История ДНК, функции, структура, компоненты



ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) - это биомолекула, которая содержит всю информацию, необходимую для выработки организма и поддержания его функционирования. Он состоит из звеньев, называемых нуклеотидами, которые образуются в виде фосфатной группы, молекулы сахара из пяти атомов углерода и азотистого основания..

Есть четыре азотистых основания: аденин (A), цитозин (C), гуанин (G) и тимин (T). Аденин всегда сочетается с тимином, а гуанин с цитозином. Сообщение, содержащееся в цепи ДНК, трансформируется в РНК-мессенджер, и это участвует в синтезе белков..

ДНК представляет собой чрезвычайно стабильную молекулу, отрицательно заряженную при физиологическом рН, которая связана с положительными белками (гистонами) для эффективного уплотнения в ядре эукариотических клеток. Длинная цепь ДНК вместе с различными ассоциированными белками образует хромосому.

индекс

  • 1 История
  • 2 компонента
  • 3 Структура
    • 3.1 Закон Чаргаффа
    • 3.2 Модель двойной спирали
  • 4 Организация
    • 4.1 Гистоны
    • 4.2 Нуклеосомы и 30 нм волокна
    • 4.3 Хромосомы
    • 4.4 Организация в прокариотах
    • 4.5 Количество ДНК
  • 5 Структурные формы ДНК
    • 5.1 ДНК-А
    • 5.2 ADN-Z
  • 6 функций
    • 6.1 Репликация, транскрипция и перевод
    • 6.2 Генетический код
  • 7 Химические и физические свойства
  • 8 Эволюция
  • 9 секвенирование ДНК
    • 9.1 Метод Сангера
  • 10 Секвенирование нового поколения
  • 11 ссылок

история

В 1953 году американцу Джеймсу Уотсону и британцу Фрэнсису Крику удалось выяснить трехмерную структуру ДНК благодаря работе по кристаллографии, выполненной Розалинд Франклин и Морисом Уилкинсом. Они также основали свои выводы на работах других авторов.

Воздействие ДНК на рентгеновские лучи формирует дифракционную картину, которую можно использовать для определения структуры молекулы: спираль из двух антипараллельных цепочек, которые поворачиваются вправо, где обе цепочки связаны водородными связями между основаниями , Полученная схема была следующей:

Структура может быть принята по законам дифракции Брэгга: когда объект находится в середине пучка рентгеновских лучей, он отражается, так как электроны объекта взаимодействуют с лучом.

25 апреля 1953 года результаты Уотсона и Крика были опубликованы в престижном журнале природа, в двухстраничной статье под названием "Молекулярная структура нуклеиновых кислот«Это полностью революционизирует область биологии.

Благодаря этому открытию исследователи получили Нобелевскую премию по медицине в 1962 году, за исключением Франклина, который умер до родов. В настоящее время это открытие является одним из великих показателей успеха научного метода для приобретения новых знаний..

компоненты

Молекула ДНК состоит из нуклеотидов, единиц, образованных сахаром из пяти атомов углерода, присоединенным к фосфатной группе, и азотистым основанием. Тип сахара, обнаруженный в ДНК, относится к типу дезоксирибозы и, следовательно, его название дезоксирибонуклеиновая кислота..

Чтобы образовать цепь, нуклеотиды ковалентно связаны фосфодиэфирной связью посредством 3'-гидроксильной группы (-ОН) из одного сахара и 5'-фосфафо из следующего нуклеотида..

Не путайте нуклеотиды с нуклеозидами. Последнее относится к той части нуклеотида, которая образована только пентозой (сахаром) и азотистым основанием.

ДНК состоит из четырех типов азотистых оснований: аденин (A), цитозин (C), гуанин (G) и тимин (T).

Азотистые основания подразделяются на две категории: пурины и пиримидины. Первая группа состоит из кольца из пяти атомов, соединенного с другим кольцом из шести, в то время как пиримидины состоят из одного кольца.

Из упомянутых оснований аденин и гуанин являются производными пуринов. Напротив, группа пиримидинов принадлежит тимину, цитозину и урацилу (присутствует в молекуле РНК).

структура

Молекула ДНК состоит из двух нуклеотидных цепей. Эта «цепь» известна как цепь ДНК.

Две цепи соединены водородными связями между комплементарными основаниями. Азотистые основания ковалентно связаны со скелетом сахаров и фосфатов.

Каждый нуклеотид, расположенный в одной цепи, может быть связан с другим специфическим нуклеотидом другой цепи, чтобы образовать известную двойную спираль. Чтобы сформировать эффективную структуру, A всегда соединяется с T посредством двух водородных мостиков, а G с C - тремя мостиками..

Закон Чаргаффа

Если мы изучим пропорции азотистых оснований в ДНК, мы обнаружим, что количество A идентично количеству T и одинаково с G и C. Этот паттерн известен как закон Чаргаффа..

Такое спаривание энергетически выгодно, так как позволяет сохранить одинаковую ширину вдоль структуры, сохраняя одинаковое расстояние вдоль молекулы сахарофосфатного скелета. Обратите внимание, что основание кольца связано с одним из кольца.

Модель двойной спирали

Предполагается, что двойная спираль состоит из 10,4 нуклеотидов за оборот, разделенных межцентровым расстоянием 3,4 нанометра. Процесс прокатки приводит к образованию канавок в конструкции, позволяя наблюдать большую и меньшую канавку.

Канавки возникают из-за того, что гликозидные связи в парах оснований не противоположны друг другу в отношении их диаметра. В малой бороздке находится пиримидин О-2 и пурин N-3, а основная бороздка расположена в противоположной области.

Если мы используем аналогию с лестницей, ступеньки состоят из пар оснований, дополняющих друг друга, а каркас соответствует двум направляющим.

Концы молекулы ДНК не совпадают, поэтому мы говорим о «полярности». Один из его концов, 3 ', несет группу -ОН, тогда как 5' конец имеет свободную фосфатную группу.

Две нити расположены антипараллельно, что означает, что они расположены напротив своей полярности, следующим образом:

Кроме того, последовательность одного из потоков должна быть комплементарной его партнеру, если в ней найдена позиция A, в антипараллельном потоке должен быть T.

организация

В каждой клетке человека есть приблизительно два метра ДНК, которые должны быть эффективно упакованы.

Нить должна быть уплотнена так, чтобы она могла содержаться в микроскопическом ядре диаметром 6 мкм, которое занимает только 10% объема клетки. Это возможно благодаря следующим уровням уплотнения:

гистоны

У эукариот есть белки, называемые гистонами, которые способны связываться с молекулой ДНК, являясь первым уровнем уплотнения цепи. Гистоны имеют положительные заряды, чтобы иметь возможность взаимодействовать с отрицательными зарядами ДНК, вносимыми фосфатами..

Гистоны являются такими важными белками для эукариотических организмов, которые были практически неизменными в ходе эволюции, помня, что низкий уровень мутаций указывает на сильное селективное давление на эту молекулу. Дефект в гистонах может привести к дефектному уплотнению ДНК.

Гистоны могут быть модифицированы биохимически, и этот процесс изменяет уровень уплотнения генетического материала.

Когда гистоны «гипоацетилированы», хроматин более конденсирован, так как ацетилированные формы нейтрализуют положительные заряды лизинов (положительно заряженные аминокислоты) в белке.

Нуклеосомы и 30 нм волокна

Нить ДНК сворачивается в гистоны и образует структуры, которые напоминают бусинки жемчужного ожерелья, называемые нуклеосомами. В основе этой структуры лежат две копии гистонов каждого типа: H2A, H2B, H3 и H4. Объединение разных гистонов называется "гистоновым октамером".

Октамер окружен 146 парами оснований, что дает менее двух витков. Диплоидная клетка человека содержит приблизительно 6,4 х 109 нуклеотиды, которые организованы в 30 миллионов нуклеосом.

Организация в нуклеосомах позволяет компактировать ДНК более чем на треть ее первоначальной длины.

В процессе извлечения генетического материала в физиологических условиях наблюдается, что нуклеосомы расположены в волокне 30 нанометров.

хромосомы

Хромосомы являются функциональной единицей наследования, функция которой заключается в том, чтобы нести гены индивида. Ген - это сегмент ДНК, который содержит информацию для синтеза белка (или серии белков). Однако есть также гены, которые кодируют регуляторные элементы, такие как РНК.

Все клетки человека (за исключением гамет и эритроцитов крови) имеют две копии каждой хромосомы, одна унаследована от отца, а другая от матери..

Хромосомы представляют собой структуры, состоящие из длинной линейной части ДНК, связанной с белковыми комплексами, упомянутыми выше. Обычно у эукариот весь генетический материал, включенный в ядро, делится на ряд хромосом..

Организация в прокариотах

Прокариоты - это организмы, в которых отсутствует ядро. У этих видов генетический материал тесно связан с щелочными белками с низким молекулярным весом. Таким образом, ДНК уплотняется и располагается в центральной области бактерии..

Некоторые авторы обычно называют эту структуру "бактериальной хромосомой", хотя она не обладает такими же характеристиками эукариотической хромосомы..

Количество ДНК

Не все виды организмов содержат одинаковое количество ДНК. На самом деле, это значение сильно варьируется между видами, и нет никакого отношения между количеством ДНК и сложностью организма. Это противоречие известно как «парадокс значения С».

Логическим рассуждением будет интуитивное понимание того, что чем сложнее организм, тем больше в нем ДНК. Однако это не так в природе.

Например, геном легких Protopterus aethiopicus он имеет размер 132 пг (ДНК может быть определена количественно в пикограммах = пг), в то время как человеческий геном весит всего 3,5 пг.

Помните, что не вся ДНК организма кодирует белки, большое их количество связано с регуляторными элементами и различными типами РНК..

Структурные формы ДНК

Модель Уотсона и Крика, выведенная из рентгенограмм, известна как спираль B-ДНК и является «традиционной» и самой известной моделью. Тем не менее, есть две другие разные формы, называемые ДНК-А и ДНК-Z.

ДНК-А

Вариант «А» вращается вправо, как и ДНК-В, но он короче и шире. Эта форма появляется при уменьшении относительной влажности.

ДНК-А вращается каждые 11 пар оснований, основная бороздка уже и глубже, чем В-ДНК. Что касается малой бороздки, то это более поверхностно и широко.

Z-ДНК

Третий вариант - это Z-DNA. Это самая узкая форма, образованная группой гексануклеотидов, организованных в виде дуплекса антипараллельных цепей. Одна из самых ярких особенностей этой формы - то, что она поворачивает налево, в то время как две другие формы делают это направо.

Z-ДНК появляется, когда есть короткие последовательности чередующихся пиримидинов и пуринов. Большая канавка плоская, а более узкая и глубокая по сравнению с B-ДНК.

Хотя в физиологических условиях молекула ДНК в основном находится в форме B, наличие двух описанных вариантов демонстрирует гибкость и динамизм генетического материала..

функции

Молекула ДНК содержит всю информацию и инструкции, необходимые для построения организма. Полный набор генетической информации в организмах называется геном.

Сообщение кодируется «биологическим алфавитом»: четыре основания, упомянутые ранее, A, T, G и C.

Сообщение может привести к образованию различных типов белков или кодированию какого-либо регуляторного элемента. Процесс, с помощью которого эти базы могут доставлять сообщения, поясняется ниже:

Репликация, транскрипция и перевод

Сообщение, зашифрованное четырьмя буквами A, T, G и C, дает в результате фенотип (не все последовательности ДНК кодируют белки). Чтобы достичь этого, ДНК должна размножаться в каждом процессе деления клетки..

Репликация ДНК является полуконсервативной: цепь служит шаблоном для образования новой дочерней молекулы. Различные ферменты катализируют репликацию, в том числе ДНК-примаза, ДНК-геликаза, ДНК-лигаза и топоизомераза.

Впоследствии сообщение, написанное на языке базовой последовательности, должно быть передано промежуточной молекуле: РНК (рибонуклеиновая кислота). Этот процесс называется транскрипцией.

Чтобы происходила транскрипция, должны участвовать разные ферменты, включая РНК-полимеразу.

Этот фермент отвечает за копирование сообщения ДНК и превращение его в молекулу мессенджера РНК. Другими словами, целью транскрипции является получение мессенджера..

Наконец, сообщение переводится в молекулы РНК посланника, благодаря рибосомам.

Эти структуры принимают РНК-мессенджер и вместе с механизмом трансляции образуют указанный белок.

Генетический код

Сообщение читается в виде «тройки» или группы из трех букв, которые указывают на аминокислоту - структурные блоки белков. Возможно расшифровать сообщение триплетов, так как генетический код уже полностью раскрыт.

Перевод всегда начинается с аминокислоты метионина, которая кодируется стартовым триплетом: AUG. U обозначает основание урацила и характерно для РНК и вытесняет тимин.

Например, если РНК-мессенджер имеет следующую последовательность: AUG CCU CUU UUU UUA, она транслируется в следующие аминокислоты: метионин, пролин, лейцин, фенилаланин и фенилаланин. Обратите внимание, что возможно, что две тройки - в данном случае UUU и UUA - кодируют одну и ту же аминокислоту: фенилаланин.

В отношении этого свойства говорят, что генетический код является вырожденным, поскольку аминокислота кодируется более чем одной последовательностью триплетов, за исключением аминокислоты метионина, которая определяет начало трансляции..

Процесс останавливается с определенными триплетами завершения или остановки: UAA, UAG и UGA. Они известны под названиями охра, янтарь и опал соответственно. Когда рибосома обнаруживает их, они больше не могут добавлять больше аминокислот в цепь.

Химические и физические свойства

Нуклеиновые кислоты имеют кислую природу и растворимы в воде (гидрофильные). Может возникнуть образование водородных связей между фосфатными группами и гидроксильными группами пентоз с водой. Это отрицательно заряжено при физиологическом pH.

Растворы ДНК очень вязкие, благодаря способности противостоять деформации двойной спирали, которая очень жесткая. Вязкость уменьшается, если нуклеиновая кислота является одноцепочечной.

Это высокостабильные молекулы. По логике, эта функция должна быть незаменимой в структурах, которые несут генетическую информацию. По сравнению с РНК, ДНК гораздо более стабильна, потому что в ней отсутствует гидроксильная группа..

ДНК может быть денатурирована под воздействием тепла, то есть нити разделяются, когда молекула подвергается воздействию высоких температур.

Количество тепла, которое должно быть приложено, зависит от процентного содержания G-C в молекуле, потому что эти основания соединены тремя водородными связями, увеличивая сопротивление разделению.

Что касается поглощения света, у них есть пик при 260 нм, который увеличивается, если нуклеиновая кислота является одноцепочечной, поскольку они выставляют кольца нуклеотидов, и они ответственны за поглощение..

эволюция

По словам Ласкано и другие. 1988 ДНК возникает на этапах перехода от РНК, являясь одним из важнейших событий в истории жизни.

Авторы предлагают три этапа: первый период, когда существовали молекулы, подобные нуклеиновым кислотам, затем геномы были сформированы из РНК и, как последний этап, появились двухзонные геномы ДНК..

Некоторые данные подтверждают теорию первичного мира, основанную на РНК. Во-первых, синтез белка может происходить в отсутствие ДНК, но не при отсутствии РНК. Кроме того, были обнаружены молекулы РНК с каталитическими свойствами..

Что касается синтеза дезоксирибонуклеотидов (присутствующих в ДНК), они всегда происходят от восстановления рибонуклеотидов (присутствующих в РНК)..

Эволюционное новшество молекулы ДНК должно было требовать присутствия ферментов, которые синтезируют предшественники ДНК и участвуют в ретротранскрипции РНК..

Изучая современные ферменты, можно сделать вывод, что эти белки эволюционировали несколько раз и что переход от РНК к ДНК является более сложным, чем считалось ранее, включая процессы переноса и потери генов и неортологичные замены..

Секвенирование ДНК

Секвенирование ДНК заключается в выяснении последовательности цепи ДНК в терминах четырех оснований, которые ее составляют..

Знание этой последовательности имеет большое значение в биологических науках. Он может использоваться для различения двух морфологически очень похожих видов, для выявления заболеваний, патологий или паразитов и даже для применения в криминалистике.

Секвенирование Sanger было разработано в 1900-х годах и является традиционной техникой для уточнения последовательности. Несмотря на возраст, этот метод широко используется исследователями..

Метод Сэнгера

Метод использует ДНК-полимеразу, высоконадежный фермент, который реплицирует ДНК в клетках, синтезируя новую цепь ДНК, используя другое уже существующее руководство. Фермент требует первый или праймер, чтобы начать синтез. Праймер представляет собой небольшую молекулу ДНК, комплементарную молекуле, которую вы хотите упорядочить.

В реакции добавляются нуклеотиды, которые будут включены в новую цепь ДНК ферментом.

Помимо «традиционных» нуклеотидов, способ включает серию дидезоксинуклеотидов для каждого из оснований. Они отличаются от стандартных нуклеотидов двумя характеристиками: структурно они не позволяют ДНК-полимеразе добавлять больше нуклеотидов в дочернюю цепь и имеют разные флуоресцентные маркеры для каждого основания.

В результате образуются различные молекулы ДНК разной длины, поскольку дидезоксинуклеотиды были случайно включены и остановили процесс репликации на разных стадиях..

Это разнообразие молекул может быть разделено в соответствии с их длиной, и идентичность нуклеотидов считывается посредством излучения света от флуоресцентной метки..

Секвенирование нового поколения

Методы секвенирования, разработанные в последние годы, позволяют проводить массивный анализ миллионов образцов одновременно.

Среди наиболее выдающихся методов - пиросеквенирование, секвенирование с помощью синтеза, секвенирование с помощью лигирования и секвенирование следующего поколения с помощью Ion Torrent..

ссылки

  1. Альбертс Б., Джонсон А., Льюис Дж. И др. (2002). Молекулярная биология клетки. 4-е издание. Нью-Йорк: Гарленд Наука. Структура и функции ДНК. Доступно по адресу: ncbi.nlm.nih.gov/
  2. Альбертс Б., Джонсон А., Льюис Дж. И др. (2002). Молекулярная биология клетки. 4-е издание. Нью-Йорк: Гарленд Наука. Хромосомная ДНК и ее упаковка в хроматиновом волокне. Доступно по адресу: ncbi.nlm.nih.gov
  3. Berg, J.M., Tymoczko, J.L., Stryer L. (2002). Биохимия. 5-е издание. Нью-Йорк: Ш Фриман. Раздел 27.1, ДНК может предполагать разнообразие структурных форм. Доступно по адресу: ncbi.nlm.nih.gov
  4. Fierro, A. (2001). Краткая история открытия структуры ДНК. Рев Мед Клиника Лас Кондес, 20, 71-75.
  5. Фортер, П., Филе, Дж. И Мюлликаллио, Х. (2000-2013) Происхождение и эволюция ДНК и механизмов репликации ДНК. в: База данных мадам Кюри [Интернет]. Остин (Техас): Landes Bioscience. Доступно по адресу: ncbi.nlm.nih.gov
  6. Ласкано А., Герреро Р., Маргулис Л. и Оро Дж. (1988). Эволюционный переход от РНК к ДНК в ранних клетках. Журнал молекулярной эволюции, 27(4), 283-290.
  7. Lodish H., Berk A., Zipursky S.L. и соавт. (2000). Молекулярно-клеточная биология. 4-е издание. Нью-Йорк: У. Х. Фриман. Раздел 9.5, Организация клеточной ДНК в хромосомы. Доступно по адресу: ncbi.nlm.nih.gov/books
  8. Voet, D., Voet, J.G. & Pratt, C.W. (1999). Основы биохимии. новый Йорк: Джон Уилли и сыновья.