Історія ДНК, функції, структура, компоненти



The ДНК (дезоксирибонуклеїнова кислота) - біомолекула, яка містить всю інформацію, необхідну для формування організму і підтримання його функціонування. Вона складається з одиниць, які називаються нуклеотидами, утвореними в свою чергу фосфатною групою, цукровою молекулою з п'яти атомів вуглецю і азотистою основою.

Існують чотири азотисті основи: аденін (А), цитозин (С), гуанін (G) і тимін (Т). Аденін завжди з'єднується з тиміном і гуаніном з цитозином. Повідомлення, що міститься в ланцюзі ДНК, трансформується в РНК-посланника, і це бере участь у синтезі білків.

ДНК є надзвичайно стійкою молекулою, негативно зарядженою при фізіологічному рН, яка пов'язана з позитивними білками (гістонами), щоб ефективно компактно в ядрі еукаріотичних клітин. Довга нитка ДНК, разом з різними пов'язаними білками, утворює хромосому.

Індекс

  • 1 Історія
  • 2 Компоненти
  • 3 Структура
    • 3.1 Закон Чаргафа
    • 3.2 Модель подвійної спіралі
  • 4 Організація
    • 4.1 Гістони
    • 4.2 Нуклеосоми і 30 нм волокна
    • 4.3 Хромосоми
    • 4.4 Організація в прокаріотах
    • 4.5 Кількість ДНК
  • 5 Структурні форми ДНК
    • 5.1 ДНК-А
    • 5.2 ADN-Z
  • 6 Функції
    • 6.1 Реплікація, транскрипція та трансляція
    • 6.2 Генетичний код
  • 7 Хімічні та фізичні властивості
  • 8 Еволюція
  • 9 Секвенування ДНК
    • 9.1 Метод Сенгера
  • 10 Секвенування нового покоління
  • 11 Посилання

Історія

У 1953 році американець Джеймс Уотсон і британський Френсіс Крік зуміли з'ясувати тривимірну структуру ДНК, завдяки роботі з кристалографії, яку виконувала Розалінд Франклін і Моріс Уілкінс. Вони також спиралися на свої висновки на твори інших авторів.

Викриття ДНК рентгенівськими променями утворює дифракційну картину, яка може бути використана для виведення структури молекули: спіраль двох антипаралельних ланцюгів, які повертаються вправо, де обидві ланцюги пов'язані водневими зв'язками між основами , Отриманий зразок був таким:

Структуру можна вважати за законами Бреггівської дифракції: коли об'єкт вставляється в середину пучка рентгенівських променів, він відбивається, оскільки електрони об'єкта взаємодіють з променем.

25 квітня 1953 р. У престижному журналі були опубліковані результати Уотсона і Крика Природа, у статті на двох сторінках "Молекулярна структура нуклеїнових кислотЦе повністю революціонізує сферу біології.

Завдяки цьому відкриттю, дослідники отримали Нобелівську премію в медицині в 1962 році, за винятком Франкліна, який помер до пологів. В даний час це відкриття є одним з великих показників успіху наукового методу для набуття нових знань.

Компоненти

Молекула ДНК складається з нуклеотидів, одиниць, утворених цукром з п'яти атомів вуглецю, приєднаних до фосфатної групи і азотистої основи. Тип цукру, що міститься в ДНК, - це тип дезоксирибози і, отже, його назва - дезоксирибонуклеїнова кислота.

Для формування ланцюга нуклеотиди ковалентно зв'язані фосфодіефірним зв'язком за допомогою 3'-гідроксильної групи (-ОН) з одного цукру і 5'-фосфату з наступного нуклеотиду.

Не слід плутати нуклеотиди з нуклеозидами. Останній відноситься до частини нуклеотиду, що утворюється тільки пентозою (цукром) і азотистим підставою.

ДНК складається з чотирьох типів азотистих основ: аденін (А), цитозин (С), гуанін (G) і тимін (Т).

Азотисті основи поділяються на дві категорії: пурини і піримідини. Перша група складається з кільця з п'яти атомів, приєднаних до іншого кільця з шести, а піримідини складаються з одного кільця.

З згаданих підстав аденін і гуанін є похідними пуринів. На противагу цьому, група піримідинів відноситься до тиміну, цитозину і урацилу (присутні в молекулі РНК).

Структура

Молекула ДНК складається з двох нуклеотидних ланцюгів. Ця "ланцюг" відома як ланцюг ДНК.

Дві нитки з'єднані водневими зв'язками між додатковими основами. Азотисті основи ковалентно зв'язані зі скелетом цукрів і фосфатів.

Кожен нуклеотид, розташований в одній ланцюзі, може бути з'єднаний з іншим специфічним нуклеотидом іншої нитки, щоб утворити відому подвійну спіраль. Для того щоб сформувати ефективну структуру, A завжди з'єднується з T за допомогою двох водневих мостів, а G - з трьома мостами.

Закон Чаргафа

Якщо ми вивчимо пропорції азотистих основ в ДНК, то виявимо, що кількість A ідентичне кількості T і те ж саме з G і C. Цей зразок відомий як закон Чаргаффа.

Це спарювання є енергетично сприятливим, оскільки дозволяє зберегти подібну ширину вздовж структури, зберігаючи подібну відстань уздовж молекули цукрово-фосфатного скелета. Зауважимо, що основа кільця з'єднана з одним кільцем.

Модель подвійної спіралі

Запропоновано, що подвійна спіраль складається з 10,4 нуклеотидів на оборот, розділені відстанню між центрами в 3,4 нанометра. Процес прокатки призводить до утворення канавок у структурі, здатних спостерігати велику і незначну канавку.

Канавки виникають тому, що глікозидні зв'язки в парах підстав не протилежні один одному, а по відношенню до їх діаметру. У дрібній канавці знаходиться піримідин O-2 і пуриновий N-3, в той час як основний паз розташований в протилежній області.

Якщо ми використовуємо аналогію сходів, сходинки складаються з пар підстав, взаємодоповнюючих один одного, тоді як скелет відповідає двом рейок.

Кінці молекули ДНК не збігаються, тому ми говоримо про «полярність». Один з його кінців, 3 ', несе групу -ОН, тоді як 5' кінець має вільну фосфатну групу.

Дві нитки розташовані антипараллельно, що означає, що вони розташовані навпроти їх полярності, наступним чином:

Крім того, послідовність одного з потоків повинна бути взаємодоповнюваною до свого партнера, якщо вона знаходиться в позиції A, то в антипараллельном потоці повинна бути T \ t.

Організація

У кожній клітині людини є приблизно два метри ДНК, які повинні бути ефективно упаковані.

Нитка повинна бути ущільнена таким чином, що вона може міститися в мікроскопічному ядрі діаметром 6 мкм, який займає лише 10% об'єму клітини. Це можливо завдяки наступним рівням ущільнення:

Гістони

У еукаріотів є білки, звані гістонами, які мають здатність зв'язуватися з молекулою ДНК, будучи першим рівнем ущільнення нитки. Гістони мають позитивні заряди, щоб мати можливість взаємодіяти з негативними зарядами ДНК, внесені фосфатами.

Гістони є такими важливими білками для еукаріотичних організмів, які практично незмінні в ході еволюції - пам'ятаючи, що низька швидкість мутацій вказує на те, що селективні тиски на цю молекулу сильні. Дефект гістонів може призвести до дефектного ущільнення ДНК.

Гістони можуть бути модифіковані біохімічно, і цей процес змінює рівень ущільнення генетичного матеріалу.

Коли гістони "гіпоацетилировани", хроматин більш конденсується, оскільки ацетильовані форми нейтралізують позитивні заряди лізинів (позитивно заряджених амінокислот) у білку.

Нуклеосоми і 30 нм волокна

Нитка ДНК згортається в гістонах і утворює структури, що нагадують намистини перламутрового намиста, звані нуклеосомами. В основі цієї структури лежать дві копії кожного типу гістонів: H2A, H2B, H3 і H4. Об'єднання різних гістонів називається "октомером гістонів".

Октамер оточений 146 парами підстав, даючи менше двох оборотів. Людська диплоїдна клітина містить приблизно 6,4 х 109 нуклеотиди, які організовані в 30 мільйонів нуклеосом.

Організація в нуклеосомах дозволяє ущільнити ДНК більш ніж на третину її початкової довжини.

У процесі вилучення генетичного матеріалу в фізіологічних умовах спостерігається, що нуклеосоми розташовані в волокні 30 нанометрів.

Хромосоми

Хромосоми є функціональною одиницею успадкування, функцією якої є перенесення генів індивідуума. Ген - це сегмент ДНК, який містить інформацію для синтезу білка (або ряду білків). Однак існують також гени, які кодують регуляторні елементи, такі як РНК.

Всі людські клітини (за винятком гамет і еритроцитів крові) мають дві копії кожної хромосоми, одна успадкована від батька, а інша - від матері.

Хромосоми являють собою структури, що складаються з довгої лінійної частини ДНК, пов'язаної з зазначеними вище білковими комплексами. Зазвичай у еукаріотів весь генетичний матеріал, що входить до складу ядра, поділяється на ряд хромосом.

Організація в прокаріотів

Прокаріот - це організми, яким не вистачає ядра. У цих видах генетичний матеріал високо згорнутий разом з низькомолекулярними лужними білками. Таким чином ДНК ущільнюється і розташовується в центральній області бактерії.

Деякі автори зазвичай називають цій структурі "бактеріальну хромосому", хоча вона не представляє однакових характеристик еукаріотичної хромосоми.

Кількість ДНК

Не всі види організмів містять однакову кількість ДНК. Насправді, ця величина дуже сильно змінюється між видами і не існує взаємозв'язку між кількістю ДНК і складністю організму. Це протиріччя відоме як "парадокс величини".

Логічне міркування полягає в тому, щоб інтуїтивно зрозуміти, що чим складніше організм, тим більше ДНК володіє. Проте це не відповідає дійсності.

Наприклад, геном легеневої риби Protopterus aethiopicus вона має розмір 132 пг (ДНК може бути кількісно визначена в пікограмах = pg), тоді як геном людини важить всього 3,5 пг.

Пам'ятайте, що не всі ДНК організму кодує білки, велика кількість яких пов'язана з регуляторними елементами і різними типами РНК.

Структурні форми ДНК

Модель Уотсона і Кріка, виведена з рентгенівських дифракційних картин, відома як спіраль В-ДНК і є «традиційною» і найбільш відомою моделлю. Однак існують дві інші різні форми, звані ДНК-А і ДНК-Z.

ДНК-А

Варіант "А" повертається вправо, як і ДНК-В, але коротше і ширше. Ця форма з'являється, коли відносна вологість зменшується.

ДНК-А обертається кожні 11 пар основ, головний паз є вужчим і глибшим, ніж В-ДНК. Що стосується незначної борозни, то це більш поверхневе і широке.

ADN-Z

Третім варіантом є Z-ДНК. Це найвужча форма, утворена групою гексануклеотидів, організованих в дуплексних антипаралельних ланцюгах. Однією з найяскравіших ознак цієї форми є те, що вона повертається вліво, а дві інші форми роблять це праворуч.

Z-ДНК з'являється, коли є короткі послідовності чергуються піримідинів і пуринів. Велика борозенка є плоскою, а менша - більш вузькою і глибшою, ніж B-ДНК.

Незважаючи на те, що в фізіологічних умовах молекула ДНК знаходиться в основному у формі B, існування двох описаних варіантів виявляє гнучкість і динамічність генетичного матеріалу..

Функції

Молекула ДНК містить всю інформацію та інструкції, необхідні для побудови організму. Називається повний набір генетичної інформації в організмах геном.

Повідомлення кодується "біологічним алфавітом": чотири основи, згадані раніше, A, T, G і C.

Повідомлення може призводити до утворення різних типів білків або кодування деяких регуляторних елементів. Процес, за допомогою якого ці бази можуть доставити повідомлення, пояснюється нижче:

Реплікація, транскрипція та трансляція

Повідомлення, зашифроване чотирма літерами A, T, G і C, дає в результаті фенотип (не всі послідовності ДНК кодують білки). Щоб досягти цього, ДНК повинна реплікуватися в кожному процесі поділу клітини.

Реплікація ДНК є напівконсервативною: ланцюжок служить шаблоном для формування нової дочірньої молекули. Різні ферменти каталізують реплікацію, включаючи ДНК-примазу, ДНК-геликазу, ДНК-лігазу і топоізомеразу.

Згодом повідомлення - написане мовою базової послідовності - повинно бути передане в проміжну молекулу: РНК (рибонуклеїнова кислота). Цей процес називається транскрипцією.

Для того, щоб відбувалася транскрипція, повинні брати участь різні ферменти, включаючи РНК-полімеразу.

Цей фермент відповідає за копіювання повідомлення ДНК і перетворення його в молекулу РНК-мессенджера. Іншими словами, метою транскрипції є отримання посланника.

Нарешті, повідомлення перекладається на молекули РНК-повідомлень, завдяки рибосомам.

Ці структури беруть несучу РНК і разом з машиною перекладу утворюють зазначений білок.

Генетичний код

Повідомлення читається в "триплетах" або групах з трьох літер, які вказують на амінокислоту - структурні блоки білків. Можна розшифрувати повідомлення про трійні, оскільки генетичний код вже повністю відкритий.

Переклад завжди починається з амінокислоти метіоніну, кодованого триплетом початку: AUG. "U" являє собою основу урацилу і є характерною для РНК і витісняє тимін.

Наприклад, якщо месенджерна РНК має наступну послідовність: AUG CCU CUU UUU UUA, вона переводиться в наступні амінокислоти: метіонін, пролін, лейцин, фенілаланін і фенілаланін. Зауважимо, що можливо, що дві триплети - в даному випадку UUU і UUA - код для однієї і тієї ж амінокислоти: фенілаланін.

Для цього властивості кажуть, що генетичний код вироджується, оскільки амінокислота кодується більш ніж однією послідовністю триплетів, за винятком амінокислоти метіоніну, що диктує початок трансляції..

Процес зупиняється з конкретними термінаціями припинення або зупинки: UAA, UAG і UGA. Вони відомі під назвами охри, бурштину і опалу відповідно. Коли рибосома виявляє їх, вони більше не можуть додавати до ланцюга більше амінокислот.

Хімічні та фізичні властивості

Нуклеїнові кислоти мають кислий характер і розчинні у воді (гідрофільні). Можливе утворення водневих зв'язків між фосфатними групами та гідроксильними групами пентоз з водою. Він заряджений негативно при фізіологічному рН.

Розчини ДНК є високовязкими, завдяки здатності до опору деформації подвійної спіралі, яка є дуже жорсткою. В'язкість зменшується, якщо нуклеїнова кислота є одноланцюговою.

Це високостабільні молекули. Логічно, ця особливість повинна бути незамінною в структурах, які несуть генетичну інформацію. Порівняно з РНК, ДНК є набагато більш стабільною, тому що вона не має гідроксильної групи.

ДНК може бути денатурована теплом, тобто нитки відокремлюються, коли молекула піддається впливу високих температур.

Кількість тепла, яке необхідно застосувати, залежить від відсотка G-C молекули, оскільки ці основи з'єднані трьома водневими зв'язками, збільшуючи стійкість до поділу.

Що стосується поглинання світла, то вони мають пік при 260 нанометрах, який збільшується, якщо нуклеїнова кислота є одноланцюговою, оскільки вони піддають кільцям нуклеотидів і вони відповідають за поглинання..

Еволюція

За словами Ласкано et al. 1988 ДНК виникає на етапах переходу від РНК, будучи одним з найважливіших подій в історії життя.

Автори пропонують три стадії: перший період, коли існували молекули, подібні нуклеїновим кислотам, пізніше були сформовані геноми РНК, а в останній стадії з'явилися дводіапазонні геноми ДНК..

Деякі докази підтверджують теорію первинного світу на основі РНК. По-перше, синтез білка може відбуватися за відсутності ДНК, але не при відсутності РНК. Крім того, були виявлені молекули РНК з каталітичними властивостями.

Що стосується синтезу дезоксирибонуклеотиду (присутнього в ДНК), то вони завжди походять від редукції рибонуклеотидів (присутні в РНК).

Еволюційна інновація молекули ДНК повинна була вимагати присутності ферментів, які синтезують попередники ДНК і беруть участь у ретротранскрипції РНК..

Вивчаючи поточні ферменти, можна зробити висновок, що ці білки еволюціонували кілька разів і що перехід від РНК до ДНК є більш складним, ніж вважалося раніше, включаючи процеси перенесення генів і втрат і неортологічні заміни..

Секвенування ДНК

Секвенування ДНК полягає в з'ясуванні послідовності ланцюга ДНК в термінах чотирьох основ, які складають її.

Знання цієї послідовності має велике значення в біологічних науках. Він може бути використаний для розрізнення двох морфологічно дуже схожих видів, для виявлення захворювань, патологій або паразитів і навіть наявність судово-медичної придатності..

Послідовність Sanger була розроблена в 1900-х роках і є традиційною методикою для уточнення послідовності. Незважаючи на свій вік, він є правильним методом, широко використовуваним дослідниками.

Метод Сангера

Метод використовує ДНК-полімеразу, високонадійний фермент, який реплікує ДНК в клітинах, синтезуючи нову ланцюг ДНК, використовуючи інший попередньо існуючий посібник. Фермент вимагає a спочатку або праймер для початку синтезу. Праймер являє собою невелику молекулу ДНК, комплементарну молекулі, яку потрібно послідовно.

У реакції додають нуклеотиди, які будуть включені в нову ланцюг ДНК ферментом.

Крім "традиційних" нуклеотидів, спосіб включає серію дидезоксинуклеотидов для кожної з підстав. Вони відрізняються від стандартних нуклеотидів двома характеристиками: структурно вони не дозволяють ДНК-полімеразі додавати більше нуклеотидів до дочірнього ланцюга і мати різний флуоресцентний маркер для кожної бази..

В результаті виходять різні молекули ДНК різної довжини, оскільки дидезоксинуклеотиди були випадковим чином включені і зупинили процес реплікації на різних стадіях..

Ця різноманітність молекул може бути розділена за їх довжиною і ідентичність нуклеотидів зчитується через випромінювання світла від флуоресцентної мітки..

Секвенування нового покоління

Методи секвенування, розроблені в останні роки, дозволяють проводити масовий аналіз мільйонів зразків одночасно.

Серед найбільш видатних методів є піросеквенція, секвенування шляхом синтезу, секвенування шляхом лігування і секвенування наступного покоління іоном Torrent..

Список літератури

  1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., et al. (2002). Молекулярна біологія клітини. 4-е видання. Нью-Йорк: Гарландська наука. Структура і функція ДНК. Доступно за адресою: ncbi.nlm.nih.gov/
  2. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., et al. (2002). Молекулярна біологія клітини. 4-е видання. Нью-Йорк: Гарландська наука. Хромосомна ДНК та її упаковка в волокнах хроматину. Доступно за адресою: ncbi.nlm.nih.gov
  3. Berg, J.M., Tymoczko, J.L., Stryer, L. (2002). Біохімія 5-е видання. Нью-Йорк: W H Фрімен. Розділ 27.1, ДНК може припустити різноманітність структурних форм. Доступно за адресою: ncbi.nlm.nih.gov
  4. Fierro, A. (2001). Коротка історія відкриття структури ДНК. Rev Med Clinic Las Condes, 20, 71-75.
  5. Forterre, P., Filée, J. & Myllykallio, H. (2000-2013) Походження та еволюція механізмів реплікації ДНК і ДНК. У: База даних Мадам Кюрі Bioscience [Інтернет] Остін (Техас): Landes Bioscience. Доступно за адресою: ncbi.nlm.nih.gov
  6. Lazcano, A., Guerrero, R., Margulis, L., & Oro, J. (1988). Еволюційний перехід від РНК до ДНК в ранніх клітинах. Журнал молекулярної еволюції, 27(4), 283-290.
  7. Lodish, H., Berk, A., Zipursky, S.L., et al. (2000). Молекулярна клітинна біологія. 4-е видання. Нью-Йорк: У. Г. Фрімен. Розділ 9.5, Організація клітинної ДНК в хромосомах. Доступно за адресою: ncbi.nlm.nih.gov/books
  8. Voet, D., Voet, J.G., & Pratt, C.W. (1999). Основи біохімії. Новий Йорк: Джон Віллі і Сини.