ДНК: ИСТОРИЯ, ФУНКЦИИ, СТРУКТУРА, КОМПОНЕНТИ - БИОЛОГИЯ - 2025

На ДНК (дезоксирибонуклеинова киселина) е биомолекулата съдържа цялата информация, необходима за генериране на тялото и поддържа своята работа. Той е съставен от единици, наречени нуклеотиди, от своя страна съставени от фосфатна група, молекула захар с пет въглерода и азотна основа.

Има четири азотни основи: аденин (А), цитозин (С), гуанин (G) и тимин (T). Аденинът винаги се съчетава с тимин и гуанин с цитозин. Съобщението, съдържащо се в нишката на ДНК, се трансформира в месингова РНК и това участва в синтеза на протеини.

ДНК е изключително стабилна молекула, отрицателно заредена при физиологично pH, която се свързва с положителни протеини (хистони), за да се компактира ефективно в ядрото на еукариотните клетки. Дълга верига от ДНК, заедно с различни асоциирани протеини, образува хромозома.

история

През 1953 г. американецът Джеймс Уотсън и британецът Франсис Крик успяват да изяснят триизмерната структура на ДНК, благодарение на работата по кристалография, извършена от Розалинд Франклин и Морис Уилкинс. Те базират своите заключения и върху работата на други автори.

Когато ДНК е изложена на рентгенови лъчи, се формира дифракционен модел, който може да се използва за извеждане на структурата на молекулата: спирала от две антипаралелни вериги, които се въртят вдясно, където и двете вериги са свързани с водородни връзки между основите., Полученият модел е следният:

Структурата може да се предположи, следвайки законите на Дифракция на Брейг: когато един обект е разположен в средата на рентгенов лъч, той се отразява, тъй като електроните на обекта взаимодействат с лъча.

На 25 април 1953 г. резултатите на Уотсън и Крик са публикувани в престижното списание Nature, в статия от само две страници, озаглавена „Молекулна структура на нуклеиновите киселини“, която напълно ще революционизира областта на биологията.

Благодарение на това откритие, изследователите получават Нобеловата награда за медицина през 1962 г., с изключение на Франклин, който почина преди раждането. В момента това откритие е един от големите показатели на успеха на научния метод за придобиване на нови знания.

елементи

ДНК молекулата е изградена от нуклеотиди, единици, съставени от пет въглеродна захар, прикрепена към фосфатна група и азотна основа. Типът захар, открит в ДНК, е типът дезоксирибоза и оттук и името й, дезоксирибонуклеиновата киселина.

За да образуват веригата, нуклеотидите са ковалентно свързани чрез фосфодиестерна връзка чрез 3'-хидроксилна група (-ОН) от захар и 5'-фосфафо на следващия нуклеотид.

Нуклеотидите не трябва да се бъркат с нуклеозидите. Последният се отнася до частта от нуклеотида, образувана само от пентоза (захар) и азотна основа.

ДНК се състои от четири вида азотни основи: аденин (А), цитозин (С), гуанин (G) и тимин (Т).

Азотните основи се класифицират в две категории: пурини и пиримидини. Първата група се състои от пръстен от пет атома, прикрепен към друг пръстен от шест, докато пиримидините са съставени само от един пръстен.

От споменатите бази, аденинът и гуанинът са производни на пурините. За разлика от тях тиминът, цитозинът и урацилът (присъстващи в молекулата на РНК) принадлежат към групата на пиримидини.

структура

ДНК молекула е изградена от две вериги нуклеотиди. Тази "верига" е известна като верига на ДНК.

Двете нишки са свързани с водородни връзки между комплементарните основи. Азотните основи са ковалентно свързани с гръбнак на захари и фосфати.

Всеки нуклеотид, разположен на едната верига, може да бъде свързан с друг специфичен нуклеотид на другата верига, за да образува добре познатата двойна спирала. За да се образува ефективна структура, A винаги се свързва с T с помощта на две водородни връзки, а G с С с три връзки.

Закон на Чаргаф

Ако проучим пропорциите на азотните основи в ДНК, ще открием, че количеството А е идентично с количеството на Т и същото като на G и C. Този модел е известен като закон на Чаргаф.

Това сдвояване е енергийно благоприятно, тъй като позволява да се запази сходна ширина по протежение на структурата, като се поддържа подобно разстояние по протежение на молекулата на захарно-фосфатния гръб. Обърнете внимание, че основа на пръстен се свързва с един от пръстен.

Модел с двойна спирала

Предполага се, че двойната спирала е съставена от 10,4 нуклеотида на оборот, разделени от разстояние от центъра до центъра от 3,4 нанометра. Процесът на валцуване води до образуване на канали в конструкцията, като може да се наблюдава по-голям и по-малък жлеб.

Жлебовете възникват, защото гликозидните връзки в базовите двойки не са една срещу друга, по отношение на диаметъра им. Пиримидин О-2 и пурин N-3 се намират в малкия жлеб, докато основният канал е разположен в противоположния участък.

Ако използваме аналогията на стълба, стълбовете се състоят от взаимно допълващи се двойки основи, докато скелетът съответства на двата релса за захващане.

Краищата на молекулата на ДНК не са еднакви, поради което говорим за „полярност“. Един от неговите краища, 3 ', носи -OH група, докато 5' края има свободната фосфатна група.

Двете нишки са разположени антипаралелно, което означава, че са разположени по обратния начин по отношение на техните полярности, както следва:

В допълнение, последователността на една от нишките трябва да е допълваща партньора си, ако това е позиция, има А, в антипаралелната верига трябва да има Т.

организация

Във всяка човешка клетка има приблизително два метра ДНК, които трябва да бъдат опаковани ефективно.

Нишката трябва да бъде уплътнена, така че да може да се съдържа в микроскопично ядро ​​с диаметър 6 μm, което заема само 10% от обема на клетката. Това е възможно благодарение на следните нива на уплътняване:

хистони

В еукариотите има протеини, наречени хистони, които имат способността да се свързват с молекулата на ДНК, като това е първото ниво на уплътняване на нишката. Хистоните имат положителни заряди, за да могат да взаимодействат с отрицателните заряди на ДНК, осигурени от фосфати.

Хистоните са протеини, толкова важни за еукариотните организми, че те са били практически непроменени в хода на еволюцията - като се помни, че ниската скорост на мутации показва, че селективният натиск върху тази молекула е силен. Дефект в хистоните може да доведе до дефектно уплътняване в ДНК.

Хистоните могат да бъдат биохимично модифицирани и този процес променя нивото на уплътняване на генетичния материал.

Когато хистоните са "хипоацетилирани", хроматинът е по-кондензиран, тъй като ацетилираните форми неутрализират положителните заряди на лизините (положително заредени аминокиселини) в протеина.

Нуклеозоми и 30 nm влакно

ДНК веригата се усуква в хистони и те образуват структури, наподобяващи мъниста върху перлено огърлица, наречено нуклеозоми. В основата на тази структура са две копия от всеки тип хистон: H2A, H2B, H3 и H4. Съединението на различните хистони се нарича "хистонов октамер".

Октамерът е заобиколен от около 146 двойки основи, обикалящи по-малко от два пъти. Човешката диплоидна клетка съдържа приблизително 6,4 х 10 ⁹ нуклеотида, които са организирани в 30 милиона нуклеозоми.

Организацията в нуклеозоми позволява ДНК да се уплътнява до повече от една трета от първоначалната му дължина.

В процеса на извличане на генетичен материал при физиологични условия се наблюдава, че нуклеозомите са подредени в 30 нанометрови влакна.

Хромозомите

Хромозомите са функционалната единица на наследствеността, чиято функция е да пренася гените на индивид. Генът е сегмент от ДНК, който съдържа информацията за синтез на протеин (или серия протеини). Съществуват обаче и гени, които кодират регулаторни елементи, като РНК.

Всички човешки клетки (с изключение на гамети и кръвни клетки) имат две копия от всяка хромозома, едно наследствено от бащата, а другото от майката.

Хромозомите са структури, съставени от дълго линейно парче ДНК, свързано с протеиновите комплекси, споменати по-горе. Обикновено в еукариотите целият генетичен материал, включен в ядрото, е разделен на серия хромозоми.

Организация в прокариоти

Прокариотите са организми, които нямат ядро. При тези видове генетичният материал е силно навит заедно с алкални протеини с ниско молекулно тегло. По този начин ДНК се уплътнява и се намира в централен участък в бактериите.

Някои автори често наричат ​​тази структура "бактериална хромозома", въпреки че тя няма същите характеристики като еукариотната хромозома.

Количество ДНК

Не всички видове организми съдържат еднакво количество ДНК. Всъщност тази стойност е силно променлива между видовете и няма връзка между количеството на ДНК и сложността на организма. Това противоречие е известно като „парадокс на C-стойност“.

Логичното разсъждение би било да се интуитира, че колкото по-сложен е организмът, толкова повече ДНК има. Това обаче в природата не е вярно.

Например геномът на белия дроб Protopterus aethiopicus е с размер 132 pg (ДНК може да се определи количествено в пикограми = pg), докато човешкият геном тежи само 3,5 pg.

Трябва да се помни, че не всички ДНК на организма кодират протеини, голямо количество от това е свързано с регулаторните елементи и с различните видове РНК.

Структурни форми на ДНК

Моделът Уотсън и Крик, изведен от рентгеновите дифракционни модели, е известен като В-ДНК спирала и е „традиционният” и най-известният модел. Съществуват обаче две други различни форми, наречени A-DNA и Z-DNA.

ДНК - А

Вариантът "A" се върти вдясно, точно като B-DNA, но е по-къс и по-широк. Тази форма се появява, когато относителната влажност намалява.

A-DNA се върти на всеки 11 базови двойки, като основният канал е по-тесен и дълбок от B-DNA. По отношение на малката бразда, това е по-повърхностно и широко.

ДНК - Z

Третият вариант е Z-DNA. Това е най-тясната форма, образувана от група хексануклеотиди, организирани в дуплекс от антипаралелни вериги. Една от най-забележителните характеристики на тази форма е, че тя завива вляво, докато другите два начина го правят надясно.

Z-DNA се появява, когато има къси последователности от пиримидини и пурини, които се редуват един с друг. Основният sulcus е плосък, а малкият е тесен и по-дълбок, в сравнение с B-DNA.

Въпреки че при физиологични условия молекулата на ДНК е предимно във формата си В, съществуването на двата описани варианта разкрива гъвкавостта и динамичността на генетичния материал.

Характеристика

ДНК молекулата съдържа цялата информация и инструкции, необходими за изграждането на организъм. Пълният набор от генетична информация в организмите се нарича геном.

Съобщението е кодирано от "биологичната азбука": четирите споменати по-рано бази, A, T, G и C.

Съобщението може да доведе до образуването на различни видове протеини или код за някакъв регулаторен елемент. Процесът, чрез който тези бази данни могат да доставят съобщение, е обяснен по-долу:

Репликация, транскрипция и превод

Съобщението, криптирано в четирите букви A, T, G и C, води до фенотип (не всички ДНК последователности кодират протеини). За да постигне това, ДНК трябва да се репликира във всеки процес на клетъчно деление.

Репликацията на ДНК е полуконсервативна: една нишка служи като шаблон за образуването на новата дъщерна молекула. Репликация, катализирана от редица ензими, включително ДНК примаза, ДНК хеликаза, ДНК лигаза и топоизомераза.

Впоследствие съобщението - написано на език на основна последователност - трябва да бъде предадено на междинна молекула: РНК (рибонуклеинова киселина). Този процес се нарича транскрипция.

За да се случи транскрипцията, трябва да участват различни ензими, включително РНК полимераза.

Този ензим е отговорен за копирането на съобщението на ДНК и превръщането му в месингова РНК молекула. С други думи, целта на транскрипцията е да се получи месинджърът.

И накрая, преводът на съобщението в молекули на РНК на пратеника става благодарение на рибозомите.

Тези структури приемат месинджърната РНК и заедно с машината за превод образуват посочения протеин.

Генетичният код

Съобщението се чете в „тройници“ или групи от три букви, които определят за аминокиселина - градивните елементи на протеините. Възможно е да се дешифрира посланието на тризнаците, тъй като генетичният код вече е напълно разкрит.

Преводът винаги започва с аминокиселината метионин, която е кодирана от стартовия триплет: AUG. "U" представлява основният урацил и е характерен за РНК и замества тимина.

Например, ако пратената РНК има следната последователност: AUG CCU CUU UUU UUA, тя се превежда в следните аминокиселини: метионин, пролин, левцин, фенилаланин и фенилаланин. Обърнете внимание, че две тройки - в този случай UUU и UUA - могат да кодират една и съща аминокиселина: фенилаланин.

Поради това свойство се казва, че генетичният код е дегенериран, тъй като аминокиселината е кодирана от повече от една последователност от триплети, с изключение на аминокиселината метионин, която диктува началото на транслацията.

Процесът се спира със специфични триплети за спиране или спиране: UAA, UAG и UGA. Те са известни под имената съответно на охра, кехлибар и опал. Когато рибозомата ги открие, те вече не могат да добавят повече аминокиселини към веригата.

Химични и физични свойства

Нуклеиновите киселини имат кисела природа и са разтворими във вода (хидрофилна). Възможно е образуването на водородни връзки между фосфатните групи и хидроксилните групи на пентозите с вода. Тя се зарежда отрицателно при физиологично pH.

ДНК разтворите са силно вискозни, поради способността за устойчивост на деформация на двойната спирала, която е много твърда. Вискозитетът намалява, ако нуклеиновата киселина е едноверижна.

Те са високо стабилни молекули. Логично тази характеристика трябва да бъде незаменима в структурите, които носят генетична информация. В сравнение с РНК, ДНК е много по-стабилна, тъй като липсва хидроксилна група.

ДНК може да бъде топлинно денатурирана, тоест нишките се разделят, когато молекулата е изложена на високи температури.

Количеството топлина, което трябва да бъде приложено, зависи от процента на G - C на молекулата, тъй като тези основи са свързани с три водородни връзки, увеличавайки устойчивостта срещу отделяне.

По отношение на абсорбцията на светлина те имат пик при 260 нанометра, който се увеличава, ако нуклеиновата киселина е едноверижна, тъй като нуклеотидните пръстени са изложени и те са отговорни за абсорбцията.

еволюция

Според Lazcano et al. 1988 г. ДНК се появява в етапи на преход от РНК, като е едно от най-важните събития в историята на живота.

Авторите предлагат три етапа: първи период, където е имало молекули, подобни на нуклеиновите киселини, по-късно геномите са съставени от РНК и като последен етап се появяват двойно лентовите ДНК геноми.

Някои доказателства подкрепят теорията за първичен свят, базирана на РНК. Първо, протеиновият синтез може да се случи при липса на ДНК, но не и когато липсва РНК. Освен това са открити РНК молекули с каталитични свойства.

По отношение на синтеза на дезоксирибонуклеотиди (присъстващи в ДНК), те винаги идват от редукцията на рибонуклеотиди (присъстващи в РНК).

Еволюционното нововъведение на молекулата на ДНК трябва да изисква наличието на ензими, които синтезират ДНК прекурсори и участват в обратната транскрипция на РНК.

Чрез изучаване на настоящите ензими може да се заключи, че тези протеини са еволюирали няколко пъти и че преходът от РНК към ДНК е по-сложен, отколкото се смяташе досега, включително процеси на трансфер и загуба на гени и неортологични замествания.

ДНК секвениране

ДНК последователността се състои в изясняване на последователността на ДНК веригата по отношение на четирите основи, които я съставят.

Познаването на тази последователност е от изключително значение за биологичните науки. Може да се използва за разграничаване между два морфологично много сходни вида, за откриване на заболявания, патологии или паразити и дори има криминалистична приложимост.

Сангер секвенирането е разработено през 1900 г. и е традиционната техника за изясняване на последователност. Въпреки възрастта си, той е валиден метод и широко използван от изследователите.

Сангер метод

Методът използва ДНК полимераза, високонадежден ензим, който репликира ДНК в клетките, синтезирайки нова верига ДНК, използвайки съществуваща като ориентир. Ензимът изисква грунд за иницииране на синтеза. Праймерът е малка молекула от ДНК, допълваща молекулата, която трябва да бъде секвенирана.

В реакцията се добавят нуклеотиди, които ще бъдат включени в новата верига на ДНК от ензима.

В допълнение към "традиционните" нуклеотиди, методът включва серия от дидеоксинуклеотиди за всяка от базите. Те се различават от стандартните нуклеотиди по две характеристики: структурно не позволяват ДНК полимераза да добави повече нуклеотиди към дъщерната верига и те имат различен флуоресцентен маркер за всяка база.

Резултатът е разнообразие от ДНК молекули с различна дължина, тъй като дидеоксинуклеотидите бяха включени произволно и спряха процеса на репликация на различни етапи.

Това разнообразие от молекули може да бъде разделено според дължината им и идентичността на нуклеотидите се отчита чрез излъчване на светлина от флуоресцентния етикет.

Следващо поколение секвениране

Техниките на секвениране, разработени през последните години, позволяват мащабния анализ на милиони проби едновременно.

Сред най-известните методи са пиросеквенционирането, секвенирането чрез синтез, секвенирането чрез лигиране и следващото поколение секвениране от Ion Torrent.

Препратки

1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., et al. (2002 г.). Молекулярна биология на клетката. 4-то издание. Ню Йорк: Garland Science. Структурата и функцията на ДНК. Достъпно на: ncbi.nlm.nih.gov/
2. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., et al. (2002 г.). Молекулярна биология на клетката. 4-то издание. Ню Йорк: Garland Science. Хромозомна ДНК и нейното опаковане в хроматиновото влакно. Достъпно на: ncbi.nlm.nih.gov
3. Berg, JM, Tymoczko, JL, Stryer, L. (2002). Биохимия. 5-то издание. Ню Йорк: WH Freeman. Раздел 27.1, ДНК може да предполага разнообразие от структурни форми. Достъпно на: ncbi.nlm.nih.gov
4. Фиеро, А. (2001). Кратка история на откриването на структурата на ДНК. Rev Méd Clínica Las Condes, 20, 71-75.
5. Forterre, P., Filée, J. & Myllykallio, H. (2000-2013) Произход и еволюция на машините за репликация на ДНК и ДНК. В: Мадам Кюри База данни за биологични науки. Остин (Тексас): Биология на Ландс. Достъпно на: ncbi.nlm.nih.gov
6. Lazcano, A., Guerrero, R., Margulis, L., & Oro, J. (1988). Еволюционният преход от РНК към ДНК в ранните клетки. Списание за молекулна еволюция, 27 (4), 283-290.
7. Лодиш, Х., Берк, А., Зипурски, SL и др. (2000 г.). Молекулярна клетъчна биология. 4-то издание. Ню Йорк: WH Freeman. Раздел 9.5, Организиране на клетъчна ДНК в хромозоми. Достъпно на: ncbi.nlm.nih.gov/books
8. Voet, D., Voet, JG, & Pratt, CW (1999). Основи на биохимията. Ню Йорк: Джон Уили и синове.