Historie, funkce, struktura, složky DNA



DNA (deoxyribonukleová kyselina) je biomolekula, která obsahuje všechny informace nezbytné pro generování organismu a zachování jeho funkce. Skládá se z jednotek nazývaných nukleotidy, vytvořené na oplátku fosfátové skupiny, molekuly cukru s pěti uhlíky a dusíkaté báze..

Existují čtyři dusíkaté báze: adenin (A), cytosin (C), guanin (G) a thymin (T). Adenin se vždy páruje s thyminem a guaninem s cytosinem. Zpráva obsažená v řetězci DNA se transformuje na messengerovou RNA, která se podílí na syntéze proteinů.

DNA je extrémně stabilní molekula, negativně nabitá při fyziologickém pH, které je spojeno s pozitivními proteiny (histony), které jsou účinně kompaktní v jádru eukaryotických buněk. Dlouhý řetězec DNA spolu s různými asociovanými proteiny tvoří chromozóm.

Index

  • 1 Historie
  • 2 Komponenty
  • 3 Struktura
    • 3.1 Zákon Chargaffa
    • 3.2 Model dvojité šroubovice
  • 4 Organizace
    • 4.1 Histony
    • 4.2 Nukleosomy a 30 nm vlákno
    • 4.3 Chromozomy
    • 4.4 Organizace v prokaryotech
    • 4.5 Množství DNA
  • 5 Strukturální formy DNA
    • 5.1 DNA-A
    • 5.2 ADN-Z
  • 6 Funkce
    • 6.1 Replikace, přepis a překlad
    • 6.2 Genetický kód
  • 7 Chemické a fyzikální vlastnosti
  • 8 Evoluce
  • 9 Sekvenování DNA
    • 9.1 Metoda Sanger
  • 10 Sekvenování nové generace
  • 11 Odkazy

Historie

V roce 1953 se americkému Jamesovi Watsonovi a britskému Francisovi Crickovi podařilo objasnit trojrozměrnou strukturu DNA díky práci v krystalografii, kterou provedli Rosalind Franklin a Maurice Wilkins. Závěry vycházely také z prací jiných autorů.

Vystavení DNA rentgenovým paprskům tvoří difraktogram, který může být použit k odvození struktury molekuly: šroubovice dvou antiparalelních řetězců, které se otáčejí doprava, kde oba řetězce jsou spojeny vodíkovými vazbami mezi bázemi , Získaný vzor byl následující:

Strukturu lze předpokládat podle zákonů Braggovy difrakce: když je objekt vložen uprostřed paprsku rentgenového záření, odráží se, protože elektrony objektu interagují s paprskem.

25. dubna 1953 byly výsledky Watsona a Cricka publikovány v prestižním časopise Příroda, ve dvoustránkovém článku s názvem „Molekulární struktura nukleových kyselinTo by zcela revolucionizovalo oblast biologie.

Díky tomuto objevu získali vědci v roce 1962 Nobelovu cenu za medicínu, s výjimkou Franklina, který zemřel před porodem. V současné době je tento objev jedním z největších exponentů úspěchu vědecké metody získávání nových poznatků.

Komponenty

Molekula DNA je složena z nukleotidů, jednotek tvořených cukrem pěti uhlíků připojených k fosfátové skupině a dusíkaté bázi. Typ cukru nalezený v DNA je typu deoxyribózy a proto jeho název, deoxyribonukleová kyselina.

Pro vytvoření řetězce jsou nukleotidy kovalentně vázány fosfodiesterovou vazbou pomocí 3'-hydroxylové skupiny (-OH) z jednoho cukru a 5'-fosfafo z následujícího nukleotidu.

Nezaměňujte nukleotidy s nukleosidy. Posledně uvedená se týká části nukleotidu tvořené pouze pentózou (cukrem) a dusíkatou bází.

DNA je tvořena čtyřmi typy dusíkatých bází: adenin (A), cytosin (C), guanin (G) a thymin (T).

Dusíkaté báze jsou rozděleny do dvou kategorií: puriny a pyrimidiny. První skupina sestává z kruhu pěti atomů spojených k jinému kruhu šesti, zatímco pyrimidiny jsou složeny z jednoho kruhu.

Ze zmíněných bází jsou adenin a guanin deriváty purinů. Naproti tomu skupina pyrimidinů patří k thyminu, cytosinu a uracilu (přítomnému v molekule RNA)..

Struktura

Molekula DNA je tvořena dvěma nukleotidovými řetězci. Tento "řetězec" je známý jako řetězec DNA.

Tyto dva řetězce jsou spojeny vodíkovými vazbami mezi komplementárními bázemi. Dusíkaté báze jsou kovalentně vázány na kostru cukrů a fosfátů.

Každý nukleotid umístěný v jednom řetězci může být spojen s jiným specifickým nukleotidem druhého řetězce za vzniku známé dvojité šroubovice. Aby se vytvořila efektivní struktura, A se vždy spojí s T pomocí dvou vodíkových mostů a G s C třemi mosty.

Chargaffův zákon

Pokud budeme studovat proporce dusíkatých bází v DNA, zjistíme, že množství A je shodné s množstvím T a stejné s G a C. Tento vzor je známý jako Chargaffův zákon.

Toto párování je energeticky výhodné, protože umožňuje zachovat podobnou šířku podél struktury, přičemž se udržuje podobná vzdálenost podél molekuly kostry cukru a fosfátu. Všimněte si, že základna prstence je spojena s kruhem.

Model dvojité šroubovice

Navrhuje se, aby dvojitá šroubovice byla složena z 10,4 nukleotidů na otáčku, oddělených od středu ke středu vzdálenosti 3,4 nanometrů. Proces válcování vede ke vzniku drážek ve struktuře, které jsou schopny pozorovat hlavní a vedlejší drážku.

Drážky vznikají proto, že glykosidické vazby v párech bází nejsou proti sobě vzhledem k jejich průměru. V menší drážce je pyrimidin O-2 a purin N-3, zatímco hlavní drážka je umístěna v opačné oblasti..

Použijeme-li analogii žebříku, příčky se skládají z dvojic základny vzájemně se doplňujících, zatímco kostra odpovídá dvěma kolejnicím rukojeti.

Konce molekuly DNA nejsou stejné, takže mluvíme o „polaritě“. Jeden z jeho konců, 3 ', nese skupinu -OH, zatímco 5' konec má volnou fosfátovou skupinu.

Tyto dva řetězce jsou umístěny antiparalelně, což znamená, že jsou umístěny naproti jejich polaritě, a to následovně:

Kromě toho musí být posloupnost jednoho z vláken doplňkem svého partnera, pokud je nalezena poloha A, v antiparalelním vláknu musí být T.

Organizace

V každé lidské buňce je přibližně dva metry DNA, které musí být účinně zabaleny.

Pramen musí být zhutněn tak, aby mohl být obsažen v mikroskopickém jádru o průměru 6 μm, které zabírá pouze 10% objemu buněk. To je možné díky následujícím úrovním zhutnění:

Histony

V eukaryotech jsou proteiny zvané histony, které mají schopnost vázat se na molekulu DNA, což je první stupeň zhutnění řetězce. Histony mají kladné náboje, aby byly schopny interakce s negativními náboji DNA, které přispívají fosfáty.

Histony jsou takové důležité proteiny pro eukaryotické organismy, které byly v průběhu evoluce prakticky neměnné - připomínaje, že nízká míra mutací ukazuje, že selektivní tlaky na tuto molekulu jsou silné. Porucha v histonech může mít za následek vadné zhutnění DNA.

Histony mohou být modifikovány biochemicky a tento proces modifikuje úroveň zhutnění genetického materiálu.

Když jsou histony "hypoacetylované", chromatin je více kondenzován, protože acetylované formy neutralizují pozitivní náboje lysinů (pozitivně nabitých aminokyselin) v proteinu..

Nukleosomy a 30 nm vlákno

Řetězec DNA je navinut do histonů a tvoří struktury, které se podobají perličkám perlového náhrdelníku, nazývaných nukleosomy. Srdcem této struktury jsou dvě kopie každého typu histonů: H2A, H2B, H3 a H4. Sjednocení různých histonů se nazývá "histonový oktamer".

Oktamer je obklopen 146 páry bází, což dává méně než dvě otočky. Lidská diploidní buňka obsahuje přibližně 6,4 x 109 nukleotidy, které jsou organizovány do 30 milionů nukleosomů.

Organizace v nukleosomech umožňuje zhutnit DNA ve více než třetině původní délky.

V procesu extrakce genetického materiálu za fyziologických podmínek je pozorováno, že nukleosomy jsou uspořádány ve vlákně o délce 30 nanometrů..

Chromozomy

Chromozomy jsou funkční jednotkou dědičnosti, jejíž funkcí je nést geny jedince. Gen je segment DNA, který obsahuje informace pro syntézu proteinu (nebo řady proteinů). Existují však také geny, které kódují regulační prvky, jako je RNA.

Všechny lidské buňky (kromě gamet a krevních erytrocytů) mají dvě kopie každého chromozomu, jeden zděděný od otce a druhý od matky.

Chromozomy jsou struktury složené z dlouhé lineární části DNA spojené s výše uvedenými proteinovými komplexy. Normálně v eukaryotes, celý genetický materiál zahrnutý v jádru je rozdělen do série chromosomes.

Organizace v prokaryotech

Prokaryoty jsou organismy, které nemají jádro. U těchto druhů je genetický materiál vysoce navinutý spolu s alkalickými proteiny s nízkou molekulovou hmotností. Tímto způsobem je DNA zhutněna a umístěna v centrální oblasti bakterie.

Někteří autoři obvykle označují tuto strukturu "bakteriální chromozóm", ačkoli nepředstavují stejné charakteristiky eukaryotického chromozomu.

Množství DNA

Ne všechny druhy organismů obsahují stejné množství DNA. Ve skutečnosti je tato hodnota mezi druhy velmi variabilní a neexistuje žádný vztah mezi množstvím DNA a složitostí organismu. Tento rozpor je známý jako "paradox hodnoty C".

Logickým důvodem by bylo pochopit, že čím složitější je organismus, tím více DNA má. V přírodě to však není pravda.

Například genom lungfish Protopterus aethiopicus má velikost 132 pg (DNA lze kvantifikovat v pikogramech = pg), zatímco lidský genom váží pouze 3,5 pg.

Nezapomeňte, že ne všechny DNA organismu kódují proteiny, velké množství z nich souvisí s regulačními prvky a různými typy RNA.

Strukturní formy DNA

Model Watson a Crick, odvozený z rentgenových difrakčních obrazců, je známý jako spirála B-DNA a je "tradičním" a nejznámějším modelem. Existují však dvě jiné formy, nazývané DNA-A a DNA-Z.

DNA-A

Varianta "A" se otáčí doprava, stejně jako DNA-B, ale je kratší a širší. Tento formulář se objeví, když relativní vlhkost klesá.

DNA-A rotuje každých 11 párů bází, hlavní drážka je užší a hlubší než B-DNA. S ohledem na vedlejší drážku je to povrchnější a širší.

ADN-Z

Třetí variantou je Z-DNA. Je to nejužší forma tvořená skupinou hexanukleotidů organizovaných v duplexu antiparalelních řetězců. Jeden z nejpozoruhodnějších rysů této formy je to to se otočí doleva, zatímco jiné dvě formy to doprava.

Z-DNA se objeví, když jsou krátké sekvence střídajících se pyrimidinů a purinů. Větší drážka je plochá a menší je užší a hlubší ve srovnání s B-DNA.

Ačkoli za fyziologických podmínek je molekula DNA většinou ve své B-formě, existence dvou popsaných variant odhaluje flexibilitu a dynamiku genetického materiálu..

Funkce

Molekula DNA obsahuje všechny informace a instrukce nezbytné pro stavbu organismu. Je nazývána kompletní sada genetických informací v organismech genomu.

Zpráva je kódována "biologickou abecedou": čtyřmi výše uvedenými bázemi, A, T, G a C.

Zpráva může vést k tvorbě různých typů proteinů nebo kódování některých regulačních prvků. Proces, kterým tyto základny mohou doručit zprávu, je vysvětlen níže:

Replikace, transkripce a překlad

Zpráva zašifrovaná ve čtyřech písmenech A, T, G a C dává jako výsledek fenotyp (ne všechny sekvence DNA kódují proteiny). Aby toho bylo dosaženo, musí se DNA replikovat v každém procesu buněčného dělení.

Replikace DNA je polokonzervativní: vlákno slouží jako templát pro tvorbu nové dceřiné molekuly. Různé enzymy katalyzují replikaci, včetně DNA primázy, DNA helikázy, DNA ligázy a topoizomerázy.

Následně musí být zpráva - napsaná v základním sekvenčním jazyce - předána zprostředkující molekule: RNA (ribonukleová kyselina). Tento proces se nazývá transkripce.

Aby došlo k transkripci, musí se účastnit různé enzymy, včetně RNA polymerázy.

Tento enzym je zodpovědný za kopírování DNA zprávy a její přeměnu na molekulu messenger RNA. Jinými slovy, účelem přepisu je získat posla.

Konečně, zpráva je přeložena do messenger RNA molekul, díky ribozomům.

Tyto struktury berou messenger RNA a spolu s translačním aparátem tvoří specifikovaný protein.

Genetický kód

Zpráva je čtena v "trojicích" nebo skupinách tří písmen, které specifikují aminokyselinu - strukturální bloky proteinů. Je možné rozluštit poselství trojčat, protože genetický kód byl již zcela odhalen.

Translace vždy začíná s aminokyselinou methionin, která je kódována počátečním tripletem: AUG. "U" představuje uracilovou bázi a je charakteristická pro RNA a nahradí thymin.

Například pokud má messenger RNA následující sekvenci: AUG CCU CUU UUU UUA, je přeložena do následujících aminokyselin: methionin, prolin, leucin, fenylalanin a fenylalanin. Všimněte si, že je možné, že dvě trojčata - v tomto případě UUU a UUA - kódují stejnou aminokyselinu: fenylalanin.

Pro tuto vlastnost se říká, že genetický kód je degenerovaný, protože aminokyselina je kódována více než jednou sekvencí tripletů, s výjimkou aminokyseliny methioninu, která určuje začátek translace..

Proces je zastaven se specifickým ukončením nebo zastavením trojice: UAA, UAG a UGA. Jsou známé pod názvy okr, jantar a opál. Když je ribozom detekuje, nemohou již do řetězce přidat více aminokyselin.

Chemické a fyzikální vlastnosti

Nukleové kyseliny jsou kyselé povahy a jsou rozpustné ve vodě (hydrofilní). Může dojít k tvorbě vodíkových vazeb mezi fosfátovými skupinami a hydroxylovými skupinami pentóz s vodou. Při fyziologickém pH je negativně nabitý.

Roztoky DNA jsou vysoce viskózní vzhledem k kapacitě odolnosti vůči deformaci dvojité šroubovice, která je velmi tuhá. Viskozita klesá, pokud je nukleová kyselina jednovláknová.

Jsou to vysoce stabilní molekuly. Tato funkce musí být logicky nepostradatelná ve strukturách, které nesou genetickou informaci. Ve srovnání s RNA je DNA mnohem stabilnější, protože nemá hydroxylovou skupinu.

DNA může být denaturována teplem, to znamená, že se vlákna oddělují, když je molekula vystavena vysokým teplotám.

Množství tepla, které musí být aplikováno, závisí na G-C procento molekuly, protože tyto báze jsou spojeny třemi vodíkovými vazbami, což zvyšuje odolnost vůči separaci..

Pokud jde o absorpci světla, mají vrchol při 260 nanometrech, což se zvyšuje, pokud je nukleová kyselina jednovláknová, protože vystavují kruhy nukleotidů a tyto jsou zodpovědné za absorpci..

Evoluce

Podle Lazcana et al. 1988 DNA vzniká ve fázích přechodu z RNA, která je jednou z nejdůležitějších událostí v historii života.

Autoři navrhli tři stadia: první období, ve kterém existovaly molekuly podobné nukleovým kyselinám, později byly vytvořeny genomy RNA a v posledním stadiu se objevily dvojpásové genomy DNA..

Některé důkazy podporují teorii primárního světa založeného na RNA. Za prvé, syntéza proteinu se může objevit v nepřítomnosti DNA, ale ne v případě, kdy chybí RNA. Kromě toho byly objeveny molekuly RNA s katalytickými vlastnostmi.

Pokud jde o syntézu deoxyribonukleotidu (přítomného v DNA), vždy pochází z redukce ribonukleotidů (přítomných v RNA)..

Evoluční inovace molekuly DNA musela vyžadovat přítomnost enzymů, které syntetizují prekurzory DNA a účastní se retrotranskripce RNA..

Studiem současných enzymů lze vyvodit závěr, že tyto proteiny se vyvinuly několikrát a že přechod z RNA na DNA je složitější, než se původně předpokládalo, včetně procesů přenosu genů a ztrát a neortologických náhrad..

Sekvenování DNA

Sekvenování DNA spočívá v objasnění sekvence řetězce DNA z hlediska čtyř bází, které se tvoří.

Znalost této sekvence má v biologických vědách velký význam. Může být použit k rozlišení mezi dvěma morfologicky velmi podobnými druhy, k detekci chorob, patologií nebo parazitů a dokonce má forenzní použitelnost.

Sekvencování Sangera bylo vyvinuto v 19. století a je to tradiční technika, která objasňuje posloupnost. Navzdory svému věku se jedná o platnou metodu široce používanou výzkumníky.

Sangerova metoda

Metoda využívá DNA polymerázu, vysoce spolehlivý enzym, který replikuje DNA v buňkách a syntetizuje nový DNA řetězec za použití jiné, již existující směrnice. Enzym vyžaduje a první nebo primer pro zahájení syntézy. Primer je malá molekula DNA komplementární k molekule, kterou chcete sekvenovat.

V reakci se přidají nukleotidy, které mají být inkorporovány do nového řetězce DNA enzymem.

Kromě "tradičních" nukleotidů tento způsob zahrnuje sérii dideoxynukleotidů pro každou ze zásad. Liší se od standardních nukleotidů ve dvou charakteristikách: strukturně neumožňují DNA polymeráze přidat více nukleotidů do dceřiného řetězce a mají odlišný fluorescenční marker pro každou bázi.

Výsledkem je celá řada molekul DNA různé délky, protože dideoxynukleotidy byly náhodně začleněny a zastavily proces replikace v různých stadiích..

Tato rozmanitost molekul může být oddělena podle jejich délky a identita nukleotidů se odečítá emisí světla z fluorescenční značky..

Sekvenování nové generace

Techniky sekvencování vyvinuté v posledních letech umožňují masivní analýzu miliónů vzorků současně.

Mezi nejvýraznější metody patří pyrosekvenování, sekvenování syntézou, sekvenování ligací a sekvenování příští generace Ion Torrentem..

Odkazy

  1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., et al. (2002). Molekulární biologie buňky. 4. vydání. New York: Garland věda. Struktura a funkce DNA. Dostupné na: ncbi.nlm.nih.gov/
  2. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., et al. (2002). Molekulární biologie buňky. 4. vydání. New York: Garland věda. Chromozomální DNA a její balení v chromatovém vláknu. Dostupné na adrese: ncbi.nlm.nih.gov
  3. Berg, J. M., Tymoczko, J. L., Stryer, L. (2002). Biochemie 5. vydání. New York: W H Freeman. Oddíl 27.1, DNA může předpokládat různorodost strukturálních forem. Dostupné na adrese: ncbi.nlm.nih.gov
  4. Fierro, A. (2001). Stručná historie objevování struktury DNA. Rev Med Clinic Las Condes, 20, 71-75.
  5. Forterre, P., Filée, J. & Myllykallio, H. (2000-2013) Původ a vývoj DNA a DNA replikačních strojů. V: Madame Curie Bioscience Database [Internet] Austin (TX): Landes Bioscience. Dostupné na adrese: ncbi.nlm.nih.gov
  6. Lazcano, A., Guerrero, R., Margulis, L., & Oro, J. (1988). Evoluční přechod z RNA na DNA v časných buňkách. Časopis molekulární evoluce, 27(4), 283-290.
  7. Lodish, H., Berk, A., Zipursky, S.L., et al. (2000). Molekulární buněčná biologie. 4. vydání. New York: W. H. Freeman. Část 9.5, Organizace buněčné DNA do chromozomů. Dostupné na adrese: ncbi.nlm.nih.gov/books
  8. Voet, D., Voet, J.G., & Pratt, C. W. (1999). Základy biochemie. Novinka York: John Willey a synové.