DNS vēsture, funkcijas, struktūra, komponenti



The DNS (dezoksiribonukleīnskābe) ir biomolekula, kas satur visu nepieciešamo informāciju, lai radītu organismu un uzturētu tā darbību. Tas sastāv no vienībām, ko sauc par nukleotīdiem, kas veidojas pēc fosfātu grupas, cukura molekulas ar piecām oglekļa atomu un slāpekļa bāzi..

Ir četras slāpekļa bāzes: adenīns (A), citozīns (C), guanīns (G) un timīns (T). Adenīns vienmēr savienojas ar timīnu un guanīnu ar citozīnu. DNS virknes saturošais ziņojums tiek pārveidots par ziņotāja RNS un tas piedalās proteīnu sintēzes procesā.

DNS ir ārkārtīgi stabila molekula, kas ir negatīvi uzlādēta fizioloģiskā pH, kas ir saistīta ar pozitīviem proteīniem (histoniem), lai efektīvi kompaktu eukariotisko šūnu kodolā. Ilgstoša DNS virkne kopā ar dažādām saistītām olbaltumvielām veido hromosomu.

Indekss

  • 1 Vēsture
  • 2 Komponenti
  • 3 Struktūra
    • 3.1. Likuma likums
    • 3.2. Dubultā spirāles modelis
  • 4 Organizācija
    • 4.1. Histoni
    • 4.2. Nukleozomi un 30 nm šķiedra
    • 4.3. Hromosomas
    • 4.4. Prokariotu organizācija
    • 4.5 DNS daudzums
  • 5 DNS strukturālās formas
    • 5.1 DNS-A
    • 5.2. ADN-Z
  • 6 Funkcijas
    • 6.1. Replikācija, transkripcija un tulkošana
    • 6.2 Ģenētiskais kods
  • 7 Ķīmiskās un fizikālās īpašības
  • 8 Evolūcija
  • 9 DNS sekvencēšana
    • 9.1 Sanger metode
  • 10 Jaunas paaudzes secība
  • 11 Atsauces

Vēsture

1953. gadā amerikāņu Džeimss Vatsons un britu Francis Kriks spēja izskaidrot DNS trīsdimensiju struktūru, pateicoties darbam kristalogrāfijā, ko veica Rosalind Franklin un Maurice Wilkins. Viņi arī balstīja savus secinājumus uz citu autoru darbiem.

DNS eksponēšana rentgena stariem veido difrakcijas modeli, ko var izmantot, lai secinātu molekulas struktūru: divu antiparalēļu ķēžu spirāle, kas pagriezās pa labi, kur abas ķēdes ir savienotas ar ūdeņraža saitēm starp pamatnēm . Iegūtais modelis bija šāds:

Struktūru var pieņemt, ievērojot Bragg difrakcijas likumus: kad objekts ir novietots rentgena staru kūļa vidū, tas tiek atspoguļots, jo objekta elektroni mijiedarbojas ar staru.

1953. gada 25. aprīlī prestižajā žurnālā tika publicēti Watson un Crick rezultāti Daba, divu lapu rakstā ar nosaukumu "Nukleīnskābju molekulārā struktūra"Tas pilnīgi revolucionētu bioloģijas jomu.

Pateicoties šim atklājumam, pētnieki saņēma Nobela prēmiju medicīnā 1962. gadā, izņemot Franklinu, kurš nomira pirms piegādes. Šobrīd šis atklājums ir viens no lielākajiem zinātniskās metodes panākumu ieguvējiem, lai iegūtu jaunas zināšanas.

Sastāvdaļas

DNS molekula sastāv no nukleotīdiem, vienībām, ko veido piecu ogļūdeņražu cukurs, kas piestiprināts pie fosfātu grupas un slāpekļa bāzes. Cukura veids, kas atrodams DNS, ir deoksiribozes veids un līdz ar to tā nosaukums, dezoksiribonukleīnskābe.

Lai izveidotu ķēdi, nukleotīdi ar fosfodiestera saiti kovalenti ir saistīti ar 3'-hidroksilgrupu (-OH) no viena cukura un 5'-fosfora no nākamā nukleotīda.

Nesajauciet nukleotīdus ar nukleozīdiem. Pēdējais attiecas uz nukleotīda daļu, ko veido tikai pentoze (cukurs) un slāpekļa bāze.

DNS sastāv no četriem slāpekļa bāzes veidiem: adenīns (A), citozīns (C), guanīns (G) un timīns (T).

Slāpekļa bāzes tiek iedalītas divās kategorijās: purīni un pirimidīni. Pirmā grupa sastāv no piecu atomu gredzena, kas savienots ar citu sešu gredzenu, savukārt pirimidīni sastāv no viena gredzena.

No minētajām bāzēm adenīns un guanīns ir purīnu atvasinājumi. Turpretim pirimidīnu grupa pieder pie timīna, citozīna un uracila (kas atrodas RNS molekulā)..

Struktūra

DNS molekula sastāv no divām nukleotīdu ķēdēm. Šī "ķēde" ir pazīstama kā DNS daļa.

Abas virzieni ir savienoti ar ūdeņraža saitēm starp papildu bāzēm. Slāpekļa bāzes ir kovalenti saistītas ar cukuru un fosfātu skeletu.

Katru nukleotīdu, kas atrodas vienā virknē, var savienot ar citu specifisku otrās daļas nukleotīdu, lai izveidotu zināmu dubultā spirāle. Lai izveidotu efektīvu struktūru, A vienmēr savienojas ar T ar diviem ūdeņraža tiltiem un G ar C ar trim tiltiem.

Chargaff likums

Ja mēs pētām slāpekļa bāzu proporcijas DNS, mēs atklāsim, ka A daudzums ir identisks T daudzumam un tas pats ar G un C. Šis modelis ir pazīstams kā Chargaff likums.

Šis savienojums ir enerģiski labvēlīgs, jo tas ļauj saglabāt līdzīgu platumu pa struktūru, saglabājot līdzīgu attālumu pa cukura-fosfāta skeleta molekulu. Ņemiet vērā, ka gredzena pamatne ir savienota ar vienu no gredzeniem.

Dubultā spirāles modelis

Tiek ierosināts, ka dubultā spirāle sastāv no 10,4 nukleotīdiem vienā kārtā, atdalot ar attālumu starp centru līdz centram 3,4 nanometri. Velmēšanas process rada konstrukcijas rievu veidošanos, spējot novērot lielu un nelielu rievu.

Gropes rodas tāpēc, ka glikozīdu saites bāzes pāros nav pretēji viena otrai, salīdzinot ar to diametru. Nelielajā gropē ir pirimidīns O-2 un purīns N-3, bet galvenais grope atrodas pretējā reģionā.

Ja mēs izmantojam kāpņu analoģiju, tad kāpnes sastāv no viena otru papildinošiem pamatu pāriem, bet skelets atbilst diviem saķeres sliedēm.

DNS molekulas gali nav vienādi, tāpēc mēs runājam par "polaritāti". Viens no tā galiem, 3 ', satur -OH grupu, savukārt 5' galam ir brīva fosfātu grupa.

Abas virzieni atrodas pretparalēli, kas nozīmē, ka tie atrodas pretstatā to polaritātei:

Turklāt viena no pavedieniem ir jāpapildina ar savu partneri, ja tā ir A pozīcija, pretparalēlas vītnē ir jābūt T.

Organizācija

Katrā cilvēka šūnā ir aptuveni divi metri DNS, kas ir jāiesaiņo efektīvi.

Vītnei jābūt saspiestai tā, lai to varētu ievietot mikroskopiskā kodolā 6 μm diametrā, kas aizņem tikai 10% no šūnu tilpuma. Tas ir iespējams, pateicoties šādiem blīvuma līmeņiem:

Histoni

Eukariotos ir proteīni, ko sauc par histoniem, kuriem ir spēja piesaistīties DNS molekulai, kas ir pirmā šķiedras sablīvēšanās pakāpe. Histoniem ir pozitīvi lādiņi, lai varētu mijiedarboties ar DNS negatīvajiem lādiņiem, ko veicina fosfāti.

Histoni ir tādas svarīgas olbaltumvielas eukariotiskiem organismiem, kas evolūcijas gaitā ir bijuši praktiski nemainīgi - atceroties, ka zems mutāciju līmenis liecina, ka selektīvais spiediens uz šo molekulu ir spēcīgs. Histonu defekts var izraisīt DNS bojājumu trūkumu.

Histonus var modificēt bioķīmiski, un šis process maina ģenētiskā materiāla blīvuma līmeni.

Kad histoni ir "hipoacetilēti", hromatīns ir vairāk kondensēts, jo acetilētās formas neitralizē lizīnu (pozitīvi uzlādēto aminoskābju) pozitīvos lādiņus proteīnā..

Nukleozomi un 30 nm šķiedra

DNS virkne tiek izvilkta histonos un veidojas struktūras, kas līdzinās pērļu kaklarotas pērlēm, ko sauc par nukleozomām. Šīs struktūras pamatā ir divi katra histona tipa eksemplāri: H2A, H2B, H3 un H4. Dažādu histonu savienojumu sauc par "histona okameru"..

Oktameru ieskauj 146 bāzu pāri, dodot mazāk par diviem apgriezieniem. Cilvēka diploīdā šūna satur aptuveni 6,4 x 109 nukleotīdi, kas ir sakārtoti 30 miljoni nukleozomu.

Nukleozomu organizācija ļauj saspiest DNS vairāk nekā trešdaļā tās sākotnējā garuma.

Ģenētiskā materiāla ekstrakcijas procesā fizioloģiskos apstākļos tiek novērots, ka nukleozomi ir sakārtoti 30 nanometru šķiedrā..

Hromosomas

Hromosomas ir mantojuma funkcionālā vienība, kuras funkcija ir pārvadāt indivīda gēnus. Gēns ir DNS daļa, kas satur informāciju, lai sintezētu proteīnu (vai proteīnu sēriju). Tomēr ir arī gēni, kas kodē regulējošos elementus, piemēram, RNS.

Visām cilvēka šūnām (izņemot gametas un asins eritrocītus) ir divas katras hromosomas kopijas, no kurām viena ir mantota no tēva un otra no mātes..

Hromosomas ir struktūras, kas sastāv no garas lineārās DNS daļas, kas saistītas ar iepriekš minētajiem proteīnu kompleksiem. Parasti eukariotu gadījumā viss kodolā iekļautais ģenētiskais materiāls ir sadalīts virknē hromosomu.

Organizācija prokariotos

Prokarioti ir organismi, kuriem nav kodola. Šajās sugās ģenētiskais materiāls ir ļoti sajaukts kopā ar zemas molekulmasas sārmainā olbaltumvielām. Šādā veidā DNS ir saspiesta un atrodas baktērijas centrālajā reģionā.

Daži autori parasti apzīmē šo struktūru "baktēriju hromosoma", lai gan tajā nav tādas pašas eukariotiskās hromosomas pazīmes..

DNS daudzums

Ne visas organismu sugas satur tādu pašu DNS daudzumu. Faktiski šī vērtība dažādās sugās ir ļoti mainīga, un nav nekādas sakarības starp DNS daudzumu un organisma sarežģītību. Šī pretruna ir pazīstama kā "C vērtība paradokss".

Loģisks pamatojums būtu intuitēt, ka jo sarežģītāks ir organisms, jo vairāk DNS tam ir. Tomēr tas nav taisnība.

Piemēram, lungfish genoms Protopterus aethiopicus tā izmērs ir 132 pg (DNS var kvantificēt pikogramos = pg), kamēr cilvēka genoms sver tikai 3,5 pg.

Atcerieties, ka ne visi organisma DNS kodē proteīnus, liela daļa no tā ir saistīta ar regulējošiem elementiem un dažāda veida RNS.

DNS strukturālās formas

Watson un Crick modelis, kas izriet no rentgenstaru difrakcijas modeļiem, ir pazīstams kā B-DNS spirāle, un tas ir "tradicionālais" un vislabāk zināms modelis. Tomēr ir divas citas dažādas formas, ko sauc par DNS-A un DNS-Z.

DNS-A

"A" variants pagriežas pa labi, tāpat kā DNS-B, bet ir īsāks un plašāks. Šī veidlapa parādās, kad samazinās relatīvais mitrums.

DNS-A rotē ik pēc 11 bāzes pāriem, galvenā grope ir šaurāka un dziļāka nekā B-DNS. Attiecībā uz nelielu rievu tas ir virspusējs un plašāks.

ADN-Z

Trešais variants ir Z-DNS. Tā ir šaurākā forma, ko veido heksanukleotīdu grupa, kas organizēta antiparalēlo ķēžu dupleksā. Viena no šīs formas spilgtākajām iezīmēm ir tā, ka tā pagriežas pa kreisi, bet pārējās divas formas to dara pa labi.

Z-DNS parādās, kad ir īsas pārmaiņas pirimidīnu un purīnu sekvences. Lielākā grope ir plakana un mazāka ir šaurāka un dziļāka, salīdzinot ar B-DNS.

Lai gan fizioloģiskos apstākļos DNS molekula lielākoties ir B formā, divu aprakstīto variantu esamība atklāj ģenētiskā materiāla elastību un dinamiku..

Funkcijas

DNS molekula satur visu informāciju un instrukcijas, kas nepieciešamas organisma konstruēšanai. Tiek saukts pilnīgs ģenētiskās informācijas kopums organismos genomu.

Ziņojumu kodē "bioloģiskais alfabēts": iepriekš minētie četri pamati, A, T, G un C.

Ziņojums var novest pie dažāda veida proteīnu veidošanās vai kodēšanas dažiem regulējošiem elementiem. Process, ar kuru šīs bāzes var sniegt ziņojumu, ir izskaidrots tālāk:

Replikācija, transkripcija un tulkošana

Četru burtu A, T, G un C šifrētais ziņojums dod fenotipu (ne visas DNS sekvences kodi proteīniem). Lai to panāktu, DNS ir jāatkārto katrā šūnu dalīšanās procesā.

DNS replikācija ir semikonservatīva: virkne kalpo par veidni jaunas meitas molekulas veidošanai. Dažādi fermenti katalizē replikāciju, ieskaitot DNS primasu, DNS helikāzi, DNS ligāzi un topoizomerāzi.

Pēc tam ziņojums, kas rakstīts bāzes secības valodā, ir jānosūta starpniekam: RNS (ribonukleīnskābe). Šo procesu sauc par transkripciju.

Lai notiktu transkripcija, jāiesaista dažādi fermenti, tostarp RNS polimerāze.

Šis enzīms ir atbildīgs par DNS ziņojuma kopēšanu un pārveidošanu par ziņotāja RNS molekulu. Citiem vārdiem sakot, transkripcijas mērķis ir iegūt kurjeru.

Visbeidzot, pateicoties ribosomām, ziņojums tiek pārvērsts kurjera RNS molekulās.

Šīs struktūras ņem ziņojuma RNS un kopā ar tulkošanas mašīnu veido noteiktu proteīnu.

Ģenētiskais kods

Ziņojums ir lasīts "tripletos" vai trīs burtu grupās, kas norāda aminoskābju - proteīnu strukturālo bloku. Ir iespējams atšifrēt tripletu ziņojumu, jo ģenētiskais kods jau ir pilnībā atklāts.

Tulkojums vienmēr sākas ar aminoskābju metionīnu, ko kodē sākuma triplets: AUG. "U" apzīmē uracila bāzi un ir raksturīgs RNS un papildina timīnu.

Piemēram, ja ziņotāja RNS ir sekojoša secība: AUG CCU CUU UUU UUA, tā tiek pārvērsta šādās aminoskābēs: metionīns, prolīns, leicīns, fenilalanīns un fenilalanīns. Ņemiet vērā, ka ir iespējams, ka divi tripleti - šajā gadījumā UUU un UUA - vienai un tai pašai aminoskābei - fenilalanīnam..

Šim īpašumam ir teikts, ka ģenētiskais kods ir deģenerēts, jo aminoskābju kodē vairāk nekā viena tripleta secība, izņemot aminoskābju metionīnu, kas nosaka tulkojuma sākumu..

Process tiek apturēts ar konkrētiem izbeigšanas vai apturēšanas tripletiem: UAA, UAG un UGA. Tie ir pazīstami ar nosaukumu okers, dzintars un opāls. Kad ribosoms tos atklāj, tie vairs nevar pievienot ķēdē vairāk aminoskābju.

Ķīmiskās un fizikālās īpašības

Nukleīnskābes ir skābes un šķīst ūdenī (hidrofilās). Var rasties ūdeņraža saites veidošanās starp fosfātu grupām un pentozu hidroksilgrupām ar ūdeni. Tas ir negatīvi lādēts pie fizioloģiskā pH.

DNS šķīdumi ir ļoti viskozi, pateicoties izturībai pret dubultā spirāles deformāciju, kas ir ļoti stingra. Viskozitāte samazinās, ja nukleīnskābe ir viendaļīga.

Tās ir ļoti stabilas molekulas. Loģiski, ka šai iezīmei ir jābūt neaizstājamai struktūrās, kurās ir ģenētiskā informācija. Salīdzinot ar RNS, DNS ir daudz stabilāka, jo tai trūkst hidroksilgrupas.

DNS var denaturēt ar karstumu, tas ir, dzīslas atdala, kad molekula ir pakļauta augstām temperatūrām.

Izmantojamā siltuma daudzums ir atkarīgs no molekulas G-C procentuālā daudzuma, jo šīs bāzes savieno trīs ūdeņraža saites, palielinot izturību pret atdalīšanu.

Kas attiecas uz gaismas absorbciju, tiem ir maksimums pie 260 nanometriem, kas palielinās, ja nukleīnskābe ir viendaļīga, jo tie atklāj nukleotīdu gredzenus un tie ir atbildīgi par absorbciju..

Evolūcija

Saskaņā ar Lazcano et al. 1988.gadā DNS rodas pārejas posmā no RNS, kas ir viens no svarīgākajiem notikumiem dzīves vēsturē.

Autori piedāvā trīs posmus: pirmo periodu, kad pastāvēja nukleīnskābēm līdzīgas molekulas, vēlāk genomi tika veidoti no RNS un kā pēdējais posms parādījās dubultjoslas DNS genomi.

Daži pierādījumi liecina par primārās pasaules teoriju, kuras pamatā ir RNS. Pirmkārt, proteīnu sintēze var notikt bez DNS, bet ne tad, kad trūkst RNS. Turklāt ir atklātas RNS molekulas ar katalītiskām īpašībām.

Attiecībā uz deoksiribonukleotīda (kas atrodas DNS) sintēzi viņi vienmēr nāk no ribonukleotīdu reducēšanas (kas atrodas RNS)..

DNS molekulas evolucionārajai inovācijai ir vajadzīgi fermentu klātbūtne, kas sintezē DNS prekursorus un piedalās RNS retrotranskripcijā..

Pētot pašreizējos fermentus, var secināt, ka šie proteīni ir vairākkārt attīstījušies un ka pāreja no RNS uz DNS ir sarežģītāka nekā iepriekš domāta, ieskaitot gēnu pārneses un zudumu procesus un nehoroloģiskas aizvietošanas procesus..

DNS sekvencēšana

DNS sekvencēšana sastāv no DNS virknes secības izskaidrošanas četru pamatu izteiksmē.

Zināšanas par šo secību ir ļoti svarīgas bioloģiskajās zinātnēs. To var izmantot, lai diskriminētu divas morfoloģiski ļoti līdzīgas sugas, atklātu slimības, patoloģijas vai parazītus un pat piemērotu kriminālistiku..

Sanger secība tika izstrādāta 1900. gados un ir tradicionāla metode, lai noskaidrotu secību. Neskatoties uz vecumu, tā ir derīga metode, ko plaši izmanto pētnieki.

Sanger metode

Metode izmanto DNS polimerāzi - ļoti ticamu fermentu, kas replikē DNS šūnās, sintezējot jaunu DNS ķēdi, izmantojot citu jau esošu vadlīniju. Enzīmam ir nepieciešams a vispirms vai primer, lai sāktu sintēzi. Grunts ir neliela DNS molekula, kas papildina molekulu, kuru vēlaties secīgi.

Reakcijā tiek pievienoti nukleotīdi, kurus enzīms pievienos jaunajai DNS daļai.

Papildus "tradicionālajiem" nukleotīdiem metode ietver virkni dideoksinukleotīdu katrai no bāzēm. Tie atšķiras no standarta nukleotīdiem divās īpašībās: strukturāli tie neļauj DNS polimerāzei pievienot vairāk nukleotīdu meitas ķēdei un tiem ir atšķirīgs fluorescējošs marķieris katram pamatam..

Rezultāts ir dažāda garuma dažādas DNS molekulas, jo dideoksinukleotīdi tika nejauši iekļauti un pārtrauca replikācijas procesu dažādos posmos..

Šo molekulu daudzveidību var atdalīt atkarībā no to garuma, un nukleotīdu identitāte tiek nolasīta ar gaismas emisiju no fluorescējošās etiķetes..

Jaunās paaudzes sekvencēšana

Pēdējos gados izstrādātie sekvencēšanas paņēmieni ļauj masveidā analizēt miljoniem paraugu vienlaicīgi.

Viena no izcilākajām metodēm ir piroekvenēšana, sekvencēšana pēc sintēzes, sekvencēšana ar ligēšanu un nākamās paaudzes sekvencēšana pēc Ion Torrent..

Atsauces

  1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., et al. (2002). Šūnas molekulārā bioloģija. 4. izdevums. Ņujorka: Garland Zinātne. DNS struktūra un funkcija. Pieejams: ncbi.nlm.nih.gov/
  2. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., et al. (2002). Šūnas molekulārā bioloģija. 4. izdevums. Ņujorka: Garland Zinātne. Hromosomu DNS un tā iepakojums hromatīna šķiedrā. Pieejams: ncbi.nlm.nih.gov
  3. Berg, J.M., Tymoczko, J.L., Stryer, L. (2002). Bioķīmija 5. izdevums. Ņujorka: W H Freeman. 27.1. Iedaļa, DNS var uzņemties dažādas strukturālās formas. Pieejams: ncbi.nlm.nih.gov
  4. Fierro, A. (2001). Īss DNS struktūras atklāšanas vēsture. Rev Med klīnika Las Condes, 20, 71-75.
  5. Forterre, P., Filée, J. & Myllykallio, H. (2000-2013) DNS un DNS replikācijas mehānismu izcelsme un attīstība. In: Madame Curie Bioscience datu bāze [Internets] Ostina (TX): Landes Bioscience. Pieejams: ncbi.nlm.nih.gov
  6. Lazcano, A., Guerrero, R., Margulis, L., & Oro, J. (1988). Evolūcijas pāreja no RNS uz DNS agrīnajās šūnās. Molekulārās evolūcijas žurnāls, 27(4), 283-290.
  7. Lodish, H., Berk, A., Zipursky, S.L., et al. (2000). Molekulāro šūnu bioloģija. 4. izdevums. Ņujorka: W. H. Freemans. 9.5. Iedaļa - šūnu DNS organizēšana hromosomās. Pieejams: ncbi.nlm.nih.gov/books
  8. Voet, D., Voet, J. G. un Pratt, C. W. (1999). Bioķīmijas pamatprincipi. Jauns York: John Willey un Sons.