DNA: HISTÓRIA, FUNKCIE, ŠTRUKTÚRA, KOMPONENTY - BIOLÓGIE - 2026

DNA (deoxyribonukleová kyselina) je biomolekuly obsahuje všetky informácie potrebné pre generovanie telo a udržiavať jeho prevádzku. Skladá sa z jednotiek nazývaných nukleotidy, ktoré sú zase tvorené fosfátovou skupinou, molekulou cukru s 5 atómami uhlíka a dusíkatou zásadou.

Existujú štyri dusíkaté bázy: adenín (A), cytozín (C), guanín (G) a tymín (T). Adenín sa vždy spáruje s tymínom a guanínom s cytozínom. Správa obsiahnutá v reťazci DNA sa transformuje na messengerovú RNA, ktorá sa podieľa na syntéze proteínov.

DNA je extrémne stabilná molekula negatívne nabitá pri fyziologickom pH, ktorá sa asociuje s pozitívnymi proteínmi (histónmi), aby účinne zhutňovala jadro eukaryotických buniek. Dlhý reťazec DNA spolu s rôznymi pridruženými proteínmi tvoria chromozóm.

histórie

V roku 1953 sa americkému Jamesovi Watsonovi a Britovi Francisovi Crickovi podarilo objasniť trojrozmernú štruktúru DNA vďaka práci v kryštalografii, ktorú vykonali Rosalind Franklin a Maurice Wilkins. Svoje závery založili aj na práci iných autorov.

Keď je DNA vystavená röntgenovým lúčom, vytvorí sa difrakčný obrazec, ktorý sa môže použiť na odvodenie štruktúry molekuly: skrutkovica dvoch antiparalelných reťazcov, ktoré rotujú doprava, kde sú oba reťazce spojené vodíkovými väzbami medzi bázami. , Získal sa nasledujúci vzorec:

Štruktúra sa dá predpokladať podľa Braggových zákonov difrakcie: keď je objekt vložený do stredu röntgenového lúča, odráža sa, pretože elektróny objektu interagujú s lúčom.

25. apríla 1953 boli výsledky Watsona a Cricka uverejnené v prestížnom časopise Nature, v článku iba na dvoch stranách s názvom „Molekulárna štruktúra nukleových kyselín“, ktorý by úplne revolucionizoval oblasť biológie.

Vďaka tomuto objavu dostali vedci v roku 1962 Nobelovu cenu za medicínu, s výnimkou Franklina, ktorý zomrel pred pôrodom. V súčasnosti je tento objav jedným z veľkých vývozcov úspechu vedeckej metódy na získanie nových poznatkov.

súčasti

Molekula DNA je tvorená nukleotidmi, jednotkami tvorenými päť uhlíkovým cukrom pripojeným k fosfátovej skupine a dusíkatou bázou. Druh cukru nájdený v DNA je deoxyribózový typ, a preto jeho názov, deoxyribonukleová kyselina.

Na vytvorenie reťazca sú nukleotidy kovalentne spojené väzbou fosfodiesterového typu prostredníctvom 3'-hydroxylovej skupiny (-OH) z cukru a 5'-fosfafu nasledujúceho nukleotidu.

Nukleotidy by sa nemali zamieňať s nukleozidmi. Ten sa týka časti nukleotidu tvoreného iba pentózou (cukor) a dusíkatou zásadou.

DNA sa skladá zo štyroch typov dusíkatých báz: adenín (A), cytozín (C), guanín (G) a tymín (T).

Dusíkaté bázy sú rozdelené do dvoch kategórií: puríny a pyrimidíny. Prvá skupina pozostáva z kruhu s piatimi atómami viazaného k ďalšiemu kruhu so šiestimi, zatiaľ čo pyrimidíny sa skladajú iba z jedného kruhu.

Z uvedených báz sú adenín a guanín deriváty purínov. Naopak, do skupiny pyrimidínov patrí tymín, cytozín a uracil (prítomné v molekule RNA).

štruktúra

Molekula DNA sa skladá z dvoch reťazcov nukleotidov. Tento „reťazec“ je známy ako reťazec DNA.

Tieto dva reťazce sú spojené vodíkovými väzbami medzi komplementárnymi bázami. Dusíkové bázy sú kovalentne spojené s kostrou cukrov a fosfátov.

Každý nukleotid nachádzajúci sa na jednom vlákne môže byť spojený s iným špecifickým nukleotidom na druhom vlákne za vzniku dobre známej dvojitej špirály. Aby sa vytvorila účinná štruktúra, A sa vždy spojí s T pomocou dvoch vodíkových väzieb a G s C tromi väzbami.

Chargaffov zákon

Ak študujeme podiely dusíkatých báz v DNA, zistíme, že množstvo A je totožné s množstvom T a rovnaké s G a C. Tento model je známy ako Chargaffov zákon.

Toto párovanie je energeticky výhodné, pretože umožňuje zachovať podobnú šírku pozdĺž štruktúry a udržiavať podobnú vzdialenosť pozdĺž hlavnej molekuly molekuly cukru a fosfátu. Všimnite si, že základňa prsteňa sa spája s jedným z prsteňov.

Dvojitý skrutkovitý model

Navrhuje sa, aby dvojitá špirála bola zložená z 10,4 nukleotidov na otáčku, oddelených vzdialenosťou medzi stredmi 3,4 nanometrov. Proces valcovania vedie k tvorbe drážok v konštrukcii, pričom je možné pozorovať väčšiu a menšiu drážku.

Drážky vznikajú, pretože glykozidické väzby v pároch báz nie sú navzájom proti sebe, pokiaľ ide o ich priemer. Pyrimidín O-2 a purín N-3 sa nachádzajú v malej drážke, zatiaľ čo hlavná drážka sa nachádza v opačnej oblasti.

Ak použijeme analógiu rebríka, sú priečky tvorené navzájom komplementárnymi pármi báz, pričom kostra zodpovedá dvom drapákom.

Konce molekuly DNA nie sú rovnaké, preto hovoríme o „polarite“. Jeden z jeho koncov, 3 ', nesie skupinu -OH, zatiaľ čo 5' koniec má voľnú fosfátovú skupinu.

Dva pramene sú umiestnené antiparalelne, čo znamená, že sú vzhľadom na svoju polaritu umiestnené opačným spôsobom:

Okrem toho musí byť sekvencia jedného z prameňov komplementárna k jeho partnerovi, ak je to poloha A, v antiparalelnom prúžku musí byť T.

Organizácia

V každej ľudskej bunke sú približne dva metre DNA, ktoré sa musia účinne zabaliť.

Prameň musí byť zhutnený tak, aby mohol byť obsiahnutý v mikroskopickom jadre s priemerom 6 μm, ktoré zaberá iba 10% objemu bunky. Je to možné vďaka týmto úrovniam zhutnenia:

históny

V eukaryotoch sú proteíny nazývané históny, ktoré majú schopnosť viazať sa na molekulu DNA, čo je prvá úroveň zhutnenia vlákna. Históny majú pozitívne náboje, aby mohli interagovať s negatívnymi nábojmi DNA, ktoré poskytujú fosfáty.

Históny sú proteíny tak dôležité pre eukaryotické organizmy, že sa v priebehu evolúcie prakticky nezmenili - pamätajúc na to, že nízka miera mutácií naznačuje, že selektívne tlaky na túto molekulu sú silné. Defekt v histónoch by mohol mať za následok chybné zhutnenie DNA.

Históny môžu byť biochemicky modifikované a tento proces modifikuje úroveň zhutnenia genetického materiálu.

Keď sú históny „hypoacetylované“, chromatín je viac kondenzovaný, pretože acetylované formy neutralizujú kladné náboje lyzínov (pozitívne nabité aminokyseliny) v proteíne.

Nukleozómy a vlákno 30 nm

Reťazec DNA sa krúti na históny a vytvára štruktúry, ktoré sa podobajú guľôčkam na perlovom náhrdelníku, ktoré sa nazývajú nukleozómy. Jadrom tejto štruktúry sú dve kópie každého typu histónu: H2A, H2B, H3 a H4. Spojenie rôznych histónov sa nazýva „histónový oktamér“.

Oktamér je obklopený asi 146 pármi báz, krúžiacimi menej ako dvakrát. Ľudská diploidná bunka obsahuje približne 6,4 x ¹⁰⁹ nukleotidov, ktoré sú usporiadané do 30 miliónov nukleozómov.

Organizácia na nukleozómy umožňuje zhutnenie DNA na viac ako tretinu pôvodnej dĺžky.

V procese extrakcie genetického materiálu za fyziologických podmienok sa pozoruje, že nukleozómy sú usporiadané vo vlákne 30 nanometrov.

chromozómy

Chromozómy sú funkčnou jednotkou dedičnosti, ktorej funkciou je prenášať gény jednotlivca. Gén je segment DNA, ktorý obsahuje informácie na syntézu proteínu (alebo série proteínov). Existujú však aj gény, ktoré kódujú regulačné prvky, ako je RNA.

Všetky ľudské bunky (s výnimkou gamét a krviniek) majú dve kópie každého chromozómu, jednu dedenú od otca a druhú od matky.

Chromozómy sú štruktúry tvorené dlhou lineárnou časťou DNA spojenou s vyššie uvedenými proteínovými komplexmi. Normálne je v eukaryotoch všetok genetický materiál obsiahnutý v jadre rozdelený do série chromozómov.

Organizácia prokaryotov

Prokaryoty sú organizmy, ktoré nemajú jadro. U týchto druhov je genetický materiál vysoko stočený spolu s alkalickými proteínmi s nízkou molekulovou hmotnosťou. Týmto spôsobom je DNA zhutnená a umiestnená v centrálnej oblasti baktérií.

Niektorí autori často nazývajú túto štruktúru „bakteriálnym chromozómom“, hoci nemá rovnaké vlastnosti ako eukaryotický chromozóm.

Množstvo DNA

Nie všetky druhy organizmov obsahujú rovnaké množstvo DNA. V skutočnosti je táto hodnota medzi druhmi veľmi premenlivá a neexistuje žiadny vzťah medzi množstvom DNA a zložitosťou organizmu. Tento rozpor sa nazýva paradox „hodnoty C“.

Logickým zdôvodnením by bolo intuitívne, že čím zložitejší je organizmus, tým viac DNA má. Vo svojej podstate to však nie je pravda.

Napríklad genóm pľúc Protopterus aethiopicus má veľkosť 132 pg (DNA sa dá kvantifikovať v pikogramoch = pg), zatiaľ čo ľudský genóm váži iba 3,5 pg.

Je potrebné si uvedomiť, že nie všetky DNA organizmu kódujú proteíny, ich veľké množstvo súvisí s regulačnými prvkami as rôznymi druhmi RNA.

Štrukturálne formy DNA

Model Watsona a Cricka, odvodený z rôntgenových difraktogramov, je známy ako skrutkovica B-DNA a je „tradičným“ a najznámejším modelom. Existujú však dve ďalšie formy, ktoré sa nazývajú A-DNA a Z-DNA.

DNA - A

Variant „A“ sa otáča doprava, rovnako ako B-DNA, ale je kratšia a širšia. Táto forma sa objaví, keď klesá relatívna vlhkosť.

A-DNA rotuje každých 11 párov báz, hlavná drážka je užšia a hlbšia ako B-DNA. Pokiaľ ide o menšie drážky, je to povrchnejšie a širšie.

DNA - Z

Tretí variant je Z-DNA. Je to najužšia forma tvorená skupinou hexanukleotidov usporiadaných do duplexu antiparalelných reťazcov. Jedným z najvýraznejších znakov tohto tvaru je, že sa otáča doľava, zatiaľ čo ostatné dva spôsoby to robia doprava.

Z-DNA sa objaví, keď sa medzi sebou striedajú krátke sekvencie pyrimidínov a purínov. Hlavný sulcus je plochý a menší je úzky a hlbší v porovnaní s B-DNA.

Hoci je molekula DNA za fyziologických podmienok väčšinou vo forme B, existencia dvoch opísaných variantov odhaľuje flexibilitu a dynamiku genetického materiálu.

Vlastnosti

Molekula DNA obsahuje všetky informácie a pokyny potrebné na vytvorenie organizmu. Úplný súbor genetických informácií v organizmoch sa nazýva genóm.

Správa je kódovaná „biologickou abecedou“: vyššie uvedenými štyrmi základňami, A, T, G a C.

Správa môže viesť k tvorbe rôznych typov proteínov alebo kódu pre určitý regulačný prvok. Postup, ktorým tieto databázy môžu doručiť správu, je vysvetlený nižšie:

Replikácia, prepis a preklad

Výsledkom správy kódovanej štyrmi písmenami A, T, G a C je fenotyp (nie všetky sekvencie DNA kódujú proteíny). Aby sa to dosiahlo, musí sa DNA replikovať v každom procese bunkového delenia.

Replikácia DNA je polokonzervatívna: jedno vlákno slúži ako templát pre tvorbu novej dcérskej molekuly. Replikácia katalyzovaná množstvom enzýmov, vrátane DNA primázy, DNA helikázy, DNA ligázy a topoizomerázy.

Následne sa správa - napísaná v jazyku základnej sekvencie - musí preniesť na intermediárnu molekulu: RNA (ribonukleová kyselina). Tento proces sa nazýva transkripcia.

Aby došlo k transkripcii, musia sa zúčastňovať rôzne enzýmy vrátane RNA polymerázy.

Tento enzým je zodpovedný za kopírovanie správy DNA a jej premenu na molekulu mediátora RNA. Inými slovami, cieľom transkripcie je získať posla.

Nakoniec dôjde k translácii správy na molekuly messenger RNA vďaka ribozómom.

Tieto štruktúry berú messengerovú RNA a spolu s translačným mechanizmom tvoria špecifikovaný proteín.

Genetický kód

Správa sa číta v „trojiciach“ alebo skupinách po troch písmenách, ktoré určujú aminokyselinu - stavebné bloky proteínov. Je možné rozlúštiť správu trojíc, pretože genetický kód už bol úplne odhalený.

Preklad vždy začína aminokyselinou metionín, ktorý je kódovaný východiskovým tripletom: AUG. "U" predstavuje bázický uracil a je charakteristický pre RNA a nahradzuje tymín.

Napríklad, ak messenger RNA má nasledujúcu sekvenciu: AUG CCU CUU UUU UUA, je translatovaná do nasledujúcich aminokyselín: metionín, prolín, leucín, fenylalanín a fenylalanín. Všimnite si, že dve triplety - v tomto prípade UUU a UUA - môžu kódovať rovnakú aminokyselinu: fenylalanín.

V dôsledku tejto vlastnosti sa hovorí, že genetický kód je degenerovaný, pretože aminokyselina je kódovaná viac ako jednou sekvenciou trojíc, s výnimkou aminokyseliny metionínu, ktorá určuje začiatok translácie.

Proces je zastavený konkrétnymi trojicami zastavenia alebo zastavenia: UAA, UAG a UGA. Sú známe pod menom okr, jantár a opál. Keď ich ribozóm zistí, nemôžu už do reťazca pridávať žiadne ďalšie aminokyseliny.

Chemické a fyzikálne vlastnosti

Nukleové kyseliny sú kyslej povahy a sú rozpustné vo vode (hydrofilné). Môže dôjsť k tvorbe vodíkových väzieb medzi fosfátovými skupinami a hydroxylovými skupinami pentóz s vodou. Pri fyziologickom pH je záporne nabitá.

Roztoky DNA sú vysoko viskózne kvôli kapacite dvojitej špirály odolnej proti deformácii, ktorá je veľmi tuhá. Viskozita klesá, ak je nukleová kyselina jednovláknová.

Sú to vysoko stabilné molekuly. Logicky musí byť táto vlastnosť nevyhnutná v štruktúrach, ktoré nesú genetickú informáciu. V porovnaní s RNA je DNA oveľa stabilnejšia, pretože nemá hydroxylovú skupinu.

DNA môže byť tepelne denaturovaná, to znamená, že vlákna sú oddelené, keď je molekula vystavená vysokým teplotám.

Množstvo tepla, ktoré sa musí aplikovať, závisí od percenta G - C molekuly, pretože tieto bázy sú spojené tromi vodíkovými väzbami, čo zvyšuje odolnosť voči separácii.

Pokiaľ ide o absorpciu svetla, majú pík pri 260 nanometroch, ktorý sa zvyšuje, ak je nukleová kyselina jednovláknová, pretože sú exponované nukleotidové kruhy a tieto sú zodpovedné za absorpciu.

vývoj

Podľa Lazcana a kol. 1988 DNA sa objavuje v prechodných fázach z RNA, čo je jedna z najdôležitejších udalostí v histórii života.

Autori navrhujú tri štádiá: prvé obdobie, kedy boli molekuly podobné nukleovým kyselinám, neskôr boli genómy tvorené RNA a ako posledné štádium sa objavili dvojpásmové DNA genómy.

Niektoré dôkazy podporujú teóriu primárneho sveta založeného na RNA. Po prvé, syntéza proteínov môže nastať v neprítomnosti DNA, ale nie v prípade, keď chýba RNA. Ďalej boli objavené molekuly RNA s katalytickými vlastnosťami.

Pokiaľ ide o syntézu deoxyribonukleotidov (prítomných v DNA), vždy pochádzajú z redukcie ribonukleotidov (prítomných v RNA).

Evolučná inovácia molekuly DNA musí vyžadovať prítomnosť enzýmov, ktoré syntetizujú prekurzory DNA a ktoré sa podieľajú na reverznej transkripcii RNA.

Štúdiom súčasných enzýmov možno dospieť k záveru, že tieto proteíny sa vyvinuli niekoľkokrát a že prechod z RNA na DNA je zložitejší, ako sa doteraz predpokladalo, vrátane procesov prenosu a straty génov a neortologických náhrad.

DNA sekvenovanie

DNA sekvenovanie spočíva v objasnení sekvencie DNA reťazca z hľadiska štyroch báz, ktoré ho tvoria.

Znalosť tejto postupnosti má mimoriadny význam v biologických vedách. Môže byť použitý na rozlíšenie medzi dvoma morfologicky veľmi podobnými druhmi, na detekciu chorôb, patológií alebo parazitov a dokonca má forenznú použiteľnosť.

Sangerove sekvenovanie bolo vyvinuté v roku 1900 a je tradičnou technikou na objasnenie sekvencie. Napriek svojmu veku je to platná metóda a vedci ju bežne používajú.

Sangerova metóda

Táto metóda využíva DNA polymerázu, vysoko spoľahlivý enzým, ktorý replikuje DNA v bunkách a syntetizuje nové vlákno DNA pomocou predtým existujúcej ako vodítko. Enzým vyžaduje na začatie syntézy primér. Primér je malá molekula DNA komplementárna s molekulou, ktorá sa má sekvenovať.

Pri reakcii sa pridajú nukleotidy, ktoré sa enzýmom začlenia do nového vlákna DNA.

Okrem „tradičných“ nukleotidov tento spôsob zahŕňa rad dideoxynukleotidov pre každú z báz. Líšia sa od štandardných nukleotidov v dvoch vlastnostiach: štrukturálne neumožňujú DNA polymeráze pridať viac nukleotidov k dcérskemu vláknu a majú pre každú bázu odlišný fluorescenčný marker.

Výsledkom je množstvo molekúl DNA rôznych dĺžok, pretože dideoxynukleotidy boli náhodne začlenené a zastavili replikačný proces v rôznych štádiách.

Táto rozmanitosť molekúl sa môže separovať podľa ich dĺžky a identita nukleotidov sa číta pomocou emisie svetla z fluorescenčnej značky.

Sekvenovanie nasledujúcej generácie

Techniky sekvenovania vyvinuté v posledných rokoch umožňujú rozsiahlu analýzu miliónov vzoriek súčasne.

Medzi najvýznamnejšie metódy patrí pyroekonvenovanie, sekvenovanie syntézou, sekvenovanie ligáciou a sekvenovanie nasledujúcej generácie pomocou Ion Torrent.

Referencie

1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., a kol. (2002). Molekulárna biológia bunky. 4. vydanie. New York: Garland Science. Štruktúra a funkcia DNA. K dispozícii na adrese: ncbi.nlm.nih.gov/
2. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., a kol. (2002). Molekulárna biológia bunky. 4. vydanie. New York: Garland Science. Chromozomálna DNA a jej balenie v chromatínovom vlákne. K dispozícii na adrese: ncbi.nlm.nih.gov
3. Berg, JM, Tymoczko, JL, Stryer, L. (2002). Biochémie. 5. vydanie. New York: WH Freeman. Oddiel 27.1, DNA môže predpokladať rôzne štrukturálne formy. K dispozícii na adrese: ncbi.nlm.nih.gov
4. Fierro, A. (2001). Stručná história objavenia štruktúry DNA. Rev Méd Clínica Las Condes, 20, 71-75.
5. Forterre, P., Filée, J. & Myllykallio, H. (2000 - 2013) Vznik a vývoj replikačných strojov DNA a DNA. In: Databáza Madame Curie Bioscience. Austin (TX): Landes Bioscience. K dispozícii na adrese: ncbi.nlm.nih.gov
6. Lazcano, A., Guerrero, R., Margulis, L., & Oro, J. (1988). Evolučný prechod z RNA na DNA v skorých bunkách. Journal of molekulárnej evolúcie, 27 (4), 283-290.
7. Lodish, H., Berk, A., Zipursky, SL, a kol. (2000). Molecular Cell Biology. 4. vydanie. New York: WH Freeman. Oddiel 9.5, Organizácia bunkovej DNA na chromozómy. K dispozícii na: ncbi.nlm.nih.gov/books
8. Voet, D., Voet, JG, & Pratt, CW (1999). Základy biochémie. New York: John Willey a synovia.