Sejarah DNA, fungsi, struktur, komponen



The DNA (asid deoksiribonukleik) ialah biomolekul yang mengandungi semua maklumat yang diperlukan untuk menghasilkan organisma dan mengekalkan fungsinya. Ia terdiri daripada unit-unit yang dipanggil nukleotida, yang terbentuk pada giliran kumpulan fosfat, molekul gula lima karbon dan satu nitrogenous base.

Terdapat empat asas nitrogen: adenine (A), sitosin (C), guanine (G) dan timin (T). Adenine sentiasa berpasangan dengan timin dan guanine dengan sitosin. Mesej yang terkandung dalam helai DNA diubah menjadi RNA messenger dan ini mengambil bahagian dalam sintesis protein.

DNA adalah molekul yang sangat stabil, secara negatif dikenakan pada pH fisiologi, yang dikaitkan dengan protein positif (histoni) untuk berkompak secara cekap dalam nukleus sel eukariotik. Sekumpulan DNA panjang, bersama-sama dengan pelbagai protein yang berkaitan membentuk kromosom.

Indeks

  • 1 Sejarah
  • 2 Komponen
  • 3 Struktur
    • 3.1 Undang-Undang Chargaff
    • 3.2 model helix Double
  • 4 Organisasi
    • 4.1 Histones
    • 4.2 Nukleosom dan serat 30 nm
    • 4.3 Kromosom
    • 4.4 Organisasi dalam prokariotik
    • 4.5 Jumlah DNA
  • 5 Struktur bentuk DNA
    • 5.1 DNA-A
    • 5.2 ADN-Z
  • 6 Fungsi
    • 6.1 Replikasi, transkripsi dan terjemahan
    • 6.2 Kod genetik
  • 7 Kimia dan sifat fizikal
  • 8 Evolusi
  • 9 penjujukan DNA
    • 9.1 Kaedah Sanger
  • 10 Penjujukan generasi baru
  • 11 Rujukan

Sejarah

Pada tahun 1953, Amerika James Watson dan British Francis Crick berjaya menjelaskan struktur tiga dimensi DNA, terima kasih kepada kerja dalam crystallography yang dilakukan oleh Rosalind Franklin dan Maurice Wilkins. Mereka juga berdasarkan kesimpulan mereka terhadap karya-karya penulis lain.

Mengekspos DNA ke sinar-X membentuk corak difraksi yang boleh digunakan untuk membuat kesimpulan struktur molekul: helix dua rantai antiparallel yang beralih ke kanan, di mana kedua-dua rantaian dikaitkan dengan ikatan hidrogen antara pangkalan . Corak yang diperoleh adalah seperti berikut:

Struktur boleh diasumsikan mengikut undang-undang pembelahan Bragg: apabila sesuatu objek diletakkan di tengah-tengah pancaran sinar-X, ia dapat dilihat, kerana elektron objek berinteraksi dengan sinar.

Pada 25 April 1953 keputusan Watson dan Crick diterbitkan dalam jurnal berprestij Alam, dalam dua muka surat bertajuk "Struktur molekul asid nukleik", Itu benar-benar akan merevolusikan bidang biologi.

Terima kasih kepada penemuan ini, penyelidik menerima Hadiah Nobel dalam bidang perubatan pada tahun 1962, kecuali untuk Franklin yang meninggal sebelum penghantaran. Pada masa ini penemuan ini adalah salah satu daripada pesaing besar kejayaan kaedah saintifik untuk memperoleh pengetahuan baru.

Komponen

Molekul DNA terdiri daripada nukleotida, unit yang dibentuk oleh gula lima karbondi yang melekat pada kumpulan fosfat dan asas nitrogenous. Jenis gula yang terdapat dalam DNA adalah jenis deoksiribosa dan oleh itu namanya, asid deoksiribonukleik.

Untuk membentuk rantaian, nukleotida dikaitkan secara kovalen oleh ikatan fosfodiester melalui kumpulan 3'-hidroksil (-OH) dari satu gula dan 5'-phosphafo dari nukleotida berikut.

Jangan mengelirukan nukleotida dengan nukleosida. Yang terakhir merujuk kepada bahagian nukleotida yang dibentuk hanya oleh pentosa (gula) dan asas nitrogen.

DNA terdiri daripada empat jenis asas nitrogen: adenine (A), sitosin (C), guanine (G) dan timin (T).

Pangkalan nitrogenous dikelaskan kepada dua kategori: purin dan pirimidin. Kumpulan pertama terdiri daripada cincin lima atom yang menyertai cincin enam yang lain, manakala pyrimidine terdiri daripada cincin tunggal.

Dari asas-asas yang disebutkan, adenin dan guanine adalah derivatif purin. Sebaliknya, kumpulan pyrimidine tergolong dalam timina, sitosin dan uracil (terdapat dalam molekul RNA).

Struktur

Molekul DNA terdiri daripada dua rantai nukleotida. "Rantai" ini dikenali sebagai helai DNA.

Kedua-dua helai disambungkan dengan ikatan hidrogen di antara asas pelengkap. Basal nitrogenous dikaitkan dengan kovalen pada tulang gula dan fosfat.

Setiap nukleotida yang terletak dalam satu helai boleh digabungkan dengan nukleotida spesifik lain helai lain, untuk membentuk heliks ganda yang diketahui. Untuk membentuk struktur yang cekap, A sentiasa pasangan dengan T melalui dua jambatan hidrogen, dan G dengan C oleh tiga jambatan.

Undang-undang Chargaff

Jika kita mengkaji perkadaran asas nitrogen dalam DNA, kita akan mendapati bahawa jumlah A adalah sama dengan jumlah T dan sama dengan G dan C. Pola ini dikenali sebagai undang-undang Chargaff.

Pasangan ini lebih baik, kerana ia dapat memelihara lebar yang sama di sepanjang struktur, mengekalkan jarak yang serupa di sepanjang molekul rangka gula-fosfat. Perhatikan bahawa asas cincin digabungkan dengan salah satu cincin.

Model helix berganda

Adalah dicadangkan bahawa heliks ganda terdiri daripada 10,4 nukleotida setiap giliran, dipisahkan oleh jarak tengah-ke-pusat 3.4 nanometer. Proses rolling menimbulkan pembentukan alur dalam struktur, dapat melihat alur utama dan kecil.

Alur-alur timbul kerana ikatan glikosida dalam pasangan asas tidak bertentangan antara satu sama lain, berkenaan dengan diameternya. Dalam alur kecil adalah pyrimidine O-2 dan purine N-3, manakala groove utama terletak di kawasan yang bertentangan.

Jika kita menggunakan analogi tangga, tangga terdiri daripada pasangan asas yang saling melengkapi antara satu sama lain, manakala rangka sesuai dengan dua rel cengkeraman.

Hujung molekul DNA tidak sama, jadi kita bercakap tentang "polariti". Salah satu hujungnya, 3 ', membawa kumpulan -OH, manakala 5' end mempunyai kumpulan fosfat bebas.

Kedua-dua helaian ini terletak antiparallel, yang bermaksud bahawa ia terletak bertentangan dengan polariti mereka, seperti berikut:

Di samping itu, urutan salah satu benang mesti menjadi pelengkap kepada pasangannya, jika kedudukan A dijumpai, dalam benang antiparallel mesti ada T.

Pertubuhan

Dalam setiap sel manusia terdapat kira-kira dua meter DNA yang mesti dibungkus dengan cekap.

Tali harus dipadatkan supaya dapat terkandung dalam diameter 6 μm teras mikroskopik yang menduduki hanya 10% dari jumlah sel. Ini berkemungkinan terima kasih kepada tahap pemadatan yang berikut:

Histones

Dalam eukariota terdapat protein yang dikenali sebagai histones, yang mempunyai keupayaan untuk mengikat molekul DNA, menjadi tahap pemadatan yang pertama. Histon mempunyai caj positif untuk dapat berinteraksi dengan caj negatif DNA, disumbangkan oleh fosfat.

Histones adalah sejenis protein penting bagi organisma eukariotik yang hampir tidak berubah dalam perjalanan evolusi - mengingati bahawa kadar mutasi yang rendah menunjukkan bahawa tekanan terpilih pada molekul ini adalah kuat. Kecacatan pada histon boleh mengakibatkan pemadatan DNA yang rosak.

Histon boleh diubah suai secara biokimia dan proses ini mengubah tahap pemadatan bahan genetik.

Apabila histones adalah "hypoacetylated" kromatin lebih pekat, kerana bentuk acetylated meneutralkan caj positif lysin (asid amino yang bercas positif) dalam protein.

Nukleosom dan serat 30 nm

Tali DNA digulung di dalam histones dan bentuk struktur yang menyerupai manik-manik kalung mutiara, yang dipanggil nukleosom. Di tengah-tengah struktur ini terdapat dua salinan setiap jenis histon: H2A, H2B, H3 dan H4. Kesatuan histones yang berbeza dipanggil "octamer histone".

Octamer dikelilingi oleh 146 pasang asas, memberikan kurang dari dua putaran. Sel diploid manusia mengandungi kira-kira 6.4 x 109 nukleotida yang diorganisasikan menjadi 30 juta nukleosom.

Organisasi dalam nukleosom membolehkan kompak DNA dalam lebih daripada satu pertiga panjang asalnya.

Dalam proses pengekstrakan bahan genetik di bawah keadaan fisiologi, diperhatikan bahawa nukleosom disusun dalam serat 30 nanometer.

Kromosom

Kromosom adalah unit warisan berfungsi, yang berfungsi untuk membawa gen individu. Gen adalah segmen DNA yang mengandungi maklumat untuk mensintesis protein (atau siri protein). Walau bagaimanapun, terdapat juga kod-kod gen untuk unsur pengawalseliaan, seperti RNA.

Semua sel manusia (kecuali gamet dan eritrosit darah) mempunyai dua salinan setiap kromosom, satu yang diwarisi dari bapa dan yang lain dari ibu.

Kromosom adalah struktur yang terdiri daripada sebahagian linear panjang DNA yang berkaitan dengan kompleks protein yang disebutkan di atas. Biasanya dalam eukariota, semua bahan genetik yang dimasukkan ke dalam nukleus dibahagikan kepada satu siri kromosom.

Organisasi di prokaryotes

Prokariote adalah organisma yang kekurangan nukleus. Dalam spesies ini, bahan genetik sangat bergulung bersama protein beralkali berat molekul rendah. Dengan cara ini, DNA dipadatkan dan terletak di kawasan tengah dalam bakteria.

Sesetengah penulis biasanya menamakan struktur "kromosom bakteria" ini, walaupun ia tidak menunjukkan ciri-ciri kromosom eukariotik yang sama.

Jumlah DNA

Tidak semua spesies organisma mengandungi jumlah DNA yang sama. Malah, nilai ini sangat berubah antara spesis dan tidak ada hubungan antara jumlah DNA dan kerumitan organisma. Percanggahan ini dikenali sebagai "paradoks nilai nilai C".

Penaakulan logikal adalah intuitif bahawa organisme yang lebih rumit, semakin banyak DNA yang dimilikinya. Walau bagaimanapun, ini tidak benar.

Sebagai contoh, genom lungfish itu Protopterus aethiopicus ia mempunyai saiz 132 pg (DNA boleh dikira dalam picograms = pg) manakala genom manusia beratnya hanya 3.5 pg.

Ingat bahawa tidak semua DNA kod organisma untuk protein, sejumlah besar ini berkaitan dengan elemen pengawalseliaan dan jenis RNA yang berlainan.

Bentuk struktur DNA

Model Watson dan Crick, yang disimpulkan daripada pola difraksi sinar-X, dikenali sebagai helix B-DNA dan merupakan model "tradisional" dan paling terkenal. Walau bagaimanapun, terdapat dua bentuk lain yang berbeza, yang dikenali sebagai DNA-A dan DNA-Z.

DNA-A

Varian "A" berputar ke kanan, seperti DNA-B, tetapi lebih pendek dan lebih luas. Bentuk ini muncul apabila kelembapan relatif menurun.

DNA-A berputar setiap 11 pasangan asas, alur utama lebih sempit dan lebih dalam daripada B-DNA. Berkenaan dengan alur kecil, ini lebih cetek dan luas.

ADN-Z

Varian ketiga ialah Z-DNA. Ini adalah bentuk paling sempit, dibentuk oleh sekumpulan hexanucleotides yang dianjurkan dalam dupleks rantaian antiparallel. Salah satu ciri yang paling menarik dari borang ini adalah bahawa ia berubah ke kiri, manakala dua lagi bentuk melakukannya ke kanan.

Z-DNA muncul apabila terdapat urutan pendek pyrimidines dan purin yang berselang-seli. Alur yang lebih besar adalah rata dan yang lebih kecil lebih sempit dan lebih dalam, berbanding dengan B-DNA.

Walaupun di bawah keadaan fisiologi molekul DNA kebanyakannya dalam bentuk B, kewujudan dua varian yang dijelaskan memperlihatkan fleksibiliti dan dinamisme bahan genetik.

Fungsi

Molekul DNA mengandungi semua maklumat dan arahan yang diperlukan untuk pembinaan organisma. Set lengkap maklumat genetik dalam organisma dipanggil genom.

Mesej itu dikodkan oleh "abjad biologi": empat asas yang disebutkan sebelumnya, A, T, G dan C.

Mesej ini boleh menyebabkan pembentukan pelbagai jenis protein atau pengekodan untuk beberapa elemen pengawalseliaan. Proses yang mana asas-asas ini boleh menghantar mesej, dijelaskan di bawah:

Replikasi, transkripsi dan penterjemahan

Mesej yang disulitkan dalam empat huruf A, T, G dan C memberikan hasil fenotip (bukan semua kod urutan DNA untuk protein). Untuk mencapai ini, DNA mesti meniru dirinya dalam setiap proses pembahagian sel.

Replikasi DNA adalah semikonservatif: helai berfungsi sebagai templat untuk pembentukan molekul anak perempuan yang baru. Enzim yang berbeza memangkin replikasi, termasuk DNA primase, helicase DNA, ligase DNA dan topoisomerase.

Selanjutnya, mesej - ditulis dalam bahasa urutan asas - mesti dihantar ke molekul perantara: RNA (asid ribonukleat). Proses ini dipanggil transkripsi.

Agar transkripsi berlaku, enzim yang berbeza mesti mengambil bahagian, termasuk polimerase RNA.

Enzim ini bertanggungjawab untuk menyalin mesej DNA dan mengubahnya menjadi molekul RNA Rasul. Dalam erti kata lain, tujuan transkripsi adalah untuk mendapatkan utusan itu.

Akhir sekali, mesej diterjemahkan ke dalam molekul RNA messenger, terima kasih kepada ribosom.

Struktur ini mengambil RNA utusan dan bersama-sama dengan jentera terjemahan membentuk protein yang ditentukan.

Kod genetik

Mesej dibaca dalam "tiga kali ganda" atau kumpulan tiga huruf yang menyatakan untuk asid amino - blok struktur protein. Ia adalah mungkin untuk mentafsirkan mesej dari triplets kerana kod genetik telah pun diumumkan sepenuhnya.

Terjemahan ini selalu bermula dengan methionine asid amino, yang dikodkan oleh triplet mula: AUG. "U" mewakili asas uracil dan merupakan ciri RNA dan suplemen timin.

Sebagai contoh, jika mRNA mempunyai urutan berikut: Ogos UUU UUA CCU CUU, keputusan dalam asid amino berikut: methionine, proline, leucine, fenilalanina dan phenylalanine. Ambil perhatian bahawa mungkin dua kembar tiga - dalam kes ini UUU UUA dan - mengekod asid amino yang sama: phenylalanine.

Untuk harta ini, dikatakan bahawa kod genetiknya merosot, kerana asid amino dikodkan oleh lebih daripada satu turutan tiga, kecuali untuk asid amino methionine yang menentukan permulaan terjemahan.

Proses ini dihentikan dengan penamatan tertentu atau berhenti tiga kali ganda: UAA, UAG dan UGA. Mereka dikenali di bawah nama oker, amber dan opal, masing-masing. Apabila ribosom mengesannya, mereka tidak lagi boleh menambah lebih banyak asid amino ke rantai.

Ciri kimia dan fizikal

Asid nukleat bersifat asid dan larut dalam air (hidrofilik). Pembentukan ikatan hidrogen antara kumpulan fosfat dan kumpulan hidroksil pentos dengan air boleh berlaku. Ia dikenakan secara negatif pada pH fisiologi.

Penyelesaian DNA sangat likat, kerana kapasiti rintangan terhadap ubah bentuk heliks ganda, yang sangat tegar. Kelikatan berkurangan jika asid nukleik adalah satu terkandas.

Mereka adalah molekul yang sangat stabil. Secara logiknya, ciri ini mesti sangat diperlukan dalam struktur yang membawa maklumat genetik. Berbanding dengan RNA, DNA lebih stabil kerana ia tidak mempunyai kumpulan hidroksil.

DNA boleh dihaluskan oleh haba, iaitu, helai berasingan apabila molekul terdedah kepada suhu tinggi.

Jumlah haba yang mesti digunakan bergantung kepada peratusan G-C molekul, kerana asas ini disertai oleh tiga ikatan hidrogen, meningkatkan ketahanan terhadap pemisahan.

Untuk penyerapan cahaya, mempunyai puncak pada 260 nanometer, yang meningkatkan jika asid nukleik adalah tunggal terkandas, sebagai nukleotida cincin terdedah dan ini adalah bertanggungjawab untuk penyerapan.

Evolusi

Menurut Lazcano et al. 1988 DNA timbul dalam tahap peralihan dari RNA, menjadi salah satu peristiwa penting dalam sejarah kehidupan.

Penulis mencadangkan tiga peringkat: tempoh pertama di mana molekul-molekul serupa dengan asid nukleik wujud, kemudian genom terbentuk dari RNA dan sebagai peringkat terakhir genom genom DNA dua kali muncul.

Sesetengah bukti menyokong teori dunia utama berdasarkan RNA. Pertama, sintesis protein boleh berlaku tanpa ketiadaan DNA, tetapi tidak apabila RNA hilang. Di samping itu, molekul RNA dengan sifat katalitik telah ditemui.

Bagi sintesis deoxyribonucleotide (terdapat dalam DNA), mereka sentiasa datang dari pengurangan ribonukleotida (terdapat dalam RNA).

Inovasi evolusi molekul DNA mesti memerlukan kehadiran enzim yang mensintesis prekursor DNA dan mengambil bahagian dalam retrotranskripsi RNA.

Dengan mengkaji enzim-enzim semasa, dapat disimpulkan bahawa protein-protein ini telah berkembang beberapa kali dan peralihan dari RNA ke DNA lebih kompleks daripada yang difikirkan sebelumnya, termasuk proses pemindahan gen dan kehilangan dan penggantian bukan orthologous..

Penjujukan DNA

Penjujukan DNA terdiri daripada penjelasan urutan jajar DNA dari segi empat asas yang membuatnya.

Pengetahuan urutan ini sangat penting dalam sains biologi. Ia boleh digunakan untuk mendiskriminasi dua spesies morfologi yang sangat serupa, untuk mengesan penyakit, patologi atau parasit dan juga mempunyai kebolehgunaan forensik.

Urutan Sanger telah dibangunkan pada tahun 1900-an dan merupakan teknik tradisional untuk menjelaskan urutan. Walaupun umurnya, ia adalah kaedah yang sah digunakan secara meluas oleh penyelidik.

Kaedah Sanger

Kaedah ini menggunakan polimerase DNA, enzim yang sangat boleh dipercayai yang mereplikasi DNA dalam sel, mensintesis rantaian DNA baru menggunakan satu lagi garis panduan yang sedia ada. Enzim memerlukan a pertama atau primer untuk memulakan sintesis. Primer adalah molekul kecil DNA pelengkap kepada molekul yang anda mahu urutan.

Dalam tindak balas, nukleotida yang akan dimasukkan ke dalam helai DNA baru oleh enzim ditambah.

Sebagai tambahan kepada "tradisional" nukleotida, kaedah ini termasuk satu siri dideoxynucleotides untuk setiap pangkalan. Mereka berbeza daripada nukleotida piawai dalam dua ciri: secara strukturnya mereka tidak membenarkan polimerase DNA untuk menambah lebih banyak nukleotida kepada rantai anak perempuan dan mempunyai penanda pendarfluor berbeza untuk setiap asas.

Hasilnya adalah pelbagai molekul DNA yang berbeza panjang, kerana dideoxynucleotides secara rawak dimasukkan dan menghentikan proses replikasi dalam berbagai peringkat.

Pelbagai molekul ini boleh dipisahkan mengikut panjangnya dan identiti nukleotida dibaca melalui pelepasan cahaya dari label pendarfluor..

Penjujukan generasi baru

Teknik penjujukan yang dibangunkan pada tahun-tahun kebelakangan ini membolehkan analisis berjuta-juta sampel secara bersamaan.

Antara kaedah yang paling cemerlang adalah pyrosequencing, penjujukan oleh sintesis, penjujukan ligation dan penjujukan generasi seterusnya oleh Ion Torrent..

Rujukan

  1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., et al. (2002). Biologi Molekul Sel. Edisi ke-4. New York: Sains Garland. Struktur dan Fungsi DNA. Boleh didapati di: ncbi.nlm.nih.gov/
  2. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., et al. (2002). Biologi Molekul Sel. Edisi ke-4. New York: Sains Garland. DNA Chromosomal dan Pembungkusannya di Serat Chromatin. Boleh didapati di: ncbi.nlm.nih.gov
  3. Berg, J.M., Tymoczko, J.L., Stryer, L. (2002). Biokimia Edisi ke-5. New York: W H Freeman. Seksyen 27.1, DNA Boleh Menganggap Pelbagai Borang Struktur. Boleh didapati di: ncbi.nlm.nih.gov
  4. Fierro, A. (2001). Sejarah ringkas mengenai penemuan struktur DNA. Rev Med Clinic Las Condes, 20, 71-75.
  5. Forterre, P., Filée, J. & Myllykallio, H. (2000-2013) Asal dan Evolusi Mesin Replikasi DNA dan DNA. Dalam: Pangkalan Data Biosains Madame Curie [Internet] Austin (TX): Landes Bioscience. Boleh didapati di: ncbi.nlm.nih.gov
  6. Lazcano, A., Guerrero, R., Margulis, L., & Oro, J. (1988). Peralihan evolusi dari RNA ke DNA pada sel-sel awal. Jurnal evolusi molekul, 27(4), 283-290.
  7. Lodish, H., Berk, A., Zipursky, S.L., et al. (2000). Biologi Sel Molekul. Edisi ke-4. New York: W. H. Freeman. Bahagian 9.5, Mengadakan DNA Selular ke dalam Kromosom. Boleh didapati di: ncbi.nlm.nih.gov/books
  8. Voet, D., Voet, J. G., & Pratt, C. W. (1999). Asas biokimia. Baru York: John Willey dan Anak-anak.