Historie DNA, funkce, struktura, komponenty

3434
Jonah Lester

The DNA (kyselina deoxyribonukleová) je biomolekula, která obsahuje všechny informace potřebné k vytvoření organismu a udržení jeho fungování. Skládá se z jednotek nazývaných nukleotidy, které jsou tvořeny fosfátovou skupinou, molekulou cukru s pěti uhlíky a dusíkatou bází..

Existují čtyři dusíkaté báze: adenin (A), cytosin (C), guanin (G) a thymin (T). Adenin se vždy páruje s tyminem a guanin s cytosinem. Zpráva obsažená v řetězci DNA se transformuje na poselskou RNA a ta se podílí na syntéze proteinů.

DNA je extrémně stabilní molekula, negativně nabitá při fyziologickém pH, která se asociuje s pozitivními proteiny (histony), aby se účinně zhutňovala v jádru eukaryotických buněk. Dlouhý řetězec DNA spolu s různými přidruženými proteiny tvoří chromozom.

Rejstřík článků

  • 1 Historie
  • 2 Součásti
  • 3 Struktura
    • 3.1 Chargaffův zákon
    • 3.2 Model s dvojitou šroubovicí
  • 4 Organizace
    • 4.1 Histony
    • 4.2 Nukleosomy a 30 nm vlákno
    • 4.3 Chromozomy
    • 4.4 Organizace u prokaryot
    • 4.5 Množství DNA
  • 5 Strukturální formy DNA
    • 5.1 DNA-A
    • 5.2 Z-DNA
  • 6 funkcí
    • 6.1 Replikace, přepis a překlad
    • 6.2 Genetický kód
  • 7 Chemické a fyzikální vlastnosti
  • 8 Evoluce
  • 9 Sekvenování DNA
    • 9.1 Sangerova metoda
  • 10 Sekvenování nové generace
  • 11 Reference

Příběh

V roce 1953 se Američanovi Jamesovi Watsonovi a Britovi Francisovi Crickovi podařilo objasnit trojrozměrnou strukturu DNA díky práci v krystalografii, kterou provedli Rosalind Franklin a Maurice Wilkins. Závěry rovněž založili na práci jiných autorů.

Když je DNA vystavena rentgenovým paprskům, vytvoří se difrakční obrazec, který lze použít k odvození struktury molekuly: spirála dvou antiparalelních řetězců, které se otáčejí doprava, kde jsou oba řetězce spojeny vodíkovými vazbami mezi bázemi. . Získaný vzor byl následující:

Strukturu lze předpokládat podle Braggových zákonů difrakce: když je objekt vložen doprostřed rentgenového paprsku, odráží se to, protože elektrony objektu interagují s paprskem..

25. dubna 1953 byly v prestižním časopise zveřejněny výsledky Watsona a Cricka Příroda, v článku o dvou stránkách s názvem „Molekulární struktura nukleových kyselin“, Což by zcela revolucionizovalo oblast biologie.

Díky tomuto objevu dostali vědci v roce 1962 Nobelovu cenu za medicínu, s výjimkou Franklina, který zemřel před porodem. V současné době je tento objev jedním z největších představitelů úspěchu vědecké metody získávání nových znalostí.

Komponenty

Molekula DNA je tvořena nukleotidy, jednotkami tvořenými pěti uhlíkovým cukrem navázaným na fosfátovou skupinu a dusíkatou bází. Typ cukru nalezený v DNA je deoxyribózového typu, a proto se jmenuje deoxyribonukleová kyselina..

K vytvoření řetězce jsou nukleotidy kovalentně spojeny vazbou fosfodiesterového typu přes 3'-hydroxylovou skupinu (-OH) z cukru a 5'-fosfapho následujícího nukleotidu.

Nukleotidy by neměly být zaměňovány s nukleosidy. Posledně jmenovaný označuje část nukleotidu tvořenou pouze pentózou (cukrem) a dusíkatou bází.

DNA je tvořena čtyřmi typy dusíkatých bází: adenin (A), cytosin (C), guanin (G) a tymin (T).

Dusíkaté báze se dělí do dvou kategorií: puriny a pyrimidiny. První skupina se skládá z kruhu pěti atomů připojeného k dalšímu kruhu šesti, zatímco pyrimidiny jsou složeny z jednoho kruhu.

Ze zmíněných bází jsou adenin a guanin odvozeny od purinů. Naproti tomu do skupiny pyrimidinů patří tymin, cytosin a uracil (přítomné v molekule RNA).

Struktura

Molekula DNA je složena ze dvou řetězců nukleotidů. Tento „řetězec“ je znám jako řetězec DNA..

Tyto dva řetězce jsou spojeny vodíkovými vazbami mezi komplementárními bázemi. Dusíkaté báze jsou kovalentně spojeny s páteří cukrů a fosfátů.

Každý nukleotid nacházející se na jednom řetězci může být spojen s jiným specifickým nukleotidem na druhém řetězci za vzniku známé dvojité šroubovice. Aby se vytvořila účinná struktura, A se vždy spojí s T pomocí dvou vodíkových vazeb a G s C třemi můstky..

Chargaffův zákon

Pokud budeme studovat podíly dusíkatých bází v DNA, zjistíme, že množství A je totožné s množstvím T a stejné s G a C. Tento vzorec je znám jako Chargaffův zákon.

Toto párování je energeticky výhodné, protože umožňuje zachovat podobnou šířku v celé struktuře a udržovat podobnou vzdálenost podél molekuly páteře cukr-fosfát. Pamatujte, že základna prstenu se kryje s jedním prstencem.

Model s dvojitou šroubovicí

Předpokládá se, že dvojitá spirála se skládá z 10,4 nukleotidů na otáčku, oddělených vzdáleností mezi středy 3,4 nanometrů. Proces válcování vede ke vzniku drážek ve struktuře, které jsou schopné pozorovat větší a menší drážku.

Drážky vznikají proto, že glykosidické vazby v párech bází nejsou proti sobě, pokud jde o jejich průměr. Pyrimidin O-2 a purin N-3 se nacházejí v vedlejší drážce, zatímco hlavní drážka se nachází v opačné oblasti..

Použijeme-li analogii žebříku, příčky se skládají z dvojic vzájemně se doplňujících základen, zatímco kostra odpovídá dvěma záchytným lištám..

Konce molekuly DNA nejsou stejné, proto hovoříme o „polaritě“. Jeden z jeho konců, 3 ', nese -OH skupinu, zatímco 5' konec má volnou fosfátovou skupinu.

Tyto dva prameny jsou umístěny antiparalelně, což znamená, že jsou umístěny naproti jejich polaritám, a to následovně:

Sekvence jednoho z řetězců musí být navíc komplementární s jeho partnerem, pokud se jedná o polohu, je A, v antiparalelním řetězci musí být T.

Organizace

V každé lidské buňce jsou přibližně dva metry DNA, které musí být efektivně zabaleny.

Pramen musí být zhutněn tak, aby mohl být obsažen v mikroskopickém jádru o průměru 6 μm, které zabírá pouze 10% objemu buňky. To je možné díky následujícím úrovním zhutnění:

Histony

V eukaryotech existují proteiny zvané histony, které mají schopnost vázat se na molekulu DNA, což je první úroveň zhutnění řetězce. Histony mají kladné náboje, aby mohly interagovat s negativními náboji DNA, které poskytují fosfáty.

Histony jsou proteiny tak důležité pro eukaryotické organismy, že se během evoluce prakticky nezměnily - pamatujeme si, že nízká rychlost mutací naznačuje, že selektivní tlaky na tuto molekulu jsou silné. Poškození histonem by mohlo vést k vadnému zhutnění DNA.

Histony mohou být biochemicky modifikovány a tento proces upravuje úroveň zhutnění genetického materiálu.

Když jsou histony „hypoacetylované“, je chromatin kondenzovanější, protože acetylované formy neutralizují pozitivní náboje lysinů (pozitivně nabité aminokyseliny) v proteinu..

Nukleosomy a 30 nm vlákno

Vlákno DNA se stočí do histonů a tvoří struktury, které se podobají kuličkám na perlovém náhrdelníku, nazývaným nukleosomy. Srdcem této struktury jsou dvě kopie každého typu histonu: H2A, H2B, H3 a H4. Spojení různých histonů se nazývá „histonový oktamer“.

Oktamer je obklopen asi 146 páry bází a krouží méně než dvakrát. Lidská diploidní buňka obsahuje přibližně 6,4 x 109 nukleotidy, které jsou uspořádány do 30 milionů nukleosomů.

Organizace v nukleosomech umožňuje, aby byla DNA zhutněna na více než třetinu původní délky.

V procesu extrakce genetického materiálu za fyziologických podmínek je pozorováno, že nukleosomy jsou uspořádány ve vláknu 30 nanometrů.

Chromozomy

Chromozomy jsou funkční jednotkou dědičnosti, jejíž funkcí je přenášet geny jednotlivce. Gen je segment DNA, který obsahuje informace pro syntézu proteinu (nebo řady proteinů). Existují však také geny, které kódují regulační prvky, jako je RNA.

Všechny lidské buňky (s výjimkou gamet a červených krvinek) mají dvě kopie každého chromozomu, jednu zděděnou od otce a druhou od matky.

Chromozomy jsou struktury tvořené dlouhým lineárním kouskem DNA spojeným s výše uvedenými proteinovými komplexy. Normálně v eukaryotech je veškerý genetický materiál obsažený v jádru rozdělen do řady chromozomů.

Organizace v prokaryotech

Prokaryoty jsou organismy, kterým chybí jádro. U těchto druhů je genetický materiál vysoce navinut spolu s alkalickými proteiny s nízkou molekulovou hmotností. Tímto způsobem je DNA zhutněna a umístěna v centrální oblasti bakterie..

Někteří autoři tuto strukturu často nazývají „bakteriální chromozom“, i když nemá stejné vlastnosti jako eukaryotický chromozom..

Množství DNA

Ne všechny druhy organismů obsahují stejné množství DNA. Ve skutečnosti je tato hodnota mezi druhy velmi proměnlivá a neexistuje žádný vztah mezi množstvím DNA a složitostí organismu. Tento rozpor je známý jako „paradox hodnoty C“.

Logickým důvodem by bylo intuitivně si uvědomit, že čím složitější je organismus, tím více DNA má. To však není pravda..

Například genom plic Protopterus aethiopicus Má velikost 132 pg (DNA lze kvantifikovat v pikogramech = pg), zatímco lidský genom váží pouze 3,5 pg.

Je třeba si uvědomit, že ne veškerá DNA organismu kóduje proteiny, velké množství z toho souvisí s regulačními prvky as různými typy RNA.

Strukturální formy DNA

Watsonův a Crickův model, odvozený z rentgenových difrakčních obrazců, je známý jako spirála B-DNA a je „tradičním“ a nejznámějším modelem. Existují však dvě další různé formy, které se nazývají A-DNA a Z-DNA..

DNA-A

Varianta „A“ se otáčí doprava, stejně jako B-DNA, ale je kratší a širší. Tato forma se objeví, když relativní vlhkost klesá.

A-DNA se otáčí každých 11 párů bází, hlavní drážka je užší a hlubší než B-DNA. Pokud jde o malou drážku, je to povrchnější a širší.

Z-DNA

Třetí variantou je Z-DNA. Je to nejužší forma, kterou tvoří skupina hexanukleotidů uspořádaných do duplexu antiparalelních řetězců. Jednou z nejvýraznějších charakteristik tohoto tvaru je to, že se otáčí doleva, zatímco další dva způsoby to dělají doprava..

Z-DNA se objeví, když se střídají krátké sekvence pyrimidinů a purinů. Hlavní sulcus je plochý a menší je úzký a hlubší ve srovnání s B-DNA.

Ačkoli za fyziologických podmínek je molekula DNA většinou ve formě B, existence dvou popsaných variant odhaluje flexibilitu a dynamiku genetického materiálu..

Funkce

Molekula DNA obsahuje všechny informace a pokyny nezbytné pro stavbu organismu. Kompletní sada genetické informace v organismech se nazývá genom.

Zpráva je zakódována „biologickou abecedou“: výše zmíněnými čtyřmi bázemi, A, T, G a C..

Zpráva může vést k tvorbě různých typů proteinů nebo kódu pro nějaký regulační prvek. Níže je vysvětlen proces, kterým tyto databáze mohou doručit zprávu:

Replikace, přepis a překlad

Zpráva zašifrovaná čtyřmi písmeny A, T, G a C vede k fenotypu (ne všechny sekvence DNA kódují proteiny). K dosažení tohoto cíle se DNA musí replikovat v každém procesu dělení buněk..

Replikace DNA je semikonzervativní: jedno vlákno slouží jako templát pro tvorbu nové dceřiné molekuly. Různé enzymy katalyzují replikaci, včetně DNA primázy, DNA helikázy, DNA ligázy a topoizomerázy..

Následně musí být zpráva - napsaná v jazyce základní sekvence - přenesena na mezilehlou molekulu: RNA (kyselina ribonukleová). Tento proces se nazývá transkripce..

Aby došlo k transkripci, musí se účastnit různé enzymy, včetně RNA polymerázy.

Tento enzym je zodpovědný za kopírování zprávy DNA a její přeměnu na molekulu messengerové RNA. Jinými slovy, cílem transkripce je získat posla.

Nakonec dochází k translaci zprávy na molekuly messengerové RNA díky ribozomům.

Tyto struktury berou poselskou RNA a společně s translačním aparátem tvoří specifikovaný protein..

Genetický kód

Zpráva se čte „trojčaty“ nebo skupinami tří písmen, která specifikují aminokyselinu - stavební kameny bílkovin. Je možné dešifrovat poselství trojčat, protože genetický kód byl již zcela odhalen.

Překlad vždy začíná aminokyselinou methioninem, která je kódována výchozím tripletem: AUG. „U“ představuje bazický uracil a je charakteristický pro RNA a nahrazuje thymin.

Například pokud má messenger RNA následující sekvenci: AUG CCU CUU UUU UUA, je přeložena do následujících aminokyselin: methionin, prolin, leucin, fenylalanin a fenylalanin. Pamatujte, že dvě trojice - v tomto případě UUU a UUA - mohou kódovat stejnou aminokyselinu: fenylalanin.

Kvůli této vlastnosti se říká, že genetický kód je zdegenerovaný, protože aminokyselina je kódována více než jednou sekvencí tripletů, s výjimkou aminokyseliny methionin, která určuje začátek translace..

Proces je zastaven pomocí konkrétních stop nebo stop tripletů: UAA, UAG a UGA. Jsou známy pod jmény okrové, jantarové a opálové. Když je ribozom detekuje, nemohou již do řetězce přidávat další aminokyseliny.

Chemické a fyzikální vlastnosti

Nukleové kyseliny jsou kyselé povahy a jsou rozpustné ve vodě (hydrofilní). Může dojít k tvorbě vodíkových vazeb mezi fosfátovými skupinami a hydroxylovými skupinami pentóz s vodou. Při fyziologickém pH je záporně nabitý.

Roztoky DNA jsou vysoce viskózní kvůli kapacitě dvojité šroubovice, která je velmi tuhá. Viskozita klesá, pokud je nukleová kyselina jednovláknová.

Jsou to vysoce stabilní molekuly. Logicky musí být tato vlastnost nezbytná ve strukturách, které nesou genetickou informaci. Ve srovnání s RNA je DNA mnohem stabilnější, protože jí chybí hydroxylová skupina.

DNA může být denaturována teplem, což znamená, že se vlákna oddělují, když je molekula vystavena vysokým teplotám.

Množství tepla, které musí být aplikováno, závisí na procentech G-C molekuly, protože tyto báze jsou spojeny třemi vodíkovými vazbami, což zvyšuje odolnost proti separaci..

Pokud jde o absorpci světla, mají vrchol 260 nanometrů, který se zvyšuje, pokud je nukleová kyselina jednovláknová, protože jsou vystaveny nukleotidové kruhy, které jsou odpovědné za absorpci..

Vývoj

Podle Lazcana et al. 1988 DNA se objevuje v přechodových stádiích od RNA a je jednou z nejdůležitějších událostí v historii života.

Autoři navrhují tři stadia: první období, kdy existovaly molekuly podobné nukleovým kyselinám, později byly genomy tvořeny RNA a jako poslední stupeň se objevily dvoupásmové DNA genomy..

Některé důkazy podporují teorii primárního světa založenou na RNA. Za prvé, syntéza bílkovin může nastat v nepřítomnosti DNA, ale ne, když chybí RNA. Kromě toho byly objeveny molekuly RNA s katalytickými vlastnostmi..

Pokud jde o syntézu deoxyribonukleotidů (přítomných v DNA), vždy pocházejí z redukce ribonukleotidů (přítomných v RNA).

Evoluční inovace molekuly DNA musela vyžadovat přítomnost enzymů, které syntetizují prekurzory DNA a podílejí se na reverzní transkripci RNA.

Studiem současných enzymů lze vyvodit závěr, že tyto proteiny se vyvinuly několikrát a že přechod z RNA na DNA je složitější, než se dříve myslelo, včetně procesů přenosu a ztráty genů a neortologických náhrad..

Sekvenování DNA

Sekvenování DNA spočívá v objasnění sekvence řetězce DNA ve smyslu čtyř bází, které jej tvoří.

Znalost této sekvence je v biologických vědách nesmírně důležitá. Může být použit k rozlišení mezi dvěma morfologicky velmi podobnými druhy, k detekci nemocí, patologií nebo parazitů a má dokonce forenzní použitelnost.

Sangerovo sekvenování bylo vyvinuto ve 20. letech 20. století a je tradiční technikou pro objasnění sekvence. Přes svůj věk je to platná metoda a vědci ji široce používají.

Sangerova metoda

Tato metoda využívá DNA polymerázu, vysoce spolehlivý enzym, který replikuje DNA v buňkách, a syntetizuje nový řetězec DNA pomocí již existujícího jako vodítka. Enzym vyžaduje a První nebo primer pro zahájení syntézy. Primer je malá molekula DNA komplementární k molekule, která má být sekvenována.

V reakci se přidají nukleotidy, které budou enzymem inkorporovány do nového řetězce DNA.

Kromě "tradičních" nukleotidů zahrnuje způsob řadu dideoxynukleotidů pro každou z bází. Liší se od standardních nukleotidů dvěma charakteristikami: strukturálně neumožňují DNA polymeráze přidat více nukleotidů k ​​dceřinému řetězci a mají pro každou bázi odlišný fluorescenční marker.

Výsledkem je celá řada molekul DNA různých délek, protože dideoxynukleotidy byly začleněny náhodně a zastavily proces replikace v různých fázích..

Tuto rozmanitost molekul lze rozdělit podle jejich délky a identita nukleotidů se čte pomocí emise světla z fluorescenční značky..

Sekvenování nové generace

Sekvenční techniky vyvinuté v posledních letech umožňují masivní analýzu milionů vzorků současně.

Mezi nejvýznamnější metody patří pyrosekvenování, sekvenování syntézou, sekvenování ligací a sekvenování další generace pomocí Ion Torrent..

Reference

  1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J. a kol. (2002). Molekulární biologie buňky. 4. vydání. New York: Garland Science. Struktura a funkce DNA. Dostupné na: ncbi.nlm.nih.gov/
  2. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J. a kol. (2002). Molekulární biologie buňky. 4. vydání. New York: Garland Science. Chromozomální DNA a její obal v chromatinovém vláknu. Dostupné na: ncbi.nlm.nih.gov
  3. Berg, J.M., Tymoczko, J.L., Stryer, L. (2002). Biochemie. 5. vydání. New York: W H Freeman. Oddíl 27.1, DNA může předpokládat rozmanitost strukturních forem. Dostupné na: ncbi.nlm.nih.gov
  4. Fierro, A. (2001). Stručná historie objevu struktury DNA. Rev Méd Clínica Las Condes, dvacet, 71-75.
  5. Forterre, P., Filée, J. & Myllykallio, H. (2000-2013) Původ a vývoj DNA a DNA replikace strojů. Na: Databáze biologických věd Madame Curie [Internet]. Austin (TX): Landes Bioscience. Dostupné na: ncbi.nlm.nih.gov
  6. Lazcano, A., Guerrero, R., Margulis, L., & Oro, J. (1988). Evoluční přechod z RNA na DNA v časných buňkách. Časopis molekulární evoluce, 27(4), 283-290.
  7. Lodish, H., Berk, A., Zipursky, S.L., et al. (2000). Molekulární buněčná biologie. 4. vydání. New York: W. H. Freeman. Oddíl 9.5, Organizace buněčné DNA do chromozomů. K dispozici na: ncbi.nlm.nih.gov/books
  8. Voet, D., Voet, J. G., & Pratt, C. W. (1999). Základy biochemie. Nový York: John Willey and Sons.

Zatím žádné komentáře