДНК и нейното опаковане в хроматиновото влакно. Достъпни на адрес: ncbi.nlm.nih.gov
  3. Berg, J.M., Tymoczko, J.L., Stryer, L. (2002). Биохимия. 5-то издание. Ню Йорк: З. Ф. Фрийман. Раздел 27.1, ДНК може да приеме разнообразие от структурни форми. Достъпни на адрес: ncbi.nlm.nih.gov
  4. Fierro, A. (2001). Кратка история на откриването на ДНК структурата. Rev Med Clinic Las Condes, 20, 71-75.
  5. Forterre, P., Filée, J. & Myllykallio, H. (2000-2013) Произход и еволюция на механизми за ДНК и ДНК репликация. в: База данни на г-жа Мария Кюри [Интернет]. Остин (Тексас): Landes Bioscience. Достъпни на адрес: ncbi.nlm.nih.gov
  6. Lazcano, A., Guerrero, R., Margulis, L., & Oro, J. (1988). Еволюционният преход от РНК към ДНК в ранните клетки. Списание за молекулярната еволюция, 27(4), 283-290.
  7. Lodish, H., Berk, A., Zipursky, S.L., et al. (2000). Молекулярна клетъчна биология. 4-то издание. Ню Йорк: У. Х. Фрийман. Раздел 9.5, Организиране на клетъчна ДНК в хромозомите. Предлага се на адрес: ncbi.nlm.nih.gov/books
  8. Voet, D., Voet, J.G., & Pratt, C.W. (1999). Основи на биохимията. нов Йорк: Джон Уили и синове.