DNK: ZGODOVINA, FUNKCIJE, STRUKTURA, KOMPONENTE - BIOLOGIJA

DNK (deoksiribonukleinska kislina) je biomolekula vsebuje vse potrebne informacije za ustvarjanje telo in ohrani njegovo delovanje. Sestavljajo ga enote, imenovane nukleotidi, ki jih sestavljajo fosfatna skupina, molekula sladkorja s petimi ogljiki in dušikova baza.

Obstajajo štiri dušikove baze: adenin (A), citozin (C), gvanin (G) in timin (T). Adenin se vedno pari s timinom, gvanin pa s citozinom. Sporočilo, vsebovano v verigi DNK, se spremeni v messenger RNA in ta sodeluje pri sintezi beljakovin.

DNK je izjemno stabilna molekula, ki se pri fiziološkem pH negativno nabira, ki se povezuje s pozitivnimi proteini (histoni), da se učinkovito kompaktira v jedru evkariontskih celic. Dolga veriga DNK skupaj z različnimi povezanimi proteini tvori kromosom.

Zgodovina

Leta 1953 sta Američan James Watson in Britanec Francis Crick uspela razjasniti tridimenzionalno strukturo DNK, zahvaljujoč delu v kristalografiji, ki sta ga opravila Rosalind Franklin in Maurice Wilkins. Svoje sklepe so utemeljili tudi na delu drugih avtorjev.

Ko je DNK izpostavljen rentgenskim žarkom, se oblikuje difrakcijski vzorec, ki ga lahko uporabimo za sklepanje o strukturi molekule: vijačnica dveh protiparalnih verig, ki se vrtita v desno, kjer sta obe verigi med bazama združeni z vodikovimi vezmi. . Dobljeni vzorec je bil naslednji:

Strukturo lahko sklepamo po Braggovih zakonih difrakcije: kadar je objekt nameščen sredi rentgenskega žarka, se ta odraža, saj elektroni predmeta medsebojno vplivajo na žarek.

Rezultati Watsona in Krika so bili 25. aprila 1953 objavljeni v prestižni reviji Nature, v članku na samo dveh straneh z naslovom "Molekularna struktura nukleinskih kislin", ki bi popolnoma spremenilo področje biologije.

Zahvaljujoč temu odkritju so raziskovalci leta 1962 prejeli Nobelovo nagrado za medicino, z izjemo Franklina, ki je umrl pred porodom. Trenutno je to odkritje eden najpomembnejših dejavnikov uspešnosti znanstvene metode za pridobivanje novega znanja.

Komponente

Molekula DNA je sestavljena iz nukleotidov, enot, sestavljenih iz pet-ogljikovega sladkorja, ki je vezan na fosfatno skupino in dušikovo bazo. Vrsta sladkorja, ki ga najdemo v DNK, je vrsta deoksiriboze in od tod tudi njeno ime deoksiribonukleinska kislina.

Da tvorijo verigo, so nukleotidi kovalentno povezani s fosfodiestersko vezjo skozi 3'-hidroksilno skupino (-OH) iz sladkorja in 5'-fosfafo naslednjega nukleotida.

Nukleotide ne smemo zamenjati z nukleozidi. Slednji se nanaša na del nukleotida, ki ga tvorita samo pentoza (sladkor) in dušikova baza.

DNK sestavljajo štiri vrste dušikovih baz: adenin (A), citozin (C), gvanin (G) in timin (T).

Dušikove baze so razvrščene v dve kategoriji: purini in pirimidini. Prvo skupino sestavlja obroč s petimi atomi, pritrjen na drug šesti obroč, medtem ko so pirimidini sestavljeni samo iz enega obroča.

Od omenjenih baz sta adenin in gvanin derivati purinov. Nasprotno pa timin, citozin in uracil (prisotni v molekuli RNA) spadajo v skupino pirimidinov.

Struktura

Molekula DNA je sestavljena iz dveh verig nukleotidov. Ta "veriga" je znana kot pramen DNK.

Oba sklopa sta med seboj dopolnjujoči vodikovi vezi med komplementarnima bazama. Dušikove baze so kovalentno povezane s hrbtenico sladkorjev in fosfatov.

Vsak nukleotid, ki se nahaja na enem pramenu, je lahko povezan z drugim specifičnim nukleotidom na drugem pramenu, da nastane dobro znana dvojna vijačnica. Da bi tvorili učinkovito strukturo, A vedno povežemo s T s pomočjo dveh vodikovih vezi in G s C s tremi vezmi.

Chargaffov zakon

Če preučimo deleže dušikovih baz v DNK, bomo ugotovili, da je količina A enaka količini T in enaka z G in C. Ta vzorec je znan kot Chargaffov zakon.

To seznanjanje je energetsko ugodno, saj omogoča ohranjanje podobne širine v celotni strukturi, pri čemer ohranja podobno razdaljo vzdolž hrbtenične molekule sladkorno-fosfatnega izvora. Upoštevajte, da se osnova obroča pari z enim od obroča.

Model z dvojno vijačnico

Predlagamo, da dvojno vijačnico sestavlja 10,4 nukleotida na zavoj, ločenih z razdaljo od središča do središča 3,4 nanometra. Postopek valjanja povzroči nastanek utorov v strukturi, pri čemer lahko opazujemo večji in manjši utor.

Žlebovi nastanejo, ker glikozidne vezi v osnovnih parih niso nasproti drug drugemu glede na njihov premer. Pirimidin O-2 in purin N-3 najdemo v manjšem utoru, medtem ko se glavni utor nahaja v nasprotnem območju.

Če uporabimo analogijo lestve, trakovi so sestavljeni iz parov komplementarnih podstavkov drug drugemu, okostje pa ustreza dvema grabenima tirnicama.

Konci molekule DNK niso enaki, zato govorimo o „polarnosti“. Eden od njegovih koncev, 3 ', ima skupino -OH, medtem ko ima 5' konec prosto skupino fosfatov.

Oba pramena sta nameščena protiparalno, kar pomeni, da sta glede na njune polaritete nasprotno postavljena:

Poleg tega mora biti zaporedje enega od pramenov komplementarno njegovemu partnerju, če je položaj A, mora biti v protiparalnem pramenu T.

Organizacija

V vsaki človeški celici je približno dva metra DNK, ki mora biti učinkovito pakirana.

Pramen mora biti stisnjen, tako da ga lahko vsebuje v mikroskopskem jedru s premerom 6 μm, ki zaseda le 10% volumna celice. To je mogoče zaradi naslednjih stopenj stiskanja:

Histoni

V evkariotih so beljakovine, imenovane histoni, ki se lahko vežejo na molekulo DNK, kar je prva stopnja zbijanja niti. Histoni imajo pozitivne naboje, da lahko komunicirajo z negativnimi naboji DNK, ki jih zagotavljajo fosfati.

Histoni so beljakovine tako pomembni za evkariontske organizme, da so bili med evolucijo praktično nespremenjeni - če se spomnimo, da nizka hitrost mutacij kaže na močan selektivni pritisk na to molekulo. Okvara histonov lahko povzroči pomanjkljivo zbijanje v DNK.

Histoni so lahko biokemijsko spremenjeni in s tem postopkom se spreminja stopnja zbijanja genskega materiala.

Ko se histoni "hipoacetilirajo", je kromatin bolj kondenziran, saj acetilirane oblike nevtralizirajo pozitivne naboje lizinov (pozitivno nabitih aminokislin) v proteinu.

Nukleozomi in 30 nm vlakna

Pramen DNK se zvije v histone in tvorijo strukture, ki spominjajo na kroglice na biserni verižici, imenovani nukleosomi. V središču te strukture sta dve kopiji vsake vrste histona: H2A, H2B, H3 in H4. Zveza različnih histonov se imenuje "histonski oktamer".

Oktamer je obkrožen s približno 146 baznimi pari, ki krožijo manj kot dvakrat. Človeška diploidna celica vsebuje približno 6,4 x 10 ⁹ nukleotidov, ki so organizirani v 30 milijonov nukleozomov.

Organizacija v nukleozome omogoča kompaktnost DNK na več kot tretjino prvotne dolžine.

V procesu ekstrakcije genskega materiala v fizioloških pogojih opazimo, da so nukleozomi razporejeni v 30 nanometrskih vlaknih.

Kromosomi

Kromosomi so funkcionalna enota dednosti, katere funkcija je prenašanje genov posameznika. Gen je segment DNK, ki vsebuje informacije za sintezo proteina (ali serije beljakovin). Vendar obstajajo tudi geni, ki kodirajo regulativne elemente, kot je RNA.

Vse človeške celice (razen gameta in krvnih celic) imajo po dve kopiji vsakega kromosoma, eno podeduje od očeta, drugo pa od matere.

Kromosomi so strukture, sestavljene iz dolgega linearnega dela DNK, povezanega z zgoraj omenjenimi proteinskimi kompleksi. Običajno je v evkariontih celoten genetski material, ki je vključen v jedro, razdeljen na vrsto kromosomov.

Organizacija v prokariote

Prokarioti so organizmi, ki nimajo jedra. Pri teh vrstah je genetski material visoko zavit skupaj z alkalnimi beljakovinami z nizko molekulsko maso. Na ta način se DNA kompaktira in nahaja v osrednjem območju.

Nekateri avtorji to strukturo pogosto imenujejo "bakterijski kromosom", čeprav nima enakih lastnosti kot evkariontski kromosom.

Količina DNK

Vse vrste organizmov ne vsebujejo enake količine DNK. Pravzaprav je ta vrednost med vrstami zelo različna in med količino DNK in zahtevnostjo organizma ni povezave. To protislovje je znano kot "paradoks vrednosti C".

Logičen sklep bi bil intuitiven, da bolj kot je zapleten organizem, več DNK ima. Vendar to v naravi ne drži.

Na primer, genom pljučne vrste Protopterus aethiopicus ima velikost 132 pg (DNK je mogoče količinsko določiti v pikogramih = pg), medtem ko človeški genom tehta le 3,5 pg.

Ne smemo pozabiti, da vsa DNK v organizmu ne kodira beljakovin, velika količina tega je povezana z regulativnimi elementi in različnimi vrstami RNA.

Strukturne oblike DNK

Model Watson in Crick, izpeljan iz vzorcev difrakcije rentgenskih žarkov, je znan kot vijačnica B-DNA in je "tradicionalni" in najbolj znan model. Vendar pa obstajata še dve različni obliki, imenovani A-DNA in Z-DNA.

DNK - A

Varianta "A" se vrti v desno, tako kot B-DNK, vendar je krajša in širša. Ta oblika se pojavi, ko se relativna vlaga zmanjša.

A-DNA se vrti vsakih 11 baznih parov, glavni utor je ožji in globlji od B-DNK. Glede na manjši utor je ta bolj površen in širok.

DNK - Z

Tretja varianta je Z-DNA. Gre za najožjo obliko, ki jo tvori skupina heksanukleotidov, organizirana v dupleksu antiparalelnih verig. Ena najbolj izjemnih lastnosti te oblike je ta, da zavije v levo, medtem ko druga dva načina to počneta na desno.

Z-DNA se pojavi, ko se med seboj kratko izmenjujejo kratke sekvence pirimidinov in purinov. Glavni sulkus je raven, manjši pa ozek in globlji v primerjavi z B-DNK.

Čeprav je molekula DNK v fizioloških pogojih večinoma v obliki B, obstoj opisanih dveh variant razkriva prožnost in dinamičnost genskega materiala.

Lastnosti

Molekula DNK vsebuje vse informacije in navodila, potrebna za izgradnjo organizma. Celoten nabor genetskih informacij v organizmih se imenuje genom.

Sporočilo je kodirano z "biološko abecedo": štiri omenjene podlage, A, T, G in C.

Sporočilo lahko privede do tvorbe različnih vrst beljakovin ali kodira neki regulativni element. Postopek, s katerim lahko te baze podatkov dostavijo sporočilo, je razložen spodaj:

Razmnoževanje, prepisovanje in prevod

Sporočilo, šifrirano s štirimi črkami A, T, G in C, ima za posledico fenotip (niso vsa zaporedja DNA za beljakovine). Da bi to dosegli, se mora DNK ponoviti v vsakem procesu delitve celice.

Razmnoževanje DNK je pol-konzervativno: en sklop služi kot predloga za nastanek nove hčerinske molekule. Razmnoževanje, ki ga katalizirajo številni encimi, vključno z DNA primazo, DNA helikazo, DNA ligazo in topoizomerazo.

Nato mora biti sporočilo, napisano v jeziku osnovnega zaporedja, posredovano vmesni molekuli: RNA (ribonukleinska kislina). Ta postopek se imenuje prepisovanje.

Za transkripcijo morajo sodelovati različni encimi, vključno z RNA polimerazo.

Ta encim je odgovoren za kopiranje sporočila DNK in pretvarjanje v molekulo RNA. Z drugimi besedami, cilj prepisovanja je pridobiti sel.

Končno pride do prevoda sporočila v molekule RNA v messengerju, zahvaljujoč ribosomom.

Te strukture prevzamejo messenger RNA in skupaj s stroji za prevajanje tvorijo določen protein.

Genska koda

Sporočilo se bere v "trojčkih" ali skupinah treh črk, ki določajo aminokislino - gradnike beljakovin. Sporočilo trojčkov je mogoče razvozlati, saj je že v celoti razkrit genetski zapis.

Prevajanje se vedno začne z aminokislino metioninom, ki jo kodira začetni triplet: AUG. "U" predstavlja osnovni uracil in je značilen za RNA in nadomešča timin.

Na primer, če ima mesna RNA naslednje zaporedje: AUG CCU CUU UUU UUA, se prevede v naslednje aminokisline: metionin, prolin, levcin, fenilalanin in fenilalanin. Upoštevajte, da lahko dve trojčki - v tem primeru UUU in UUA - kodirata isto aminokislino: fenilalanin.

Zaradi te lastnosti pravijo, da je genska koda degenerirana, saj aminokislino kodira več kot eno zaporedje trojčkov, razen aminokisline metionin, ki narekuje začetek prevajanja.

Postopek se ustavi s posebnimi tripleti stop ali stop: UAA, UAG in UGA. Znani so pod imeni oker, jantarja in opala. Ko jih ribosom zazna, ne morejo več dodajati več aminokislin v verigo.

Kemične in fizikalne lastnosti

Nukleinske kisline so kisle narave in so topne v vodi (hidrofilne). Med fosfatnimi skupinami in hidroksilnimi skupinami pentoz z vodo lahko pride do tvorbe vodikovih vezi. Pri fiziološkem pH se negativno napolni.

Raztopine DNK so zelo viskozne zaradi sposobnosti odpornosti proti deformaciji dvojne vijačnice, ki je zelo toga. Viskoznost se zmanjša, če je nukleinska kislina enojna.

So visoko stabilne molekule. Logično je, da mora biti ta lastnost nepogrešljiva v strukturah, ki prenašajo genetske informacije. V primerjavi z RNA je DNK veliko bolj stabilen, ker nima hidroksilne skupine.

DNA je lahko toplotno denaturirana, to je, da se prameni ločijo, ko je molekula izpostavljena visokim temperaturam.

Količina toplote, ki jo je treba nanesti, je odvisna od deleža molekule G - C, ker so te baze povezane s tremi vodikovimi vezmi, kar poveča odpornost na ločitev.

Glede absorpcije svetlobe imajo vrh pri 260 nanometrih, ki se poveča, če je nukleinska kislina enoverižna, saj so nukleotidni obroči izpostavljeni in ti so odgovorni za absorpcijo.

Evolucija

Po navedbah Lazcano in sod. 1988 DNK nastaja v prehodnih fazah iz RNK in je eden najpomembnejših dogodkov v zgodovini življenja.

Avtorji predlagajo tri faze: prvo obdobje, kjer so bile molekule podobne nukleinskim kislinam, kasneje so bili geni sestavljeni iz RNA in kot zadnja stopnja so se pojavili dvojni pasovi DNA genomov.

Nekateri dokazi podpirajo teorijo o primarnem svetu, ki temelji na RNA. Najprej lahko pride do sinteze beljakovin v odsotnosti DNK, ne pa tudi, ko RNA manjka. Poleg tega so bile odkrite molekule RNA s katalitičnimi lastnostmi.

Kar zadeva sintezo deoksiribonukleotidov (prisotnih v DNK), vedno izvirajo iz redukcije ribonukleotidov (prisotnih v RNK).

Evolucijska inovacija molekule DNK mora zahtevati prisotnost encimov, ki sintetizirajo prekurzorje DNK in sodelujejo pri obratni transkripciji RNA.

S preučevanjem trenutnih encimov je mogoče sklepati, da so se ti proteini večkrat razvili in da je prehod iz RNK v DNK bolj zapleten kot prej verjeli, vključno s procesi prenosa in izgube genov in ne-ortoloških nadomestkov.

Sekvenciranje DNK

Sekvenciranje DNA sestoji iz razjasnitve zaporedja verige DNA v smislu štirih baz, ki ga sestavljajo.

Poznavanje tega zaporedja je izrednega pomena v bioloških znanostih. Uporablja se lahko za razlikovanje med dvema morfološko zelo podobnima vrstama, za odkrivanje bolezni, patologij ali parazitov in ima celo forenzično uporabnost.

Sanger sekvenciranje je bilo razvito v 1900-ih letih in je tradicionalna tehnika razjasnitve zaporedja. Kljub starosti je veljavna metoda in jo široko uporabljajo raziskovalci.

Sanger metoda

Metoda uporablja DNK polimerazo, zelo zanesljiv encim, ki razmnožuje DNK v celicah, sintetizira nov verigo DNK, pri čemer kot vodilo uporabi že obstoječo. Encim potrebuje temeljni premaz za začetek sinteze. Primer je majhna molekula DNA, ki dopolnjuje molekulo, ki jo je treba sekvencirati.

V reakciji dodamo nukleotide, ki jih bo encim vgradil v novo verigo DNK.

Poleg "tradicionalnih" nukleotidov metoda vključuje vrsto dideoksinukleotidov za vsako od baz. Od običajnih nukleotidov se razlikujejo po dveh značilnostih: strukturno ne omogočajo, da DNK polimeraza v hčerinski pramen doda več nukleotidov in imajo za vsako bazo različen fluorescenčni marker.

Rezultat tega so različne molekule DNK različnih dolžin, saj so bili dideoksinukleotidi naključno vključeni in zaustavljajo proces podvajanja na različnih stopnjah.

To raznolikost molekul lahko ločimo glede na njihovo dolžino in identiteto nukleotidov odčitamo s pomočjo oddajanja svetlobe s fluorescentne etikete.

Sekvenca naslednje generacije

Tehnike zaporedja, razvite v zadnjih letih, omogočajo obsežno analizo milijonov vzorcev hkrati.

Med najbolj izstopajoče metode spadajo pirocesiviranje, sekvenciranje s sintezo, sekvenciranje z ligacijo in zaporedje naslednjih generacij Ion Torrent.

Reference

Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., et al. (2002). Molekularna biologija celice. 4. izdaja. New York: Garland Science. Struktura in delovanje DNK. Dostopno na: ncbi.nlm.nih.gov/
Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., et al. (2002). Molekularna biologija celice. 4. izdaja. New York: Garland Science. Kromosomska DNK in njeno pakiranje v kromatinskih vlaknih. Dostopno na: ncbi.nlm.nih.gov
Berg, JM, Tymoczko, JL, Stryer, L. (2002). Biokemija. 5. izdaja New York: WH Freeman. Oddelek 27.1, DNK lahko vključuje različne strukturne oblike. Dostopno na: ncbi.nlm.nih.gov
Fierro, A. (2001). Kratka zgodovina odkritja strukture DNK. Rev Méd Clínica Las Condes, 20, 71–75.
Forterre, P., Filée, J. & Myllykallio, H. (2000-2013) Poreklo in razvoj strojev za podvajanje DNK in DNK. V: Baza podatkov o bioznanosti Madame Curie. Austin (TX): Landes Bioscience. Dostopno na: ncbi.nlm.nih.gov
Lazcano, A., Guerrero, R., Margulis, L., & Oro, J. (1988). Evolucijski prehod iz RNA v DNK v zgodnjih celicah. Časopis za molekularno evolucijo, 27 (4), 283-290.
Lodish, H., Berk, A., Zipursky, SL, et al. (2000). Molekularna celična biologija. 4. izdaja. New York: WH Freeman. Oddelek 9.5, Organiziranje celične DNK v kromosome. Dostopno na: ncbi.nlm.nih.gov/books
Voet, D., Voet, JG, & Pratt, CW (1999). Osnove biokemije. New York: John Willey in sinovi.

DNK: ZGODOVINA, FUNKCIJE, STRUKTURA, KOMPONENTE - BIOLOGIJA - 2026