ДНК: ИСТОРИЯ, ФУНКЦИИ, СТРУКТУРА, КОМПОНЕНТЫ - БИОЛОГИЯ - 2024

ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты) представляет собой биомолекулы содержит всю информацию , необходимую для генерации тела и поддерживать его работу. Он состоит из звеньев, называемых нуклеотидами, которые в свою очередь состоят из фосфатной группы, молекулы пятиуглеродного сахара и азотистого основания.

Существует четыре азотистых основания: аденин (A), цитозин (C), гуанин (G) и тимин (T). Аденин всегда соединяется с тимином, а гуанин - с цитозином. Сообщение, содержащееся в цепи ДНК, преобразуется в информационную РНК, которая участвует в синтезе белков.

ДНК - чрезвычайно стабильная молекула, отрицательно заряженная при физиологическом pH, которая связывается с положительными белками (гистонами) для эффективного уплотнения в ядре эукариотических клеток. Длинная цепь ДНК вместе с различными ассоциированными белками образует хромосому.

история

В 1953 году американцу Джеймсу Уотсону и британцу Фрэнсису Крику удалось выяснить трехмерную структуру ДНК благодаря работе в области кристаллографии, проведенной Розалинд Франклин и Морис Уилкинс. Они также основывали свои выводы на работах других авторов.

Когда ДНК подвергается воздействию рентгеновских лучей, образуется дифракционная картина, по которой можно сделать вывод о структуре молекулы: спираль из двух антипараллельных цепей, которые вращаются вправо, где обе цепи соединены водородными связями между основаниями. , Полученный узор был следующим:

Структура может быть принята в соответствии с законами дифракции Брэгга: когда объект помещается в середину рентгеновского луча, он отражается, поскольку электроны объекта взаимодействуют с лучом.

25 апреля 1953 года результаты Уотсона и Крика были опубликованы в престижном журнале Nature в двухстраничной статье под названием «Молекулярная структура нуклеиновых кислот», которая полностью произвела революцию в области биологии.

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

Составные части

Молекула ДНК состоит из нуклеотидов, единиц, состоящих из пятиуглеродного сахара, присоединенного к фосфатной группе, и азотистого основания. Тип сахара, обнаруженного в ДНК, - это тип дезоксирибозы, отсюда и его название - дезоксирибонуклеиновая кислота.

Чтобы сформировать цепь, нуклеотиды ковалентно связаны связью фосфодиэфирного типа через 3'-гидроксильную группу (-ОН) от сахара и 5'-фосфафо следующего нуклеотида.

Нуклеотиды не следует путать с нуклеозидами. Последнее относится к части нуклеотида, образованной только пентозой (сахаром) и азотистым основанием.

ДНК состоит из четырех типов азотистых оснований: аденина (A), цитозина (C), гуанина (G) и тимина (T).

Основания азота делятся на две категории: пурины и пиримидины. Первая группа состоит из кольца из пяти атомов, присоединенного к другому кольцу из шести, в то время как пиримидины состоят только из одного кольца.

Из упомянутых оснований аденин и гуанин являются производными пуринов. Напротив, тимин, цитозин и урацил (присутствующие в молекуле РНК) принадлежат к группе пиримидинов.

Структура

Молекула ДНК состоит из двух цепочек нуклеотидов. Эта «цепочка» известна как цепь ДНК.

Две нити связаны водородными связями между дополнительными основаниями. Основания азота ковалентно связаны с основой из сахаров и фосфатов.

Каждый нуклеотид, расположенный на одной цепи, может быть связан с другим специфическим нуклеотидом на другой цепи, образуя хорошо известную двойную спираль. Чтобы сформировать эффективную структуру, A всегда соединяется с T посредством двух водородных связей, а G с C посредством трех связей.

Закон Чаргаффа

Если мы изучим пропорции азотистых оснований в ДНК, мы обнаружим, что количество A идентично количеству T и такое же количество G и C. Эта закономерность известна как закон Чаргаффа.

Такое спаривание является энергетически выгодным, поскольку оно позволяет сохранить одинаковую ширину вдоль структуры, поддерживая такое же расстояние вдоль молекулы сахарно-фосфатного остова. Обратите внимание, что основание кольца совпадает с основанием кольца.

Модель двойной спирали

Предполагается, что двойная спираль состоит из 10,4 нуклеотидов на 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 по отношению к их диаметру. Пиримидин O-2 и пурин N-3 находятся в малой бороздке, а большая бороздка расположена в противоположной области.

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

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

Две нити расположены антипараллельно, что означает, что они расположены противоположным образом по отношению к их полярности, а именно:

Кроме того, последовательность одной из цепей должна быть комплементарной ее партнеру, если это положение, в котором находится A, в антипараллельной цепи должна быть T.

организация

В каждой человеческой клетке примерно два метра ДНК, которые необходимо эффективно упаковать.

Нить необходимо уплотнить 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 обладают способностью связываться с молекулой ДНК, что является первым уровнем уплотнения цепи. Гистоны имеют положительные заряды, чтобы иметь возможность взаимодействовать с отрицательными зарядами ДНК, обеспечиваемыми фосфатами.

Гистоны - это белки, настолько важные для эукариотических организмов, что они практически не изменились в ходе эволюции - следует помнить, что низкая частота мутаций указывает на сильное избирательное давление на эту молекулу. Дефект в гистонах может привести к дефектному уплотнению ДНК.

Гистоны можно модифицировать биохимически, и этот процесс изменяет уровень уплотнения генетического материала.

Когда гистоны «гипоацетилированы», хроматин более конденсирован, поскольку ацетилированные формы нейтрализуют положительные заряды лизинов (положительно заряженных аминокислот) в белке.

Нуклеосомы и 30 нм волокно

Нить ДНК скручивается в гистоны, и они образуют структуры, напоминающие бусинки жемчужного ожерелья, называемые нуклеосомами. В основе этой структуры лежат две копии гистонов каждого типа: H2A, H2B, H3 и H4. Объединение различных гистонов называется «октамером гистонов».

Октамер окружен примерно 146 парами оснований, обведенными менее двух раз. Диплоидная клетка человека содержит примерно 6,4 x 10 ⁹ нуклеотидов, которые организованы в 30 миллионов нуклеосом.

Организация в нуклеосомы позволяет сжать ДНК до более чем трети ее первоначальной длины.

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

Хромосомы

Хромосомы - это функциональная единица наследственности, функция которой заключается в переносе генов человека. Ген - это сегмент ДНК, который содержит информацию для синтеза белка (или ряда белков). Однако есть также гены, кодирующие регуляторные элементы, такие как РНК.

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

Хромосомы - это структуры, состоящие из длинного линейного участка ДНК, связанного с упомянутыми выше белковыми комплексами. Обычно у эукариот весь генетический материал, содержащийся в ядре, делится на ряд хромосом.

Организация в прокариотах

Прокариоты - это организмы, у которых отсутствует ядро. У этих видов генетический материал сильно свернут вместе со щелочными белками с низким молекулярным весом. Таким образом, ДНК уплотняется и располагается в центральной части бактерий.

Некоторые авторы часто называют эту структуру «бактериальной хромосомой», хотя она не имеет тех же характеристик, что и эукариотическая хромосома.

Количество ДНК

Не все виды организмов содержат одинаковое количество ДНК. Фактически, это значение сильно различается между видами, и нет никакой связи между количеством ДНК и сложностью организма. Это противоречие известно как «парадокс C-ценности».

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

Например, геном двоякодышащей рыбы Protopterus aethiopicus имеет размер 132 пг (количество ДНК может быть определено в пикограммах = пг), в то время как геном человека весит всего 3,5 пг.

Следует помнить, что не вся ДНК организма кодирует белки, большая их часть связана 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 наиболее известной моделью. Однако есть еще две разные формы, называемые A-ДНК и Z-ДНК.

ДНК - А

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

A-ДНК вращается каждые 11 пар оснований, большая бороздка уже и глубже, чем B-ДНК. Что касается малой бороздки, она более поверхностная и широкая.

ДНК - Z

Третий вариант - Z-ДНК. Это самая узкая форма, образованная группой гексануклеотидов, организованных в дуплекс антипараллельных цепей. Одной из самых выдающихся особенностей этой формы является то, что она поворачивается влево, а двумя другими способами - вправо.

Z-ДНК появляется, когда короткие последовательности пиримидинов и пуринов чередуются друг с другом. Большая борозда плоская, а малая узкая и более глубокая по сравнению с B-ДНК.

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

Характеристики

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

Сообщение закодировано «биологическим алфавитом»: четырьмя упомянутыми ранее основами: A, T, G и C.

Сообщение может привести к образованию различных типов белков или коду какого-либо регуляторного элемента. Процесс, с помощью которого эти базы данных могут доставить сообщение, объясняется ниже:

Репликация, транскрипция и перевод

Сообщение, зашифрованное четырьмя буквами A, T, G и C, дает фенотип (не все последовательности ДНК кодируют белки). Для этого ДНК должна воспроизводиться в каждом процессе деления клеток.

Репликация ДНК полуконсервативна: одна цепь служит шаблоном для образования новой дочерней молекулы. Репликация, катализируемая рядом ферментов, включая ДНК-примазу, ДНК-геликазу, ДНК-лигазу и топоизомеразу.

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

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

Этот фермент отвечает за копирование сообщения ДНК и преобразование его в молекулу информационной РНК. Другими словами, цель транскрипции - получить посланника.

Наконец, благодаря рибосомам происходит перевод сообщения в молекулы информационной РНК.

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

Генетический код

Сообщение читается «тройками» или группами из трех букв, которые определяют аминокислоту - строительные блоки белков. Расшифровать послание троек возможно, так как генетический код уже полностью раскрыт.

Трансляция всегда начинается с аминокислоты метионина, которая кодируется начальным триплетом: AUG. «U» представляет собой основание урацила и характерно для РНК и заменяет тимин.

Например, если информационная РНК имеет следующую последовательность: AUG CCU CUU UUU UUA, она транслируется в следующие аминокислоты: метионин, пролин, лейцин, фенилаланин и фенилаланин. Обратите внимание, что два триплета - в данном случае UUU и UUA - могут кодировать одну и ту же аминокислоту: фенилаланин.

В связи с этим свойством считается, что генетический код является вырожденным, поскольку аминокислота кодируется более чем одной последовательностью триплетов, за исключением аминокислоты метионина, которая определяет начало трансляции.

Процесс останавливается с помощью определенных триплетов остановки или остановки: UAA, UAG и UGA. Они известны под названиями охра, янтарь и опал соответственно. Когда рибосома обнаруживает их, они больше не могут добавлять аминокислоты в цепь.

Химические и физические свойства

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

Растворы ДНК очень вязкие из-за способности сопротивляться деформации двойной спирали, которая очень жесткая. Вязкость уменьшается, если нуклеиновая кислота является одноцепочечной.

Это очень стабильные молекулы. По логике, эта характеристика должна быть незаменимой в структурах, несущих генетическую информацию. По сравнению с РНК, ДНК намного более стабильна, поскольку в ней отсутствует гидроксильная группа.

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

Количество тепла, которое необходимо приложить, зависит от процентного содержания G - C в молекуле, потому что эти основания связаны тремя водородными связями, увеличивая сопротивление разделению.

Что касается поглощения света, у них есть пик на 260 нанометрах, который увеличивается, если нуклеиновая кислота является одноцепочечной, поскольку нуклеотидные кольца обнажены, и они ответственны за поглощение.

эволюция

По данным Lazcano et al. 1988 год. ДНК возникает в переходных стадиях от РНК, что является одним из важнейших событий в истории жизни.

Авторы предлагают три этапа: первый период, когда существовали молекулы, подобные нуклеиновым кислотам, позже геномы состояли из РНК, и в качестве последнего этапа появились геномы с двойной полосой ДНК.

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

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

Эволюционная инновация молекулы ДНК должна была потребовать присутствия ферментов, которые синтезируют предшественники ДНК и участвуют в обратной транскрипции 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 неортологичных замен.

Секвенирование ДНК

Секвенирование ДНК состоит из выяснения последовательности нити ДНК с точки зрения четырех оснований, составляющих ее.

Знание этой последовательности имеет первостепенное значение в биологических науках. Его можно использовать для различения двух морфологически очень похожих видов, для обнаружения болезней, патологий или паразитов и даже для судебной медицины.

Секвенирование по Сэнгеру было разработано в 1900-х годах и представляет собой традиционный метод уточнения последовательности. Несмотря на свой возраст, это действенный метод, широко используемый исследователями.

Метод Сенгера

В этом методе используется ДНК-полимераза, высоконадежный фермент, который реплицирует ДНК в клетках, синтезируя новую цепь ДНК, используя в качестве ориентира уже существующую. Ферменту требуется праймер для инициации синтеза. Праймер - это небольшая молекула ДНК, комплементарная молекуле, подлежащей секвенированию.

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

Помимо «традиционных» нуклеотидов, метод включает серию дидезоксинуклеотидов для каждого из оснований. Они отличаются от стандартных нуклеотидов двумя характеристиками: структурно они не позволяют ДНК-полимеразе добавлять больше нуклеотидов к дочерней цепи, и у них есть свой флуоресцентный маркер для каждого основания.

В результате получается множество молекул ДНК разной длины, поскольку дидезоксинуклеотиды включались случайным образом и останавливали процесс репликации на разных стадиях.

Это множество молекул можно разделить по их длине, а идентичность нуклеотидов считывается с помощью излучения света от флуоресцентной метки.

Секвенирование следующего поколения

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

Среди наиболее известных методов - пиросеквенирование, секвенирование путем синтеза, секвенирование путем 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: Наука о гирляндах. Структура и функция ДНК. Доступно на: ncbi.nlm.nih.gov/
2. Альбертс Б., Джонсон А., Льюис Дж. И др. (2002). Молекулярная биология клетки. 4-е издание. Нью-Йорк: Наука о гирляндах. Хромосомная ДНК и ее упаковка в хроматиновом волокне. Доступно на: ncbi.nlm.nih.gov
3. Берг, Дж. М., Тимочко, Дж. Л., Страйер, Л. (2002). Биохимия. 5-е издание. Нью-Йорк: WH Freeman. Раздел 27.1, ДНК может принимать различные структурные формы. Доступно на: ncbi.nlm.nih.gov
4. Фиерро, А. (2001). Краткая история открытия структуры ДНК. Преподобный Méd Clínica Las Condes, 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 Bioscience. Остин (Техас): Landes Bioscience. Доступно на: 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. Лодиш Х., Берк А., Зипурски С.Л. и др. (2000). Молекулярная клеточная биология. 4-е издание. Нью-Йорк: WH Freeman. Раздел 9.5, Организация клеточной ДНК в хромосомы. Доступно по адресу: ncbi.nlm.nih.gov/books
8. Воет, Д., Воет, Дж. Г., и Пратт, CW (1999). Основы биохимии. Нью-Йорк: Джон Уилли и сыновья.