DNS története, funkciói, szerkezete, összetevői

az DNS (dezoxiribonukleinsav) a biomolekula, amely tartalmazza a szervezet létrehozásához és működésének fenntartásához szükséges összes információt. Nukleotidnak nevezett egységekből áll, amelyek foszfátcsoportból, öt szénhidrogén molekulából és nitrogénbázisból állnak..

Négy nitrogénbázis van: adenin (A), citozin (C), guanin (G) és timin (T). Az adenin mindig citozinnal párosítja a timint és a guanint. A DNS-szálban lévő üzenetet messenger RNS-re transzformáljuk, és ez részt vesz a fehérjék szintézisében.

A DNS egy rendkívül stabil molekula, amely fiziológiás pH-n negatívan töltődik, ami pozitív fehérjékhez (hisztonokhoz) kapcsolódik az eukarióta sejtek magjában hatékonyan kompakt. Egy hosszú DNS-szál, különböző társult fehérjékkel együtt kromoszómát képez.

index

• 1 Történelem
• 2 Komponensek
• 3 Szerkezet
  • 3.1 A Chargaff törvénye
  • 3.2 Dupla hélix modell
• 4 Szervezet
  • 4.1 Histonok
  • 4.2 Nukleoszómák és 30 nm-es szál
  • 4.3 Kromoszómák
  • 4.4 A prokarióták szervezése
  • 4.5 A DNS mennyisége
• 5 A DNS szerkezeti formái
  • 5.1 DNS-A
  • 5.2 ADN-Z
• 6 Funkciók
  • 6.1 Replikáció, transzkripció és fordítás
  • 6.2 A genetikai kód
• 7 Kémiai és fizikai tulajdonságok
• 8 Evolúció
• 9 DNS-szekvenálás
  • 9.1 Sanger módszer
• 10 Új generációs szekvenálás
• 11 Hivatkozások

történelem

1953-ban az amerikai James Watson és a brit Francis Crick sikerült megmagyarázni a DNS háromdimenziós szerkezetét, köszönhetően a Rosalind Franklin és Maurice Wilkins által végzett kristálytani munkának. Megállapításaikat más szerzők munkáira is alapozták.

A DNS röntgensugárzásnak való kitettsége olyan diffrakciós mintázatot képez, amely a molekula szerkezetének megállapítására szolgál: két jobboldali elfordulásgátló hélix, ahol mindkét lánc hidrogénkötéssel kapcsolódik a bázisok közé . A kapott minta a következő volt:

A szerkezet feltételezhető a Bragg diffrakció törvényeinek megfelelően: ha egy objektum röntgensugár közepén van elhelyezve, akkor ez tükröződik, mivel az objektum elektronjai kölcsönhatásba lépnek a sugárral.

1953. április 25-én Watson és Crick eredményei megjelentek a rangos folyóiratban természet, egy kétoldalas cikkben, amelynek címe:A nukleinsavak molekuláris szerkezete"Ez teljesen forradalmasítaná a biológia területét.

A felfedezésnek köszönhetően a kutatók 1962-ben kapták meg az orvostudomány Nobel-díját, kivéve Franklint, aki a szállítás előtt halt meg. Jelenleg ez a felfedezés az új tudás megszerzéséhez a tudományos módszer sikerének egyik nagy kiállítója.

alkatrészek

A DNS-molekula nukleotidokból, egy öt szénatomból álló cukorból, egy foszfátcsoporthoz és egy nitrogénbázisból álló egységből áll. A DNS-ben található cukor típusa a dezoxiribóz-típus és így a neve, a dezoxiribonukleinsav.

A lánc kialakításához a nukleotidokat egy foszfodiészter kötéssel kovalensen kapcsoljuk egy 3'-hidroxilcsoport (-OH) segítségével egy cukorból és az 5'-foszfátból a következő nukleotidból..

Ne keverjük össze a nukleotidokat a nukleozidokkal. Ez utóbbi a nukleotidnak csak a pentóz (cukor) és a nitrogénbázis által képzett részét jelenti.

A DNS-t négyféle nitrogénbázis alkotja: adenin (A), citozin (C), guanin (G) és timin (T).

A nitrogénbázisokat két kategóriába sorolják: purinok és pirimidinek. Az első csoport egy öt atomból álló gyűrűből áll, amely egy másik hat gyűrűhöz kapcsolódik, míg a pirimidinek egy gyűrűből állnak..

Az említett bázisok közül az adenin és a guanin purinszármazékok. Ezzel szemben a pirimidinek csoportja a timin, a citozin és az uracil (az RNS molekulában található) csoportjába tartozik..

struktúra

A DNS molekula két nukleotid láncból áll. Ezt a "láncot" DNS-szálnak nevezik.

A két szálat hidrogénkötések kötik össze a komplementer bázisok között. A nitrogénbázisok kovalensen kapcsolódnak egy cukor és foszfát vázához.

Az egyes szálakban elhelyezkedő nukleotidok a másik szál egy másik specifikus nukleotidjával kapcsolhatók össze, hogy az ismert kettős hélixet hozzuk létre. A hatékony szerkezet kialakítása érdekében A mindig két hidrogénhidakkal T-vel párosul és három hidakkal G-vel \ t.

Chargaff törvénye

Ha megvizsgáljuk a nitrogénbázisok arányát a DNS-ben, akkor azt tapasztaltuk, hogy az A mennyisége megegyezik a T mennyiségével és ugyanaz a G és C értékekkel..

Ez a párosítás energetikailag kedvező, mivel lehetővé teszi a struktúra mentén hasonló szélesség megőrzését, hasonló távolságot tartva a cukor-foszfát csontváz molekula mentén. Vegye figyelembe, hogy egy gyűrű alapja egy gyűrűvel van összekötve.

A kettős spirál modellje

Azt javasoljuk, hogy a kettős hélix 10,4 nukleotidot tartalmaz fordulatonként, egymástól 3,4 nanométer középponttól távolságig elválasztva. A gördülési folyamat a hornyok kialakulását eredményezi a szerkezetben, így egy nagy és egy kisebb horony figyelhető meg.

A hornyok azért keletkeznek, mert az alappárokban lévő glikozidkötések átmérőjük szempontjából nem egymással szemben vannak. A kisebb horonyban az O-2 pirimidin és az N-3 purin, míg a fő horony az ellenkező régióban helyezkedik el.

Ha egy létra analógiáját használjuk, akkor a lépcsők egymástól komplementer bázispárokból állnak, míg a csontváz megfelel a két markolat síneknek.

A DNS-molekula végei nem azonosak, így „polaritásról” beszélünk. Az egyik vége, 3 ', egy -OH csoportot hordoz, míg az 5' vége a szabad foszfátcsoport.

A két szál ellentétes helyzetben van, ami azt jelenti, hogy a polaritásukkal ellentétben helyezkednek el:

Ezen túlmenően, az egyik szál szekvenciájának komplementernek kell lennie a partnerével, ha az A pozíció található, az antiparallel szálban T-nek kell lennie..

szervezet

Minden emberi sejtben körülbelül két méternyi DNS van, amelyet hatékonyan kell csomagolni.

A szálat tömöríteni kell úgy, hogy egy 6 μm átmérőjű mikroszkopikus magban legyen, amely a sejt térfogatának mindössze 10% -át foglalja el. Ez a következő tömörítési szinteknek köszönhető:

hiszton

Az eukariótákban a hisztonoknak nevezett fehérjék vannak, amelyek képesek a DNS molekulához kötődni, és ez a szál első tömörítési szintje. A hisztonok pozitív töltésűek, hogy képesek legyenek kölcsönhatásba lépni a DNS negatív töltéseivel, melyeket a foszfátok adnak.

A hisztonok olyan fontos fehérjék az eukarióta szervezetek számára, amelyek az evolúció során gyakorlatilag változhatatlanok voltak - emlékezve arra, hogy az alacsony mutációs sebesség azt jelzi, hogy a molekula szelektív nyomása erős. A hisztonok hibája hibás DNS-tömörítést eredményezhet.

A hisztonok biokémiailag módosíthatók, és ez a folyamat módosítja a genetikai anyag tömörítési szintjét.

Ha a hisztonokat "hipoacetilezzük", a kromatin sokkal kondenzáltabb, mivel az acetilezett formák semlegesítik a lizinek (pozitív töltésű aminosavak) pozitív töltéseit a fehérjében.

Nukleoszómák és 30 nm-es szál

A DNS-szálat a hisztonokba tekercselik, és olyan struktúrákat alakítanak ki, amelyek hasonlítanak egy gyöngy nyaklánc gyöngyszeméhez, melynek neve nukleozomok. Ennek a szerkezetnek a középpontjában mindkét típusú hiszton két példánya van: H2A, H2B, H3 és H4. A különböző hisztonok egyesülését "hiszton-oktámernek" nevezik..

Az oktamerot 146 pár bázis veszi körül, ami kevesebb, mint két fordulatot eredményez. A humán diploid sejt körülbelül 6,4 x 10-et tartalmaz⁹ nukleotidok, amelyek 30 millió nukleoszomba vannak szervezve.

A nukleozómák szervezete lehetővé teszi a DNS tömörítését az eredeti hosszának egyharmadánál.

A genetikai anyag fiziológiai körülmények között történő extrahálásának folyamatában megfigyelhető, hogy a nukleozomok 30 nanométeres rostban vannak elrendezve..

kromoszómák

A kromoszómák az öröklés funkcionális egysége, amelynek feladata az egyén gének hordozása. A gén egy olyan DNS-szegmens, amely tartalmazza a fehérje (vagy egy fehérje-sorozat) szintetizálásához szükséges információt. Vannak azonban olyan gének is, amelyek szabályozó elemeket kódolnak, mint például az RNS.

Minden emberi sejt (a gameták és a vér eritrociták kivételével) minden kromoszóma két példányával rendelkezik, az egyik az öröklött az apától és a másiktól az anyától..

A kromoszómák olyan struktúrák, amelyek egy hosszú, lineáris DNS-részből állnak, amely a fent említett fehérje-komplexekhez kapcsolódik. Általában az eukariótákban a magban lévő összes genetikai anyag egy kromoszóma-sorozatra oszlik.

Szervezet a prokariótákban

A prokarióták olyan szervezetek, amelyeknek nincs magja. Ezekben a fajokban a genetikai anyag nagy molekulatömegű alkálifém-fehérjékkel erősen összefonódik. Ily módon a DNS tömörül és a baktérium központi régiójában helyezkedik el.

Egyes szerzők általában ezt a struktúrát "bakteriális kromoszóma" -nak nevezik, bár nem mutatnak azonos eukarióta kromoszóma jellemzőit..

A DNS mennyisége

Nem minden organizmusfaj ugyanolyan mennyiségű DNS-t tartalmaz. Valójában ez az érték nagyon változó a fajok között, és nincs összefüggés a DNS mennyisége és a szervezet összetettsége között. Ez az ellentmondás "C-érték paradoxon" néven ismert..

A logikus érvelés az lenne, ha intuitálnánk, hogy minél összetettebb a szervezet, annál több DNS-t tartalmaz. Ez azonban a természetben nem igaz.

Például a lungfish genomja Protopterus aethiopicus mérete 132 pg (a DNS-t pikogramokban = pg) lehet meghatározni, míg a humán genom csak 3,5 pg súlyú.

Ne feledje, hogy nem minden szervezet DNS-je kódol fehérjéket, ennek nagy része a szabályozó elemekhez és a különböző típusú RNS-hez kapcsolódik.

A DNS szerkezeti formái

A röntgendiffrakciós mintákból levont Watson és Crick modellt B-DNS hélixnek nevezzük, és ez a "hagyományos" és a legismertebb modell. Van azonban két másik különböző forma, a DNS-A és a DNS-Z.

DNS-A

Az "A" változat jobbra forog, mint a DNS-B, de rövidebb és szélesebb. Ez az űrlap akkor jelenik meg, ha a relatív páratartalom csökken.

A DNS-A minden 11 bázispárban forog, a fő horony szűkebb és mélyebb, mint a B-DNS. A kisebb horony tekintetében ez felületesebb és szélesebb.

Z-DNS

A harmadik változat a Z-DNS. Ez a legszűkebb forma, amelyet az antiparallel láncok duplexében elrendezett hexanukleotidok csoportja alkot. Ennek a formának az egyik legszembetűnőbb jellemzője, hogy balra fordul, míg a másik két forma jobbra.

A Z-DNS akkor jelenik meg, ha rövid szekvenciák váltakozó pirimidinek és purinek vannak. A nagyobb horony lapos és a kisebb a B-DNS-hez képest szűkebb és mélyebb.

Habár fiziológiai körülmények között a DNS-molekula többnyire B-formájú, a két leírt változat megléte a genetikai anyag rugalmasságát és dinamizmusát tárja fel..

funkciók

A DNS-molekula tartalmazza a szervezet kialakításához szükséges összes információt és utasítást. A genetikai információ teljes készletét a szervezetekben hívják genom.

Az üzenetet a "biológiai ábécé" kódolja: a korábban említett négy alap, A, T, G és C.

Az üzenet különböző típusú fehérjék kialakulásához vagy néhány szabályozó elem kódolásához vezethet. Az alábbiakban ismertetjük az eljárást, amellyel ezek az alapok üzenetet tudnak adni

Replikáció, transzkripció és fordítás

Az A, T, G és C négy betűben titkosított üzenet egy fenotípust eredményez (nem minden DNS-szekvencia kódja a fehérjéknek). Ennek eléréséhez a DNS-nek meg kell replikálódnia minden sejtmegosztási folyamatban.

A DNS-replikáció félig konzervatív: egy szál mint templát az új lánymolekula képződésére szolgál. Különböző enzimek katalizálják a replikációt, beleértve a DNS-primaszot, a DNS-helikázt, a DNS-ligázt és a topoizomerázt.

Ezt követően a bázisszekvencia nyelvben írt üzenetet át kell adni egy közvetítő molekulának: RNS (ribonukleinsav). Ezt a folyamatot transzkripciónak nevezik.

A transzkripció előfordulásához különböző enzimeknek kell részt venniük, beleértve az RNS polimerázt.

Ez az enzim felelős a DNS-üzenet másolásáért és egy messenger RNS-molekulává történő átalakításáért. Más szóval, a transzkripció célja a hírnök beszerzése.

Végül az üzenetet a riboszómáknak köszönhetően a messenger RNS molekuláikba fordítják.

Ezek a struktúrák a hírvivő RNS-t vesznek fel, és a fordítógéppel együtt a meghatározott fehérjét alkotják.

A genetikai kód

Az üzenetet "tripletekben" vagy három betűből álló csoportokban olvassák, amelyek egy aminosavat - a fehérjék szerkezeti blokkjait - határozzák meg. Lehetőség van a tripletek üzeneteinek megfejtésére, mivel a genetikai kódot már teljesen feltárták.

A fordítás mindig az aminosav metioninnal kezdődik, amelyet a start triplet kódol: AUG. Az "U" jelentése az uracil bázis, és az RNS-re jellemző, és a timin szuppresszálja.

Például, ha a hírvivő RNS-nek a következő sorrendje van: AUG CCU CUU UUU UUA, a következő aminosavakba fordul: metionin, prolin, leucin, fenilalanin és fenilalanin. Megjegyezzük, hogy lehetséges, hogy két triplett - ebben az esetben UUU és UUA - azonos aminosavra vonatkozik: fenilalanin.

Ehhez a tulajdonsághoz azt mondják, hogy a genetikai kód degenerált, mivel egy aminosavat több, mint egy triplett szekvencia kódol, kivéve az aminosav metionint, amely a fordítás kezdetét diktálja.

A folyamatot megszakítjuk egy meghatározott végződtetési vagy leállítási triplettel: UAA, UAG és UGA. Az okker, borostyán és opál néven ismertek. Amikor a riboszóma észleli őket, már nem tudnak több aminosavat hozzáadni a lánchoz.

Kémiai és fizikai tulajdonságok

A nukleinsavak savas jellegűek és vízben (hidrofil) oldódnak. A hidrogénkötések képződhetnek a foszfátcsoportok és a pentózok hidroxilcsoportjai között vízzel. Ez negatívan töltődik fiziológiás pH-n.

A DNS-oldatok nagyon viszkózusak, a kettős spirál deformációjával szembeni ellenállóképességének köszönhetően, ami nagyon merev. Viszkozitás csökken, ha a nukleinsav egyszálú.

Nagyon stabil molekulák. Logikusan ez a tulajdonság elengedhetetlen a genetikai információkat hordozó struktúrákban. Az RNS-hez képest a DNS sokkal stabilabb, mert nincs hidroxilcsoport.

A DNS-t hővel denaturálhatjuk, vagyis a szálak elkülönülnek, amikor a molekula magas hőmérsékletnek van kitéve.

Az alkalmazott hőmennyiség a molekula G-C százalékától függ, mivel ezek a bázisok három hidrogénkötéssel kapcsolódnak, ami növeli a szétválasztás ellenállását.

Ami a fény felszívódását illeti, a csúcs 260 nanométerben van, ami akkor nő, ha a nukleinsav egyszálú, mivel a nukleotidok gyűrűit feltárják, és ezek felelősek az abszorpcióért..

evolúció

Lazcano szerint et al. 1988-ban a DNS az RNS-ből való átmenet szakaszaiban keletkezik, az élet történetének egyik legfontosabb eseménye.

A szerzők három szakaszt javasolnak: az első olyan időszak, amikor a nukleinsavakhoz hasonló molekulák léteztek, később a genomok RNS-ből alakultak ki, és utolsó lépésként megjelentek a kettős sávos DNS-genom.

Néhány bizonyíték támogatja az RNS-en alapuló elsődleges világ elméletét. Először is, a fehérjeszintézis előfordulhat DNS hiányában, de nem, amikor RNS hiányzik. Emellett feltárták a katalitikus tulajdonságokkal rendelkező RNS molekulákat.

A dezoxiribonukleotid (a DNS-ben jelenlévő) szintéziséhez mindig a ribonukleotidok redukciójából származik (jelen van az RNS-ben)..

A DNS-molekula evolúciós innovációjának szükségessé kellett tennie a DNS-prekurzorokat szintetizáló enzimek jelenlétét, és részt kell vennie az RNS retrotranskripciójában..

A jelenlegi enzimek tanulmányozásával megállapítható, hogy ezek a fehérjék többször fejlődtek ki, és hogy az RNS-ből a DNS-be való átmenet sokkal komplexebb, mint korábban gondoltuk, beleértve a génátvitel és -vesztés folyamatát, valamint a nem ortológ helyettesítést..

DNS szekvenálás

A DNS-szekvenálás a DNS-szál szekvenciájának tisztázását jelenti a négy bázist tekintve.

E szekvencia ismerete nagy jelentőséggel bír a biológiai tudományokban. Használható két morfológiailag nagyon hasonló faj megkülönböztetésére, a betegségek, patológiák vagy paraziták kimutatására, sőt igazságügyi alkalmazásra is..

A Sanger szekvenálását az 1900-as években fejlesztették ki, és ez a hagyományos módszer a szekvencia tisztázására. Életkora ellenére a kutatók széles körben használják.

Sanger-módszer

A módszer DNS-polimerázt használ, amely egy nagyon megbízható enzim, amely replikálja a DNS-t a sejtekben, és egy új DNS-láncot szintetizál egy másik, már létező iránymutatást alkalmazva. Az enzim a első vagy a primer a szintézis megkezdéséhez. A primer egy kis molekula DNS-nek, amely komplementer a szekvencia által kívánt molekulához.

A reakcióban hozzáadunk olyan nukleotidokat, amelyeket az enzim új DNS-szálába építünk be.

A "hagyományos" nukleotidok mellett az eljárás magában foglalja a dideoxinukleotidok sorozatát mindegyik bázis esetében. Ezek a standard nukleotidoktól két jellemzővel különböznek: strukturálisan nem teszik lehetővé, hogy a DNS-polimeráz több nukleotidot adjon hozzá a lánylánchoz, és az egyes bázisokhoz különböző fluoreszcens marker van..

Az eredmény a különböző hosszúságú DNS-molekulák széles skálája, mivel a dideoxinukleotidokat véletlenszerűen beépítettük és a replikációs folyamatot különböző szakaszokban állítottuk le..

Ezt a különböző molekulákat a hosszúságuk szerint szétválaszthatjuk, és a nukleotidok azonosságát a fluoreszcens jelölésből származó fény kibocsátásával leolvashatjuk..

Új generációs szekvenálás

Az utóbbi években kifejlesztett szekvenálási technikák lehetővé teszik a több millió minta egyidejű vizsgálatát.

A legkiválóbb módszerek közé tartozik a pirozekvencia, a szintézis szekvenálás, szekvenálás ligálással és a következő generációs szekvenálás Ion Torrent segítségével..

referenciák

1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J. és munkatársai. (2002). A sejt molekuláris biológiája. 4. kiadás. New York: Garland Tudomány. A DNS szerkezete és működése. Elérhető: ncbi.nlm.nih.gov/
2. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J. és munkatársai. (2002). A sejt molekuláris biológiája. 4. kiadás. New York: Garland Tudomány. Kromoszómális DNS és csomagolása a kromatinszálban. Elérhető: ncbi.nlm.nih.gov
3. Berg, J. M., Tymoczko, J. L., Stryer, L. (2002). Biokémia. 5. kiadás. New York: W H Freeman. 27.1. Szakasz, a DNS feltételezheti a strukturális formák sokféleségét. Elérhető: ncbi.nlm.nih.gov
4. Fierro, A. (2001). A DNS-szerkezet felfedezésének rövid története. Rev Med Clinic Las Condes, 20, 71-75.
5. Forterre, P., Filée, J. & Myllykallio, H. (2000-2013) A DNS és a DNS replikációs mechanizmusok eredete és fejlődése. in: Madame Curie Bioscience adatbázis [Internet]. Austin (TX): Landes Bioscience. Elérhető: ncbi.nlm.nih.gov
6. Lazcano, A., Guerrero, R., Margulis, L. és Oro, J. (1988). Az evolúciós átmenet az RNS-ről a DNS-re a korai sejtekben. A molekuláris evolúció naplója, 27(4), 283-290.
7. Lodish, H., Berk, A., Zipursky, S.L., et al. (2000). Molekuláris sejtbiológia. 4. kiadás. New York: W. H. Freeman. 9.5. Szakasz - A sejtes DNS kromoszómákba szervezése. Elérhető: ncbi.nlm.nih.gov/books
8. Voet, D., Voet, J. G. és Pratt, C. W. (1999). A biokémia alapja. új York: John Willey és Sons.