DNK: POVIJEST, FUNKCIJE, STRUKTURA, KOMPONENTE - BIOLOGIJA - 2025

DNK (dezoksiribonukleinske kiseline) je biomolekula sadrži sve informacije potrebne za generiranje tijelo i održavati svoj rad. Sastoji se od jedinica koje se nazivaju nukleotidi, koje zauzvrat čine fosfatna skupina, molekula šećera sa pet ugljika i dušična baza.

Postoje četiri dušične baze: adenin (A), citozin (C), gvanin (G) i timin (T). Adenin se uvijek pali s timinom, a gvanin s citozinom. Poruka koja se nalazi u lancu DNA pretvara se u mesna RNA i ona sudjeluje u sintezi proteina.

DNK je izuzetno stabilna molekula, negativno nabijena pri fiziološkom pH, koja se povezuje s pozitivnim proteinima (histonima) kako bi se učinkovito zbijela u jezgri eukariotskih stanica. Dugi lanac DNK, zajedno s raznim povezanim proteinima, tvori kromosom.

Povijest

Godine 1953., Amerikanac James Watson i Britanac Francis Crick uspjeli su rasvijetliti trodimenzionalnu strukturu DNA zahvaljujući radu na kristalografiji koji su izveli Rosalind Franklin i Maurice Wilkins. Svoje zaključke temeljili su i na radu drugih autora.

Kad je DNA izložena rendgenskim zracima, formira se difrakcijski obrazac koji se može upotrijebiti za zaključivanje strukture molekule: spirala dvaju antiparalnih lanaca koji se okreću udesno, gdje su oba lanca spojena vodikovim vezama između baza., Dobiven je obrazac:

Struktura se može pretpostaviti slijedeći Braggove zakone difrakcije: kada je objekt smješten usred snopa rendgenske zrake, on se reflektira jer elektroni objekta međusobno djeluju sa snopom.

25. travnja 1953., rezultati Watson-a i Cricka objavljeni su u prestižnom časopisu Nature, u članku od samo dvije stranice pod naslovom "Molekularna struktura nukleinskih kiselina", što bi u potpunosti promijenilo polje biologije.

Zahvaljujući ovom otkriću, istraživači su 1962. dobili Nobelovu nagradu za medicinu, s izuzetkom Franklina koji je umro prije poroda. Trenutno je ovo otkriće jedan od glavnih pokazatelja uspjeha znanstvene metode u stjecanju novih znanja.

komponente

Molekula DNA sastoji se od nukleotida, jedinica koje čine šećer od pet ugljika vezan za fosfatnu skupinu i dušičnu bazu. Vrsta šećera koja se nalazi u DNK je deoksiriboza i odatle i naziv, deoksiribonukleinska kiselina.

Da bi formirali lanac, nukleotidi su kovalentno povezani vezom tipa fosfodiestera kroz 3'-hidroksilnu skupinu (-OH) od šećera i 5'-fosfafo sljedećeg nukleotida.

Nukleotide ne treba miješati s nukleozidima. Potonji se odnosi na dio nukleotida koji nastaje samo pentozom (šećerom) i dušičnom bazom.

DNK čine četiri vrste dušičnih baza: adenin (A), citozin (C), gvanin (G) i timin (T).

Baza dušika razvrstana je u dvije kategorije: purini i pirimidini. Prvu skupinu čini prsten od pet atoma pričvršćen na drugi prsten od šest, dok se pirimidini sastoje od samo jednog prstena.

Od spomenutih baza, adenin i gvanin su derivati ​​purina. Suprotno tome, timin, citozin i uracil (prisutni u molekuli RNA) pripadaju skupini pirimidina.

Struktura

Molekula DNA sastoji se od dva lanca nukleotida. Ovaj "lanac" poznat je kao lanac DNA.

Dvije niti su povezane vodikovim vezama između komplementarnih baza. Baza dušika kovalentno je povezana s kralježnicom šećera i fosfata.

Svaki nukleotid koji se nalazi na jednoj niti može biti spojen s drugim specifičnim nukleotidom na drugom lancu, tako da nastaje dobro poznata dvostruka spirala. Da bi se stvorila učinkovita struktura, A se uvijek spaja s T pomoću dvije vodikove veze, a G s C s tri veze.

Chargaffov zakon

Ako proučimo udjele dušičnih baza u DNK, ustanovit ćemo da je količina A jednaka količini T i jednaka je s G i C. Ovaj obrazac poznat je kao Chargaffov zakon.

Ovo je uparivanje energetski povoljno, jer omogućava očuvanje slične širine duž strukture, održavanje slične udaljenosti duž molekule kralježnice šećera-fosfata. Imajte na umu da se baza prstena spaja s jednim od prstena.

Model s dvostrukom spiralom

Predlaže se da se dvostruka spirala sastoji od 10,4 nukleotida po okretaju, razdvojenih udaljenost od centra do centra od 3,4 nanometara. Proces kotrljanja stvara tvorbu utora u strukturi, tako da se može promatrati veći i manji utor.

Žljebovi nastaju jer glikozidne veze u baznim parovima nisu nasuprot jedna drugoj, s obzirom na njihov promjer. Pirimidin O-2 i purin N-3 nalaze se u manjem utoru, dok se glavni utor nalazi u suprotnom području.

Ako upotrijebimo analogiju ljestvi, trake se sastoje od komplementarnih parova podloga međusobno, dok kostur odgovara dvjema tračnicama.

Krajevi molekule DNA nisu isti, zbog čega govorimo o „polarnosti“. Jedan od njegovih krajeva, 3 ', sadrži -OH skupinu, dok kraj 5' ima skupinu slobodnog fosfata.

Dvije niti su smještene antiparalno, što znači da su smještene na suprotan način u odnosu na njihove polaritete, kako slijedi:

Pored toga, slijed jednog od niti mora biti komplementaran njegovom partneru, ako je položaj u kojem postoji A, u antiparalnom lancu mora biti T.

Organizacija

U svakoj ljudskoj stanici postoji otprilike dva metra DNK koja se mora učinkovito pakirati.

Lanac mora biti zbijen tako da se može nalaziti u mikroskopskoj jezgri promjera 6 μm koja zauzima samo 10% volumena stanice. To je moguće zahvaljujući sljedećim razinama zbijanja:

histoni

U eukariotama postoje proteini zvani histoni, koji se imaju sposobnost vezanja na molekulu DNA, što je prva razina zbijanja niti. Histoni imaju pozitivne naboje da mogu komunicirati s negativnim nabojima DNA, kojeg osiguravaju fosfati.

Histoni su proteini toliko važni za eukariotske organizme da su tijekom evolucije bili gotovo nepromijenjeni - imajući na umu da niska stopa mutacija ukazuje na to da su selektivni pritisci na tu molekulu snažni. Poraz histona može rezultirati neispravnim sabijanjem DNA.

Histoni se mogu biokemijski modificirati i ovim postupkom se mijenja stupanj zbijanja genetskog materijala.

Kad se histoni "hipoacetiliraju", kromatin se kondenzira više, jer acetilirani oblici neutraliziraju pozitivne naboje lizina (pozitivno nabijene aminokiseline) u proteinu.

Nukleozomi i vlakna od 30 nm

Vlakna DNA uvija se u histone i tvore strukture koje nalikuju perlicama na bisernoj ogrlici, nazvanoj nukleosomi. U srcu ove strukture nalaze se dvije kopije histona svake vrste: H2A, H2B, H3 i H4. Ujedinjenje različitih histona naziva se "histonski oktamer".

Oktamer je okružen s oko 146 parova baze, koji kruže manje od dva puta. Ljudska diploidna stanica sadrži otprilike 6,4 x 10 ⁹ nukleotida koji su organizirani u 30 milijuna nukleosoma.

Organiziranje u nukleosome omogućava sabijanje DNK na više od trećine izvorne duljine.

U procesu ekstrakcije genetskog materijala u fiziološkim uvjetima, uočeno je da su nukleosomi raspoređeni u vlaknu od 30 nanometara.

kromosomi

Kromosomi su funkcionalna jedinica nasljednosti čija je funkcija prenošenje gena jedinke. Gen je segment DNA koji sadrži informaciju za sintezu proteina (ili serije proteina). Međutim, postoje i geni koji kodiraju regulatorne elemente, poput RNA.

Sve ljudske stanice (s izuzetkom gameta i krvnih stanica) imaju dvije kopije svakog kromosoma, jednu naslijeđenu od oca, a drugu od majke.

Kromosomi su strukture sastavljene od dugog linearnog dijela DNK povezanog s proteinskim kompleksima spomenutim gore. Normalno je u eukariotama sav genetski materijal uključen u jezgru podijeljen u niz kromosoma.

Organizacija u prokariote

Prokarioti su organizmi kojima nedostaje jezgra. U tim je vrstama genetski materijal visoko omotan zajedno s alkalnim proteinima niske molekularne težine. Na taj se način kompaktira DNA i nalazi se u središnjem dijelu bakterije.

Neki autori često ovu strukturu nazivaju "bakterijskim kromosomom", iako nema iste karakteristike kao eukariotski kromosom.

Količina DNK

Ne sadrže sve vrste organizama jednaku količinu DNK. Zapravo, ta vrijednost je vrlo različita između vrsta i nema veze između količine DNK i složenosti organizma. Ta je kontradikcija poznata kao "paradoks vrijednosti C".

Logično bi obrazloženje bilo intuitirati da što je organizam složeniji, to ima i više DNK. Međutim, to po prirodi nije istina.

Na primjer, genom pluća Protopterus aethiopicus je veličine 132 pg (DNK se može kvantificirati u picogramima = pg), dok ljudski genom teži samo 3,5 pg.

Moramo imati na umu da nije sva DNK organizma kodirana za proteine, velika količina toga povezana je s regulatornim elementima i s različitim vrstama RNA.

Strukturni oblici DNK

Model Watson i Crick, izveden iz rendgenskih difrakcijskih obrazaca, poznat je kao spirala B-DNA i "tradicionalni" i najpoznatiji model. Međutim, postoje i dva drugačija oblika, koji se nazivaju A-DNA i Z-DNA.

DNK - A

Varijanta "A" rotira se udesno, baš kao i B-DNA, ali je kraća i šira. Ovaj se oblik pojavljuje kada se relativna vlaga smanji.

A-DNA se rotira na svakih 11 parova baze, glavni utor je uži i dublji od B-DNK. Što se tiče manjeg utora, ovo je više površno i široko.

DNK - Z

Treća varijanta je Z-DNA. To je najuži oblik, formiran grupom heksanukleotida organiziranih u dupleksu antiparalnih lanaca. Jedna od najistaknutijih karakteristika ovog oblika je ta da se skreće ulijevo, dok druga dva načina to čine desno.

Z-DNA se pojavljuje kad postoje kratki nizovi pirimidina i purina koji se izmjenjuju jedan s drugim. Glavni sulkus je ravan, a manji je uzak i dublji, u usporedbi s B-DNK.

Iako je u fiziološkim uvjetima molekula DNA uglavnom u svom B obliku, postojanje opisanih dviju varijanti otkriva fleksibilnost i dinamičnost genetskog materijala.

Značajke

Molekula DNA sadrži sve informacije i upute potrebne za izgradnju organizma. Kompletni skup genetskih informacija u organizmima naziva se genom.

Poruka je kodirana "biološkim abecedom": četiri spomenute baze, A, T, G i C.

Poruka može dovesti do stvaranja različitih vrsta proteina ili kod za neki regulatorni element. Niže je objašnjen postupak kojim te baze podataka mogu dostaviti poruku:

Replikacija, transkripcija i prijevod

Poruka šifrirana u četiri slova A, T, G i C rezultira fenotipom (nisu svi DNK nizovi kodirani za proteine). Da bi se to postiglo, DNK se mora replicirati u svakom procesu dijeljenja stanica.

Umnožavanje DNK polukonzervativno je: jedan je niz služi kao predložak za stvaranje nove kćeričke molekule. Replikaciju katalizira niz različitih enzima, uključujući DNA primazu, DNA helikazu, DNA ligazu i topoizomerazu.

Nakon toga, poruka - napisana jezikom baznog niza - mora se prenijeti na intermedijarnu molekulu: RNA (ribonukleinska kiselina). Taj se postupak naziva transkripcija.

Da bi se desila transkripcija, različiti enzimi moraju sudjelovati, uključujući RNA polimerazu.

Ovaj enzim odgovoran je za kopiranje DNK poruke i pretvaranje u molekulu RNA glasnika. Drugim riječima, cilj transkripcije je dobiti glasnika.

Konačno, dolazi do prevođenja poruke u glasnike RNA glasnika, zahvaljujući ribosomima.

Ove strukture preuzimaju mesnatu RNK i zajedno s mehanizmima za prevođenje formiraju navedeni protein.

Genetski kod

Poruka se čita u "trojkama" ili skupinama od tri slova koja određuju aminokiselinu - građevne bjelančevine. Moguće je dešifrirati poruku trojki jer je genetski kod već u potpunosti otkriven.

Prijevod uvijek započinje aminokiselinom metioninom koja je kodirana polaznim tripletom: AUG. "U" predstavlja bazni uracil i karakterističan je za RNK i supstituira timin.

Na primjer, ako poruka RNA ima sljedeći slijed: AUG CCU CUU UUU UUA, ona se prevodi u sljedeće aminokiseline: metionin, prolin, leucin, fenilalanin i fenilalanin. Imajte na umu da dvije trojke - u ovom slučaju UUU i UUA - mogu kodirati istu aminokiselinu: fenilalanin.

Zbog ovog svojstva kaže se da je genetski kod degeneriran, budući da je aminokiselina kodirana s više od jednog niza trostrukih, osim aminokiseline metionin koja diktira početak translacije.

Proces se zaustavlja s određenim trostrukim zaustavljanjem ili zaustavljanjem: UAA, UAG i UGA. Poznati su pod imenima oker, jantar i opali. Kad ih ribosom otkrije, više ne mogu dodavati više aminokiselina u lanac.

Kemijska i fizikalna svojstva

Nukleinske kiseline su kisele prirode i topive su u vodi (hidrofilne). Može doći do stvaranja vodikovih veza između fosfatnih skupina i hidroksilnih skupina pentoza s vodom. Pri fiziološkom pH negativno se nabije.

Otopine DNA su visoko viskozne, zbog sposobnosti otpora deformacije dvostruke spirale, koja je vrlo kruta. Viskoznost se smanjuje ako je nukleinska kiselina jednolančana.

Oni su visoko stabilne molekule. Logično je da ova karakteristika mora biti nezamjenjiva u strukturama koje nose genetske informacije. U odnosu na RNA, DNK je mnogo stabilnija jer nedostaje hidroksilna skupina.

DNA se može toplotno denaturirati, to jest, niti se razdvajaju kada je molekula izložena visokim temperaturama.

Količina topline koja se mora primijeniti ovisi o postotku molekule G - C, jer su te baze povezane s tri vodikove veze, povećavajući otpornost na odvajanje.

Što se tiče apsorpcije svjetlosti, oni imaju vrh na 260 nanometara, koji se povećava ako je nukleinska kiselina jednolančana, jer su nukleotidni prstenovi izloženi i oni su odgovorni za apsorpciju.

Evolucija

Prema Lazcanu i sur. DNK iz 1988. iz RNA izlazi u fazama tranzicije, što je jedan od najvažnijih događaja u povijesti života.

Autori predlažu tri stupnja: prvo razdoblje u kojem su postojale molekule slične nukleinskim kiselinama, kasnije su se genomi sastojali od RNA, a kao posljednja faza pojavila su se dvostruka vrpca DNA DNA.

Neki dokazi govore u prilog teoriji primarnog svijeta koja se temelji na RNA. Prvo, sinteza proteina može se dogoditi u nedostatku DNK, ali ne i kada RNA nedostaje. Nadalje, otkrivene su molekule RNA s katalitičkim svojstvima.

Što se tiče sinteze deoksiribonukleotida (prisutnih u DNK), oni uvijek potječu iz redukcije ribonukleotida (prisutnih u RNA).

Evolucijska inovacija molekule DNK morala je zahtijevati prisustvo enzima koji sintetiziraju prekursore DNK i koji sudjeluju u obrnutoj transkripciji RNA.

Proučavanjem trenutnih enzima može se zaključiti da su se ovi proteini razvili nekoliko puta i da je prijelaz iz RNA u DNK složeniji nego što se ranije vjerovalo, uključujući procese prijenosa i gubitka gena i ne-ortoloških zamjena.

Sekvence DNA

Redoslijed DNK sastoji se u rasvjetljavanju slijeda lanca DNK u odnosu na četiri baze koje ga čine.

Poznavanje ovog slijeda od najveće je važnosti u biološkim znanostima. Može se koristiti za razlikovanje dviju morfološki vrlo sličnih vrsta, za otkrivanje bolesti, patologija ili parazita, pa čak ima i forenzičku primjenjivost.

Sanger sekvenciranje razvijeno je u 1900-ima i tradicionalna je tehnika razjašnjenja slijeda. Unatoč svojoj starosti, to je valjana metoda i široko je korištena od strane istraživača.

Sanger metoda

Metoda koristi DNK polimerazu, visoko pouzdan enzim koji umnožava DNK u stanicama, sintetizirajući novi lanac DNK koristeći prethodno postojeću kao vodič. Za enzim je potreban temeljni premaz za pokretanje sinteze. Primer je mala molekula DNA koja se nadovezuje na molekulu koja će biti sekvencirana.

U reakciji se dodaju nukleotidi koji će enzim biti ugrađeni u novi lanac DNK.

Pored "tradicionalnih" nukleotida, metoda uključuje niz dideoksinukleotida za svaku od baza. Razlikuju se od standardnih nukleotida po dvije karakteristike: strukturno ne dopuštaju DNK polimerazi da doda više nukleotida kćeričkom lancu i imaju različit fluorescentni marker za svaku bazu.

Rezultat je raznolikost molekula DNA različite duljine, budući da su dideoksinukleotidi ugrađeni nasumično i zaustavili proces replikacije u različitim fazama.

Ova raznolikost molekula može se odvojiti prema njihovoj duljini, a identitet nukleotida očitava pomoću emisije svjetlosti iz fluorescentne oznake.

Redoslijed sljedeće generacije

Tehnike sekvenciranja razvijene posljednjih godina omogućuju masovnu analizu milijuna uzoraka istovremeno.

Među najistaknutijim metodama su pirokvencioniranje, sekvenciranje sintezom, sekvenciranje ligacijom i slijeđenje sljedeće generacije Ion Torrentom.

Reference

1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J. i sur. (2002). Molekularna biologija stanice. 4. izdanje. New York: Garland Science. Struktura i funkcija DNA. Dostupno na: ncbi.nlm.nih.gov/
2. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J. i sur. (2002). Molekularna biologija stanice. 4. izdanje. New York: Garland Science. Kromosomska DNK i njeno pakiranje u kromatinskim vlaknima. Dostupno na: ncbi.nlm.nih.gov
3. Berg, JM, Tymoczko, JL, Stryer, L. (2002). Biokemija. 5. izdanje New York: WH Freeman. Odjeljak 27.1., DNA može pretpostaviti različite strukturne oblike. Dostupno na: ncbi.nlm.nih.gov
4. Fierro, A. (2001). Kratka povijest otkrića strukture DNK. Rev Méd Clínica Las Condes, 20, 71-75.
5. Forterre, P., Filée, J. & Myllykallio, H. (2000-2013) Podrijetlo i evolucija DNK i uređaja za umnožavanje DNK. U: Baza podataka o bioznanosti Madame Curie. Austin (TX): Landes Bioscience. Dostupno na: ncbi.nlm.nih.gov
6. Lazcano, A., Guerrero, R., Margulis, L., & Oro, J. (1988). Evolucijski prijelaz iz RNA u DNA u ranim stanicama. Časopis za molekularnu evoluciju, 27 (4), 283-290.
7. Lodish, H., Berk, A., Zipursky, SL, et al. (2000). Molekularna stanična biologija. 4. izdanje. New York: WH Freeman. Odjeljak 9.5. Organiziranje stanične DNA u kromosome. Dostupno na: ncbi.nlm.nih.gov/books
8. Voet, D., Voet, JG, & Pratt, CW (1999). Osnove biokemije. New York: John Willey i sinovi.