DNA: HISTORIE, FUNKSJONER, STRUKTUR, KOMPONENTER - BIOLOGI - 2026

Den DNA (deoksyribonukleinsyre) er biomolekylet inneholder all informasjon som er nødvendig for å frembringe et legeme og opprettholde dens drift. Det består av enheter som kalles nukleotider, som igjen består av en fosfatgruppe, et sukkermolekyl med fem karbon og en nitrogenholdig base.

Det er fire nitrogenholdige baser: adenin (A), cytosin (C), guanin (G) og timin (T). Adenin kobles alltid sammen med timin og guanin med cytosin. Meldingen inneholdt i DNA-strengen blir transformert til et messenger-RNA og dette deltar i syntesen av proteiner.

DNA er et ekstremt stabilt molekyl, negativt ladet ved fysiologisk pH, som assosieres med positive proteiner (histoner) for å effektivt komprimere i kjernen til eukaryote celler. En lang DNA-kjede, sammen med forskjellige assosierte proteiner, danner et kromosom.

Historie

I 1953 klarte amerikaneren James Watson og briten Francis Crick å belyse den tredimensjonale strukturen til DNA, takket være arbeidet med krystallografi utført av Rosalind Franklin og Maurice Wilkins. De baserte også konklusjonene sine på andre forfatteres arbeid.

Når DNA blir utsatt for røntgenbilder, dannes et diffraksjonsmønster som kan brukes til å utlede strukturen til molekylet: en helix av to antiparallelle kjeder som roterer til høyre, der begge kjedene er forbundet med hydrogenbindinger mellom basene. . Mønsteret oppnådd var følgende:

Strukturen kan antas å følge Braggs diffraksjonslover: når en gjenstand er plassert midt i en røntgenstråle, reflekteres den, ettersom objektets elektroner interagerer med strålen.

25. april 1953 ble resultatene fra Watson og Crick publisert i det prestisjetunge tidsskriftet Nature, i en artikkel på bare to sider med tittelen "Molecular struktur of nucleic syres", som fullstendig ville revolusjonere biologifeltet.

Takket være denne oppdagelsen mottok forskerne Nobelprisen for medisin i 1962, med unntak av Franklin som døde før fødselen. For øyeblikket er denne oppdagelsen en av de store eksponentene for suksessen med den vitenskapelige metoden for å tilegne seg ny kunnskap.

komponenter

DNA-molekylet består av nukleotider, enheter som består av et fem-karbon sukker festet til en fosfatgruppe og en nitrogenholdig base. Den typen sukker som finnes i DNA er deoksyribosetypen og derav navnet, deoksyribonukleinsyre.

For å danne kjeden er nukleotidene kovalent bundet av en fosfodiester-type-binding gjennom en 3'-hydroksylgruppe (-OH) fra et sukker og 5'-fosfafoen til det neste nukleotid.

Nukleotider skal ikke forveksles med nukleosider. Det siste refererer til den delen av nukleotidet som bare er dannet av pentose (sukker) og den nitrogenholdige basen.

DNA består av fire typer nitrogenholdige baser: adenin (A), cytosin (C), guanin (G) og timin (T).

Nitrogenbaser er klassifisert i to kategorier: puriner og pyrimidiner. Den første gruppen består av en ring med fem atomer festet til en annen ring på seks, mens pyrimidinene er sammensatt av bare en ring.

Av de nevnte basene er adenin og guanin derivater av puriner. I kontrast tilhører timin, cytosin og uracil (tilstede i RNA-molekylet) gruppen av pyrimidiner.

Struktur

Et DNA-molekyl består av to kjeder med nukleotider. Denne "kjeden" er kjent som en DNA-streng.

De to strengene er forbundet med hydrogenbindinger mellom de komplementære basene. Nitrogenbaser er kovalent knyttet til en ryggrad av sukker og fosfater.

Hvert nukleotid som er lokalisert på en streng kan kobles med et annet spesifikt nukleotid på den andre tråden for å danne den velkjente dobbelt helix. For å danne en effektiv struktur, kobler A alltid med T ved hjelp av to hydrogenbindinger, og G med C med tre bindinger.

Chargaffs lov

Hvis vi studerer proporsjonene av nitrogenholdige baser i DNA, vil vi finne at mengden A er identisk med mengden T og det samme med G og C. Dette mønsteret er kjent som Chargaffs lov.

Denne sammenkoblingen er energisk gunstig, siden den gjør det mulig å bevare en lignende bredde i hele strukturen og opprettholde en lignende avstand langs sukkerfosfatryggmolekylet. Merk at en base av en ring passer sammen med en av en ring.

Dobbel helixmodell

Det antydes at den doble helixen er sammensatt av 10,4 nukleotider per sving, atskilt med en senter til sentrum avstand på 3,4 nanometer. Rulleprosessen gir opphav til dannelse av spor i strukturen, og kan observere et større og et mindre spor.

Sporene oppstår fordi glykosidbindingen i baseparene ikke er overfor hverandre, med hensyn til deres diameter. Pyrimidine O-2 og purin N-3 finnes i mindre sporet, mens hovedsporet ligger i motsatt region.

Hvis vi bruker analogien til en stige, består lungene av de komplementære baseparene til hverandre, mens skjelettet tilsvarer de to gripeskinnene.

Endene av DNA-molekylet er ikke de samme, og det er derfor vi snakker om en "polaritet". En av endene, 3 ', bærer en -OH-gruppe, mens 5'-enden har den frie fosfatgruppen.

De to strengene er plassert på en antiparallell måte, noe som betyr at de er lokalisert på motsatt måte med hensyn til polaritetene deres som følger:

I tillegg må sekvensen til en av strengene være komplementær til sin partner, hvis det er en posisjon er det A, i den antiparallelle streng må det være en T.

Organisasjon

I hver menneskecelle er det omtrent to meter DNA som må pakkes effektivt.

Strengen må komprimeres slik at den kan inneholdes i en mikroskopisk kjerne på 6 um i diameter som bare opptar 10% av cellevolumet. Dette er mulig takket være følgende komprimeringsnivåer:

histoner

I eukaryoter er det proteiner som kalles histoner, som har evnen til å binde seg til DNA-molekylet, og være det første komprimeringsnivået til strengen. Histoner har positive ladninger for å kunne samhandle med de negative ladningene av DNA, levert av fosfater.

Histoner er proteiner som er så viktige for eukaryote organismer at de har vært praktisk talt uendret i løpet av evolusjonen - og husker at en lav grad av mutasjoner indikerer at det selektive trykket på det molekylet er sterkt. En defekt i histoner kan føre til mangelfull komprimering i DNA.

Histoner kan modifiseres biokjemisk, og denne prosessen endrer komprimeringsnivået til det genetiske materialet.

Når histoner er "hypoacetylert", blir kromatinet mer kondensert, siden acetylerte former nøytraliserer de positive ladningene av lysiner (positivt ladede aminosyrer) i proteinet.

Nukleosomer og 30 nm fiber

DNA-strengen vrir seg til histoner og de danner strukturer som ligner perlene på et perlekjede, kalt nukleosomer. I hjertet av denne strukturen er to kopier av hver type histon: H2A, H2B, H3 og H4. Forbindelsen av de forskjellige histonene kalles en "histone octamer".

Oktameren er omgitt av rundt 146 basepar, som sirkler mindre enn to ganger. Et menneske diploid celle inneholder ca 6,4 x 10 ⁹ nukleotider som er organisert i 30 millioner nucleosomes.

Organisering i nukleosomer gjør at DNA kan komprimeres til mer enn en tredjedel av sin opprinnelige lengde.

I en prosess med ekstraksjon av genetisk materiale under fysiologiske forhold observeres det at nukleosomer er anordnet i en 30 nanometerfiber.

kromosomer

Kromosomer er den funksjonelle enheten til arvelighet, hvis funksjon er å bære genene til et individ. Et gen er et segment av DNA som inneholder informasjonen for å syntetisere et protein (eller serie proteiner). Imidlertid er det også gener som koder for regulatoriske elementer, for eksempel RNA.

Alle menneskelige celler (med unntak av kjønnsceller og blodceller) har to kopier av hvert kromosom, den ene arvet fra faren og den andre fra moren.

Kromosomer er strukturer som består av et langt lineært stykke DNA assosiert med proteinkompleksene nevnt ovenfor. Normalt i eukaryoter er alt genetisk materiale som er inkludert i kjernen delt inn i en serie kromosomer.

Organisering i prokaryoter

Prokaryoter er organismer som mangler en kjerne. I disse artene er genetisk materiale sterkt oppviklet sammen med alkaliske proteiner med lav molekylvekt. På denne måten blir DNAet komprimert og lokalisert i et sentralt område i bakteriene.

Noen forfattere kaller denne strukturen ofte for et "bakteriell kromosom", selv om den ikke har de samme egenskapene som et eukaryotisk kromosom.

DNA-mengde

Ikke alle arter av organismer inneholder samme mengde DNA. Faktisk er denne verdien veldig variabel mellom arter, og det er ingen sammenheng mellom mengden DNA og kompleksiteten til organismen. Denne motsetningen er kjent som "C-verdi-paradokset."

Den logiske begrunnelsen vil være å intuitere at jo mer kompleks organismen er, jo mer DNA har den. Dette stemmer imidlertid ikke i naturen.

For eksempel er genomet til lungefisken Protopterus aethiopicus 132 pg i størrelse (DNA kan kvantifiseres i pikogram = pg) mens menneskets genom kun veier 3,5 pg.

Det må huskes at ikke alt DNA fra en organisme koder for proteiner, en stor mengde av dette er relatert til regulatoriske elementer og til de forskjellige typene RNA.

Strukturelle former for DNA

Watson og Crick-modellen, hentet fra røntgendiffraksjonsmønstre, er kjent som B-DNA-heliksen og er den "tradisjonelle" og mest kjente modellen. Imidlertid er det to andre forskjellige former, kalt A-DNA og Z-DNA.

DNA - A

A-varianten roterer til høyre, akkurat som B-DNA, men er kortere og bredere. Denne skjemaet vises når relativ luftfuktighet synker.

A-DNA roterer hvert 11. basepar, hovedsporet er smalere og dypere enn B-DNA. Når det gjelder den mindre rillen, er dette mer overfladisk og bredt.

DNA - Z

Den tredje varianten er Z-DNA. Det er den smaleste formen, dannet av en gruppe heksanukleotider organisert i en dupleks med antiparallelle kjeder. En av de mest fremragende egenskapene til denne formen er at den svinger til venstre, mens de to andre måtene gjør det til høyre.

Z-DNA vises når det er korte sekvenser av pyrimidiner og puriner som veksler med hverandre. Den viktigste sulkusen er flat og den mindre er smal og dypere, sammenlignet med B-DNA.

Selv om DNA-molekylet under fysiologiske forhold stort sett er i sin B-form, avslører eksistensen av de to beskrevne variantene det genetiske materialets fleksibilitet og dynamikk.

Egenskaper

DNA-molekylet inneholder all informasjon og instruksjoner som er nødvendige for konstruksjon av en organisme. Det komplette settet med genetisk informasjon i organismer kalles genomet.

Meldingen er kodet av det "biologiske alfabetet": de fire basene som er nevnt tidligere, A, T, G og C.

Meldingen kan føre til dannelse av forskjellige typer proteiner eller kode for et eller annet reguleringselement. Prosessen som disse databasene kan levere en melding blir forklart nedenfor:

Replikasjon, transkripsjon og oversettelse

Meldingen kryptert i de fire bokstavene A, T, G og C resulterer i en fenotype (ikke alle DNA-sekvenser koder for proteiner). For å oppnå dette, må DNA gjenskape seg i hver prosess med celledeling.

DNA-replikasjon er semikonservativ: en streng tjener som en mal for dannelsen av det nye dattermolekylet. Replikasjon katalysert av et antall enzymer, inkludert DNA-primase, DNA-helikase, DNA-ligase og topoisomerase.

Deretter må meldingen - skrevet på et basesekvensspråk - overføres til et mellomliggende molekyl: RNA (ribonukleinsyre). Denne prosessen kalles transkripsjon.

For at transkripsjon skal skje, må forskjellige enzymer delta, inkludert RNA-polymerase.

Dette enzymet er ansvarlig for å kopiere meldingen om DNA og konvertere det til et messenger-RNA-molekyl. Målet med transkripsjon er med andre ord å skaffe messenger.

Til slutt skjer oversettelsen av meldingen til messenger-RNA-molekyler, takket være ribosomene.

Disse strukturene tar messenger-RNA og danner sammen med oversettelsesmaskineriet det spesifiserte proteinet.

Den genetiske koden

Meldingen leses i "tripletter" eller grupper på tre bokstaver som spesifiserer for en aminosyre - byggesteinene til proteiner. Det er mulig å dechiffrere triplenes budskap siden den genetiske koden allerede er avslørt fullt ut.

Oversettelse begynner alltid med aminosyren metionin, som er kodet av starttripletten: AUG. "U" representerer basen uracil og er karakteristisk for RNA og erstatter tymin.

Hvis for eksempel messenger-RNA har følgende sekvens: AUG CCU CUU UUU UUA, blir den oversatt til følgende aminosyrer: metionin, prolin, leucin, fenylalanin og fenylalanin. Merk at to trillinger - i dette tilfellet UUU og UUA - kan kode for den samme aminosyren: fenylalanin.

På grunn av denne egenskapen sies det at den genetiske koden er degenerert, siden en aminosyre er kodet av mer enn en sekvens av trillinger, bortsett fra aminosyren metionin, som dikterer starten av translasjonen.

Prosessen stoppes med spesifikke stopp- eller stopptripletter: UAA, UAG og UGA. De er kjent under navnene henholdsvis oker, rav og opal. Når ribosomet oppdager dem, kan de ikke lenger legge til flere aminosyrer i kjeden.

Kjemiske og fysiske egenskaper

Nukleinsyrer er sure i naturen og er oppløselige i vann (hydrofile). Dannelse av hydrogenbindinger mellom fosfatgruppene og hydroksylgruppene av pentoser med vann kan forekomme. Det er negativt ladet ved fysiologisk pH.

DNA-løsninger er meget viskøse på grunn av deformasjonsmotstandskapasiteten til dobbelt helix, som er veldig stiv. Viskositeten avtar hvis nukleinsyren er enkelstrenget.

De er svært stabile molekyler. Logisk sett må denne egenskapen være uunnværlig i strukturene som inneholder genetisk informasjon. Sammenlignet med RNA er DNA mye mer stabilt fordi det mangler en hydroksylgruppe.

DNA kan denatureres varme, det vil si at strengene skilles ut når molekylet blir utsatt for høye temperaturer.

Mengden varme som må tilføres, avhenger av G-C-prosentandelen av molekylet, fordi disse basene er forbundet med tre hydrogenbindinger, noe som øker separasjonsmotstanden.

Når det gjelder absorpsjon av lys, har de en topp på 260 nanometer, noe som øker hvis nukleinsyren er enstrenget, siden nukleotidringene er utsatt og disse er ansvarlige for absorpsjonen.

Utvikling

I følge Lazcano et al. 1988 DNA dukker opp i overgangsfaser fra RNA, og er en av de viktigste hendelsene i livshistorien.

Forfatterne foreslår tre stadier: en første periode der det var molekyler som ligner på nukleinsyrer, senere ble genomene bygd opp av RNA og som det siste trinnet dukket DNA-genomene fra dobbeltbåndet ut.

Noen bevis støtter teorien om en primær verden basert på RNA. For det første kan proteinsyntese skje i fravær av DNA, men ikke når RNA mangler. Videre er RNA-molekyler med katalytiske egenskaper blitt oppdaget.

Når det gjelder syntesen av deoksyribonukleotider (til stede i DNA) kommer de alltid fra reduksjon av ribonukleotider (til stede i RNA).

Den evolusjonære innovasjonen av et DNA-molekyl må ha krevd tilstedeværelsen av enzymer som syntetiserer DNA-forløpere og som deltar i revers transkripsjon av RNA.

Ved å studere nåværende enzymer kan det konkluderes at disse proteinene har utviklet seg flere ganger og at overgangen fra RNA til DNA er mer kompleks enn tidligere antatt, inkludert prosesser med overføring og tap av gener og ikke-ortologe erstatninger.

DNA-sekvensering

DNA-sekvensering består av å belyse sekvensen til DNA-strengen når det gjelder de fire basene som utgjør den.

Kunnskap om denne sekvensen er av største betydning i biologiske vitenskaper. Det kan brukes til å skille mellom to morfologisk veldig like arter, for å oppdage sykdommer, patologier eller parasitter og til og med har en rettsmedisinsk anvendbarhet.

Sanger-sekvensering ble utviklet på 1900-tallet og er den tradisjonelle teknikken for å klargjøre en sekvens. Til tross for sin alder, er det en gyldig metode og mye brukt av forskere.

Sanger-metoden

Metoden bruker DNA-polymerase, et svært pålitelig enzym som replikerer DNA i celler, og syntetiserer en ny streng DNA ved å bruke en allerede eksisterende en som guide. Enzymet krever en grunning for å starte syntese. Primeren er et lite DNA-molekyl som er komplementært til molekylet som skal sekvenseres.

I reaksjonen tilsettes nukleotider som vil bli inkorporert i den nye DNA-strengen av enzymet.

I tillegg til de "tradisjonelle" nukleotider inkluderer metoden en serie dideoxynukleotider for hver av basene. De skiller seg fra standard nukleotider i to egenskaper: Strukturelt lar de ikke DNA-polymerase legge flere nukleotider til datterstrengen, og de har en annen lysstoffrør for hver base.

Resultatet er en rekke DNA-molekyler i forskjellige lengder, siden dideoxynukleotidene ble inkorporert tilfeldig og stoppet replikasjonsprosessen i forskjellige stadier.

Denne variasjonen av molekyler kan skilles ut i henhold til deres lengde, og identiteten til nukleotidene leses ved hjelp av utslipp av lys fra lysstoffrøret.

Neste generasjons sekvensering

Sekvenseringsteknikkene som er utviklet de siste årene tillater massiv analyse av millioner av prøver samtidig.

Blant de mest fremragende metodene er pyrosekvensering, sekvensering ved syntese, sekvensering ved ligering og neste generasjons sekvensering av Ion Torrent.

referanser

1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., et al. (2002). Molekylærbiologi i cellen. 4. utgave. New York: Garland Science. Strukturen og funksjonen til DNA. Tilgjengelig på: ncbi.nlm.nih.gov/
2. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., et al. (2002). Molekylærbiologi i cellen. 4. utgave. New York: Garland Science. Kromosomalt DNA og emballasje i kromatinfibre. Tilgjengelig på: ncbi.nlm.nih.gov
3. Berg, JM, Tymoczko, JL, Stryer, L. (2002). Biokjemi. 5. utgave. New York: WH Freeman. Avsnitt 27.1, DNA kan anta en rekke strukturelle former. Tilgjengelig på: ncbi.nlm.nih.gov
4. Fierro, A. (2001). Kort historie om oppdagelsen av strukturen til DNA. Rev Méd Clínica Las Condes, 20, 71-75.
5. Forterre, P., Filée, J. & Myllykallio, H. (2000-2013) Origin and Evolution of DNA and DNA Replication Machineries. I: Madame Curie Bioscience Database. Austin (TX): Landes Bioscience. Tilgjengelig på: ncbi.nlm.nih.gov
6. Lazcano, A., Guerrero, R., Margulis, L., & Oro, J. (1988). Den evolusjonære overgangen fra RNA til DNA i tidlige celler. Journal of molecular evolution, 27 (4), 283-290.
7. Lodish, H., Berk, A., Zipursky, SL, et al. (2000). Molekylær cellebiologi. 4. utgave. New York: WH Freeman. Avsnitt 9.5, Organisering av cellulært DNA i kromosomer. Tilgjengelig på: ncbi.nlm.nih.gov/books
8. Voet, D., Voet, JG, & Pratt, CW (1999). Grunnleggende om biokjemi. New York: John Willey and Sons.