DNA-historia, funktioner, struktur, komponenter



den DNA (deoxiribonukleinsyra) är den biomolekyl som innehåller all information som är nödvändig för att skapa en organism och upprätthålla sin funktion. Den består av enheter som kallas nukleotider, bildade i sin tur av en fosfatgrupp, en sockermolekyl med fem kolatomer och en kvävebas.

Det finns fyra kvävebaser: adenin (A), cytosin (C), guanin (G) och tymin (T). Adenin parar alltid med tymin och guanin med cytosin. Meddelandet som finns i DNA-strängen omvandlas till ett budbärar-RNA och detta deltar i syntesen av proteiner.

DNA är en extremt stabil molekyl, negativt laddad vid fysiologiskt pH, vilket är associerat med positiva proteiner (histoner) för att effektivt komprimera i kärnan hos eukaryota celler. En lång DNA-sträng tillsammans med olika associerade proteiner bildar en kromosom.

index

  • 1 historia
  • 2 komponenter
  • 3 struktur
    • 3.1 Law of Chargaff
    • 3.2 Dubbel helixmodell
  • 4 Organisation
    • 4.1 Histoner
    • 4.2 Nukleosomer och 30 nm fiber
    • 4.3 kromosomer
    • 4.4 Organisation i prokaryoter
    • 4,5 DNA-mängd
  • 5 strukturella former av DNA
    • 5,1 DNA-A
    • 5.2 ADN-Z
  • 6 funktioner
    • 6.1 Replikation, transkription och översättning
    • 6.2 Den genetiska koden
  • 7 Kemiska och fysikaliska egenskaper
  • 8 Evolution
  • 9 DNA-sekvensering
    • 9.1 Sångers metod
  • 10 Ny generationens sekvensering
  • 11 referenser

historia

År 1953, den amerikanska James Watson och Francis Crick British lyckats belysa den tredimensionella strukturen av DNA, tack vare det arbete som kristallografi Rosalind Franklin och Maurice Wilkins. De baserade också sina slutsatser på andra författares verk.

Genom exponering av DNA till röntgendiffraktion mönster som kan användas för att sluta sig till strukturen av molekylen bildas: en spiral av två antiparallella kedjor rotera medurs, när båda är bundna genom vätebindningar mellan baser . Det erhållna mönstret var följande:

Strukturen kan antas följa lagarna i Bragg-diffraktion: när ett föremål kommer i vägen för en röntgenstråle, är detta reflectado, eftersom elektroner interagerar med objektstrålen.

Den 25 april 1953 publicerades resultaten av Watson och Crick i den prestigefyllda tidningen Nature, i en artikel på två sidor med titeln "Molekylär struktur av nukleinsyror"Det skulle helt revolutionera biologins område.

Tack vare denna upptäckt fick forskarna Nobelpriset i medicin 1962, förutom Franklin som dog före leveransen. För närvarande är denna upptäckt en av de stora exponenterna för den vetenskapliga metodens framgång att förvärva ny kunskap.

komponenter

DNA-molekylen är sammansatt av nukleotider, enheter bildade av ett socker av fem kolatomer bundna till en fosfatgrupp och en kvävebas. Den typ av socker som finns i DNA är av deoxyribosetypen och därmed dess namn, deoxiribonukleinsyra.

För att bilda kedjan, är nukleotiderna är kovalent bundna genom en fosfodiester länktyp via en 3'-hydroxylgrupp (-OH) från ett socker och 5'-fosfafo nästa nukleotid.

Förväxla inte nukleotider med nukleosider. Den senare hänvisar till den del av nukleotiden som bildas enbart av pentosen (socker) och den kvävebaserade basen.

DNA består av fyra typer av kvävebaser: adenin (A), cytosin (C), guanin (G) och tymin (T).

De kvävebaserade baserna klassificeras i två kategorier: puriner och pyrimidiner. Den första gruppen består av en ring med fem atomer förenade med en annan ring på sex, medan pyrimidinerna består av en enda ring.

Av de nämnda baserna är adenin och guanin derivat av puriner. Däremot hör gruppen pyrimidiner till tymin, cytosin och uracil (närvarande i RNA-molekylen).

struktur

En DNA-molekyl består av två nukleotidkedjor. Denna "kedja" är känd som en DNA-sträng.

De två strängarna förenas med vätebindningar mellan de komplementära baserna. De kvävebaserade baserna är kovalent kopplade till ett skelett av sockerarter och fosfater.

Varje nukleotid som är belägen i en sträng kan kopplas med en annan specifik nukleotid av den andra strängen, för att bilda den kända dubbelhelixen. För att bilda en effektiv struktur, A alltid par med T medelst två vätebroar och G med C av tre broar.

Chargaffs lag

Om vi ​​studerar proportionerna av kvävebaserna i DNA, kommer vi att finna att mängden A är identisk med mängden T och densamma med G och C. Detta mönster är känt som Chargaffs lag.

Denna parning är energiskt gynnsam, eftersom den tillåter att bevara en liknande bredd längs strukturen, upprätthåller ett liknande avstånd längs molekylen av sockerfosfatskelettet. Observera att en bas av en ring är kopplad med en av en ring.

Modell av dubbelspiralen

Det föreslås att dubbelhelixen är sammansatt av 10,4 nukleotider per vänd, separerad med ett centrum-till-centrum avstånd på 3,4 nanometer. Rullningsprocessen ger upphov till bildandet av spår i strukturen, att kunna observera ett huvud och ett mindre spår.

Spåren uppstår eftersom de glykosidbindningar i basparen inte är motsatta varandra, med avseende på deras diameter. I det lilla spåret är pyrimidin O-2 och purinen N-3, medan huvudspåret ligger i motsatt region.

Om vi ​​använder en stegers analogi består spåren av basparen som är komplementära till varandra, medan skelettet motsvarar de två greppskenorna.

Ändarna av DNA-molekylen är inte desamma, så vi talar om en "polaritet". En av dess ändar, 3 ', bär en -OH-grupp, medan 5'-änden har den fria fosfatgruppen.

De två strängarna ligger antiparallella, vilket innebär att de ligger mittemot deras polariteter, enligt följande:

Dessutom måste sekvensen av en av tråden vara komplementär till sin partner, om det är en position A finns, i den antiparallella tråden måste det finnas en T.

organisation

I varje mänsklig cell finns cirka två meter DNA som måste packas effektivt.

Strängen måste komprimeras så att den kan innehålla en mikroskopisk kärna av 6 μm i diameter som upptar endast 10% av cellvolymen. Detta är möjligt tack vare följande kompakteringsnivåer:

histoner

I eukaryoter finns proteiner som kallas histoner, som har förmågan att binda till DNA-molekylen, vilket är den första nivån av komprimering av strängen. Histonerna har positiva laddningar för att kunna interagera med DNA: s negativa laddningar, som bidrar med fosfaterna.

Histoner är så viktiga för eukaryota organismer som har varit i stort sett oförändrad under evolution proteiner - minnas att en låg mutationer tyder på att selektiva trycket på denna molekyl är starka. En defekt i histonerna kan resultera i en defekt DNA-komprimering.

Histoner kan modifieras biokemiskt och denna process modifierar komprimeringsnivån av det genetiska materialet.

När histonerna är "hypoacetylerade" är kondensin mer kondenserad eftersom de acetylerade formerna neutraliserar de positiva laddningarna av lysinerna (positivt laddade aminosyror) i proteinet.

Nukleosomer och 30 nm fiber

DNA-strängen rullas upp i histonen och bildar strukturer som liknar pärlorna i ett pärlhalsband, som kallas nukleosomer. Kärnan i denna struktur är två kopior av varje typ av histon: H2A, H2B, H3 och H4. Sammanslutningen av de olika histonerna kallas "histon-oktameren".

Okameran är omgiven av 146 par baser, vilket ger mindre än två varv. En human diploid cell innehåller cirka 6,4 x 109 nukleotider som är organiserade i 30 miljoner nukleosomer.

Organisationen i nukleosomer gör det möjligt att komprimera DNA: n i mer än en tredjedel av sin ursprungliga längd.

Vid ett extraktionsprocess av det genetiska materialet under fysiologiska betingelser observeras att nukleosomerna är anordnade i en fiber av 30 nanometer.

kromosomer

Kromosomer är den funktionella enheten för arv, vars funktion är att bära genen hos en individ. En gen är ett segment av DNA som innehåller informationen för att syntetisera ett protein (eller en serie proteiner). Det finns emellertid också gener som kodar för regleringselement, såsom RNA.

Alla mänskliga celler (förutom gameter och blod erytrocyter) har två kopior av varje kromosom, en ärft från fadern och den andra från moderen.

Kromosomer är strukturer som består av en lång linjär del av DNA associerat med proteinkomplexen som nämnts ovan. Normalt i eukaryoter delas allt genetiskt material som ingår i kärnan i en serie kromosomer.

Organisation i prokaryoter

Prokaryoter är organismer som saknar en kärna. I dessa arter är det genetiska materialet högt spolat tillsammans med alkaliska proteiner med låg molekylvikt. På detta sätt komprimeras DNA: en och ligger i en central region i bakterien.

Vissa författare brukar beteckna denna struktur "bakteriell kromosom", även om den inte uppvisar samma egenskaper hos ett eukaryot kromosom.

Mängden DNA

Inte alla arter av organismer innehåller samma mängd DNA. Faktum är att detta värde varierar mycket mellan arter och det finns inget samband mellan mängden DNA och organismens komplexitet. Denna motsats är känd som en "C-värde paradox".

Den logiska resonemanget skulle vara att intuit att ju mer komplexa organismen är, ju mer DNA det har. Men det här är inte sant i naturen.

Till exempel lungfiskens genom Protopterus aethiopicus den har en storlek av 132 pg (DNA kan kvantifieras i picograms = pg) medan det humana genomet väger endast 3,5 pg.

Kom ihåg att inte alla DNA i en organism kodar för proteiner, en stor del av detta är relaterat till regleringselement och olika typer av RNA.

Strukturella former av DNA

Watson och Crick-modellen, som härleddes från röntgendiffraktionsmönster, är känd som B-DNA-helixen och är den "traditionella" och mest kända modellen. Det finns emellertid två andra olika former, som kallas DNA-A och DNA-Z.

DNA-A

Variant "A" roterar till höger, precis som DNA-B, men är kortare och bredare. Denna form visas när relativ fuktighet minskar.

DNA-A roterar var 11 baspar, huvudspåret är smalare och djupare än B-DNA. Med hänsyn till det mindre spåret är detta mer ytligt och brett.

Z-DNA

Den tredje varianten är Z-DNA. Det är den smalaste formen, som bildas av en grupp hexanukleotider organiserad i en duplex av antiparallella kedjor. En av de mest slående egenskaperna i den här formen är att den vrider mot vänster, medan de andra två formerna gör det till höger.

Z-DNA visas när det finns korta sekvenser av alternerande pyrimidiner och puriner. Ju större spår är platt och desto mindre är smalare och djupare jämfört med B-DNA.

Även om det under fysiologiska förhållanden är DNA-molekylen mestadels i sin B-form exponeras förekomsten av de två varianterna som är flexibla och dynamiska i det genetiska materialet.

funktioner

DNA-molekylen innehåller all information och instruktioner som är nödvändiga för uppbyggnaden av en organism. Den fullständiga uppsättningen genetisk information i organismer kallas genomet.

Meddelandet kodas av det "biologiska alfabetet": de fyra baser som nämnts tidigare, A, T, G och C.

Meddelandet kan leda till bildandet av olika typer av proteiner eller kodning för vissa regleringselement. Processen genom vilken dessa baser kan leverera ett meddelande, förklaras nedan:

Replikation, transkription och översättning

Meddelandet krypterat i de fyra bokstäverna A, T, G och C ger som ett resultat en fenotyp (inte alla DNA-sekvenser kodar för proteiner). För att uppnå detta måste DNA replikera sig i varje celldelningsprocess.

DNA-replikation är semikonservativ: en sträng tjänar som en mall för bildandet av den nya dottermolekylen. Olika enzymer katalyserar replikation, inklusive DNA-primas, DNA-helikas, DNA-ligas och topoisomeras.

Därefter måste meddelandet - skrivet i ett bassekvensspråk - överföras till en intermediär molekyl: RNA (ribonukleinsyra). Denna process kallas transkription.

För att transkription ska inträffa måste olika enzymer delta, inklusive RNA-polymeras.

Detta enzym är ansvarigt för att kopiera DNA-meddelandet och omvandla det till en messenger RNA-molekyl. Med andra ord är syftet med transkriptionen att få budbäraren.

Slutligen översätts meddelandet till messenger RNA-molekyler tack vare ribosomen.

Dessa strukturer tar messenger RNA och tillsammans med översättningsmaskineriet bildar det angivna proteinet.

Den genetiska koden

Meddelandet läses i "triplets" eller grupper av tre bokstäver som specificerar för en aminosyra - de strukturella blocken av proteinerna. Det är möjligt att dechiffrera meddelandet från tripletterna, eftersom den genetiska koden redan är helt avslöjad.

Översättningen börjar alltid med aminosyran metionin, som kodas av start tripleten: AUG. "U" representerar uracilbasen och är karakteristisk för RNA och supplerande tymin.

Om exempelvis budbärarens RNA har följande sekvens: AUG CCU CUU UUU UUA, översätts den till följande aminosyror: metionin, prolin, leucin, fenylalanin och fenylalanin. Observera att det är möjligt att två tripletter - i detta fall UUU och UUA - kodar för samma aminosyra: fenylalanin.

För denna egenskap sägs att den genetiska koden är degenererad, eftersom en aminosyra kodas av mer än en sekvens av tripletter, förutom för aminosyran metionin som dikterar början av översättningen.

Processen stoppas med bestämd avslutning eller stopp triplet: UAA, UAG och UGA. De är kända under namnen på oker, rav och opal. När ribosomen upptäcker dem kan de inte längre lägga till fler aminosyror i kedjan.

Kemiska och fysikaliska egenskaper

Nukleinsyror är sura i naturen och är lösliga i vatten (hydrofila). Bildningen av vätebindningar mellan fosfatgrupperna och hydroxylgrupperna av pentoser med vatten kan uppträda. Det är negativt laddat vid fysiologiskt pH.

DNA-lösningarna är mycket viskösa på grund av förmågan att motstå deformationen av dubbelhelikixen, vilket är mycket styv. Viskositeten minskar om nukleinsyran är enkelsträngad.

De är mycket stabila molekyler. Logiskt måste denna funktion vara oumbärlig i de strukturer som bär den genetiska informationen. Jämfört med RNA är DNA mycket stabilare eftersom det saknar en hydroxylgrupp.

DNA kan denatureras genom värme, dvs strängarna separeras när molekylen utsätts för höga temperaturer.

Mängden värme som måste appliceras beror på G-C-procenten av molekylen, eftersom dessa baser är förenade med tre vätebindningar, vilket ökar motståndet mot separation.

När det gäller ljusupptagning har de en topp vid 260 nanometer, vilket ökar om nukleinsyran är enkelsträngad, eftersom de utsätter nukleotidernas ringar och dessa är ansvariga för absorptionen.

evolution

Enligt Lazcano et al. 1988 DNA uppstår i stadier av övergång från RNA, som är en av de viktigaste händelserna i livets historia.

Författarna föreslår tre steg: en första period där molekyler som liknar nukleinsyror existerade, senare bildades genomerna av RNA och som ett sista skede uppkom dubbelbandsl DNA-genomerna.

Vissa bevis stöder teorin om en primär värld baserad på RNA. Först kan proteinsyntes förekomma i frånvaro av DNA, men inte när RNA saknas. Dessutom har RNA-molekyler med katalytiska egenskaper upptäckts.

När det gäller syntesen av deoxiribonukleotiden (närvarande i DNA) kommer de alltid från reduktionen av ribonukleotiderna (närvarande i RNA).

Den evolutionära innovationen av en DNA-molekyl måste ha krävt närvaron av enzymer som syntetiserar DNA-prekursorer och deltar i retrotransskriptionen av RNA.

Genom att studera de nuvarande enzymerna kan man dra slutsatsen att dessa proteiner har utvecklats flera gånger och att övergången från RNA till DNA är mer komplex än tidigare trodde, inklusive processer för genöverföring och förlust och icke-ortologiska ersättningar..

DNA-sekvensering

DNA-sekvensering består i att belysa sekvensen av DNA-strängen i termer av de fyra baserna som utgör den.

Kunskapen om denna sekvens är av stor betydelse i biologiska vetenskaper. Det kan användas för att diskriminera mellan två morfologiskt mycket liknande arter, för att upptäcka sjukdomar, patologier eller parasiter och till och med ha en rättsmedicinsk tillämplighet.

Sangeringen av Sanger utvecklades på 1900-talet och är den traditionella tekniken för att klargöra en sekvens. Trots sin ålder är det en giltig metod som används av forskare.

Sångers metod

Metoden använder DNA-polymeras, ett mycket pålitligt enzym som replikerar DNA i celler, syntetiserar en ny DNA-kedja med användning av en annan existerande riktlinje. Enzymet kräver a först eller primer för att starta syntesen. Primeren är en liten molekyl DNA komplementär till molekylen som du vill sekvensera.

I reaktionen tillsätts nukleotider som kommer att införlivas i den nya DNA-strängen av enzymet.

Förutom de "traditionella" nukleotiderna innefattar förfarandet en serie dideoxynukleotider för var och en av baserna. De skiljer sig från standardnukleotiderna i två egenskaper: strukturellt låter de inte DNA-polymeraset lägga till flera nukleotider i dotterns kedja och ha en annan fluorescerande markör för varje bas.

Resultatet är en mängd olika DNA-molekyler av olika längd, eftersom dideoxynukleotiderna inkorporerades slumpmässigt och stoppade replikationsprocessen i olika steg.

Denna mängd molekyler kan separeras i enlighet med deras längd och nukleotidernas identitet läses genom ljusemissionen från det fluorescerande märket..

Ny generation sekvensering

De sekvenseringstekniker som utvecklats under de senaste åren tillåter den massiva analysen av miljontals prover samtidigt.

Bland de mest framstående metoderna är pyrosequencing, sekvensering genom syntes, sekvensering genom ligering och nästa generations sekvensering av Ion Torrent..

referenser

  1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., et al. (2002). Molecular Biology of the Cell. 4: e upplagan. New York: Garland Science. Strukturen och funktionen av DNA. Finns på: ncbi.nlm.nih.gov/
  2. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., et al. (2002). Molecular Biology of the Cell. 4: e upplagan. New York: Garland Science. Kromosomalt DNA och dess förpackning i kromatinfibern. Finns på: ncbi.nlm.nih.gov
  3. Berg, J.M., Tymoczko, J. L., Stryer, L. (2002). Biokemi. 5: e upplagan. New York: W H Freeman. Avsnitt 27.1, DNA kan anta olika strukturer. Finns på: ncbi.nlm.nih.gov
  4. Fierro, A. (2001). Kort historia av upptäckten av DNA-struktur. Rev Med Clinic Las Condes, 20, 71-75.
  5. Forterre, P., Filée, J. & Myllykallio, H. (2000-2013) Ursprung och utveckling av DNA- och DNA-replikeringsmaskiner. i: Madame Curie Bioscience Database [Internet]. Austin (TX): Landes Bioscience. Finns på: ncbi.nlm.nih.gov
  6. Lazcano, A. Guerrero, R., Margulis, L., & Gold, J. (1988). Den evolutionära övergången från RNA till DNA i tidiga celler. Journal of molecular evolution, 27(4), 283-290.
  7. Lodish, H., Berk, A., Zipursky, S.L., et al. (2000). Molecular Cell Biology. 4: e upplagan. New York: W.H. Freeman. Avsnitt 9,5, Arrangerande Cellulär DNA i kromosomer. Finns på: ncbi.nlm.nih.gov/books
  8. Voet, D., Voet, J. G., & Pratt, C.W. (1999). Grundläggande av biokemi. ny York: John Willey och Sons.