DNR istorija, funkcijos, struktūra, komponentai



The DNR (deoksiribonukleino rūgštis) yra biomolekulė, kurioje yra visa informacija, reikalinga organizmui sukurti ir jo veikimui palaikyti. Jis susideda iš vienetų, vadinamų nukleotidais, suformuoti fosfatų grupės, penkių angliavandenių cukraus molekulės ir azoto pagrindo..

Yra keturios azoto bazės: adeninas (A), citozinas (C), guaninas (G) ir timinas (T). Adeninas visada siejasi su timinu ir guaninu su citozinu. DNR grandinėje esantis pranešimas transformuojamas į pasiuntinio RNR ir dalyvauja baltymų sintezėje.

DNR yra labai stabili molekulė, neigiamai įkrauta fiziologiniu pH, kuris yra susijęs su teigiamais baltymais (histonais), kad efektyviai kompaktiškas eukariotinių ląstelių branduolyje. Ilga DNR kryptis kartu su įvairiais susijusiais proteinais sudaro chromosomą.

Indeksas

  • 1 Istorija
  • 2 Komponentai
  • 3 Struktūra
    • 3.1 Mokesčių įstatymas
    • 3.2 Dvigubas spiralės modelis
  • 4 Organizacija
    • 4.1 Histonai
    • 4.2 Nukleosomos ir 30 nm pluoštas
    • 4.3 Chromosomos
    • 4.4 Prokariotų organizavimas
    • 4.5 DNR kiekis
  • 5 DNR struktūrinės formos
    • 5.1 DNR-A
    • 5.2 ADN-Z
  • 6 Funkcijos
    • 6.1. Replikacija, transkripcija ir vertimas
    • 6.2. Genetinis kodas
  • 7 Cheminės ir fizinės savybės
  • 8 Evoliucija
  • 9 DNR sekos nustatymas
    • 9.1 Sangerio metodas
  • 10 Naujos kartos sekos nustatymas
  • 11 Nuorodos

Istorija

1953 m. Amerikietis Jamesas Watsonas ir Didžiosios Britanijos Francis Crick sugebėjo išsiaiškinti trijų dimensijų DNR struktūrą, nes Rosalind Franklin ir Maurice Wilkins atliko kristalografijos darbą. Jie taip pat savo išvadas grindė kitų autorių darbais.

DNR atskleidimas rentgeno spinduliais sudaro difrakcijos modelį, kuris gali būti panaudotas molekulės struktūrai nustatyti: dviejų antiparalelinių grandinių, sukančių į dešinę, spiralė, kur abu grandinės yra susietos vandenilio jungtimis tarp bazių , Gautas modelis buvo toks:

Struktūrą galima laikyti vadovaujantis Bragg difrakcijos įstatymais: kai objektas yra įdėtas į rentgeno spindulių vidurį, jis atsispindi, nes objekto elektronai sąveikauja su spinduliu.

1953 m. Balandžio 25 d. Prestižiniame žurnale buvo paskelbti Watson ir Crick rezultatai Gamta, dviejų puslapių straipsnyje, pavadintame „Nukleino rūgščių molekulinė struktūra„Tai visiškai revoliuciją biologijos srityje.

Dėl šio atradimo 1962 m. Mokslininkai gavo Nobelio medicinos premiją, išskyrus Frankliną, kuris mirė prieš pristatymą. Šiuo metu šis atradimas yra vienas iš svarbiausių mokslinio metodo sėkmės pavyzdžių siekiant įgyti naujų žinių.

Komponentai

DNR molekulę sudaro nukleotidai, vienetai, sudaryti iš penkių angliavandenių, prijungtų prie fosfato grupės, ir azoto bazės. DNR randamas cukraus tipas yra deoksiribozės tipas, taigi ir jo pavadinimas, dezoksiribonukleino rūgštis.

Kad susidarytų grandinė, nukleotidai kovalentiškai sujungiami fosfodiesterio jungtimi 3'-hidroksilo grupės (-OH) pagalba iš vieno cukraus ir 5'-fosfosfo iš sekančio nukleotido.

Negalima painioti nukleotidų su nukleozidais. Pastarasis reiškia nukleotido dalį, kurią sudaro tik pentozė (cukrus) ir azoto bazė.

DNR sudaro keturių tipų azoto bazės: adeninas (A), citozinas (C), guaninas (G) ir timinas (T).

Azoto bazės skirstomos į dvi kategorijas: purinas ir pirimidinai. Pirmąją grupę sudaro penkių atomų žiedas, sujungtas su kitu šešių žiedu, o pirimidinai susideda iš vieno žiedo.

Iš minėtų bazių adeninas ir guaninas yra purinų dariniai. Priešingai, pirimidinų grupė priklauso timinui, citozinui ir uracilui (esama RNR molekulėje)..

Struktūra

DNR molekulę sudaro dvi nukleotidų grandinės. Ši „grandinė“ yra žinoma kaip DNR grandinė.

Abi kryptis jungia vandenilio jungtys tarp papildomų bazių. Azoto bazės yra kovalentiškai susietos su cukrumi ir fosfatais.

Kiekviena vienoje grandinėje esantis nukleotidas gali būti sujungtas su kitu specifiniu kitos krypties nukleotidu, kad susidarytų žinomas dvigubas spiralė. Kad būtų sukurta veiksminga struktūra, A visuomet susieja T su dviem vandenilio tiltais, o G su C - trys tiltai.

Chargaffo įstatymas

Jei tirsime azoto bazių proporcijas DNR, pamatysime, kad A kiekis yra identiškas T kiekiui ir tas pats su G ir C. Šis modelis žinomas kaip „Chargaff“ įstatymas.

Šis susiejimas yra energiškai palankus, nes jis leidžia išlaikyti panašų plotį išilgai konstrukcijos, išlaikant panašų atstumą išilgai cukraus ir fosfato skeleto molekulės. Atkreipkite dėmesį, kad žiedo pagrindas yra sujungtas su vienu žiedu.

Dvigubo spiralės modelis

Siūloma, kad dvigubas spiralės srautas būtų sudarytas iš 10,4 nukleotidų, atskirtų atstumu nuo centro iki centro - 3,4 nanometro. Vyniojimo procesas sukelia konstrukcijos griovelių susidarymą, galintį stebėti pagrindinį ir nedidelį griovelį.

Grioveliai atsiranda dėl to, kad bazinių porų glikozidinės jungtys nėra priešingos viena kitai, atsižvelgiant į jų skersmenį. Mažiausiame griovyje yra pirimidinas O-2 ir purinas N-3, o pagrindinis griovelis yra priešingame regione.

Jei mes naudojame kopėčių analogiją, laiptai susideda iš vienas kitą papildančių bazinių porų, o skeletas atitinka du griebtuvus.

DNR molekulės galai nėra vienodi, todėl kalbame apie „poliškumą“. Vienas iš jo galų, 3 ', turi -OH grupę, o 5' gale yra laisvos fosfatų grupės.

Abi kryptys yra priešparalelinės, o tai reiškia, kad jos yra priešingos jų poliariškumui:

Be to, vienos iš siūlų seka turi papildyti savo partnerį, jei ji yra A padėtis, antiparaleliniame sriegyje turi būti T.

Organizacija

Kiekviename žmogaus ląstelėje yra maždaug du metrai DNR, kurie turi būti efektyviai supakuoti.

Sriegis turi būti suspaustas taip, kad jį būtų galima laikyti 6 μm skersmens mikroskopinėje šerdyje, kuri užima tik 10% ląstelės tūrio. Tai įmanoma dėl šių tankinimo lygių:

Histonai

Eukariotuose yra baltymų, vadinamų histonais, kurie turi galimybę prisijungti prie DNR molekulės, nes tai yra pirmasis koncentracijos tankis. Histonai turi teigiamų krūvių, kad galėtų sąveikauti su neigiamais DNR įkrovimais, kuriuos skatina fosfatai.

Histonai yra tokie svarbūs eukariotinių organizmų baltymai, kurie evoliucijos metu buvo beveik nekintantys - prisimindami, kad mažas mutacijų skaičius rodo, kad selektyvus spaudimas šiai molekulei yra stiprus. Histonų defektas gali sukelti defektinį DNR tankinimą.

Histonai gali būti modifikuoti biochemiškai, o šis procesas keičia genetinės medžiagos tankinimo lygį.

Kai histonai yra "hipoacetilinti", chromatinas yra labiau kondensuotas, nes acetilintos formos neutralizuoja teigiamus lizinų (teigiamai įkrautų aminorūgščių) įkrovos baltyme.

Nukleosomos ir 30 nm pluoštas

DNR kryptis yra susukta į histonus ir formuoja struktūras, panašias į perlų karolio karoliukus, vadinamus nukleozomais. Šios struktūros centre yra du kiekvieno tipo histonų tipai: H2A, H2B, H3 ir H4. Skirtingų histonų sąjunga vadinama „histono oktameru“..

Oktamerą supa 146 porų bazių, suteikiant mažiau nei du posūkius. Žmogaus diploidinėje ląstelėje yra maždaug 6,4 x 109 nukleotidų, kurie yra suskirstyti į 30 milijonų nukleozomų.

Nukleosomų organizacija leidžia suspausti DNR daugiau nei trečdaliu pradinio ilgio.

Genetinės medžiagos ekstrahavimo fiziologinėmis sąlygomis metu pastebima, kad nukleozomos yra išdėstytos 30 nanometrų pluošte..

Chromosomos

Chromosomos yra funkcinis paveldėjimo vienetas, kurio funkcija yra nešioti individo genus. Genas yra DNR segmentas, kuriame yra informacija, skirta sintezuoti baltymą (arba baltymų seriją). Tačiau yra ir genų, kurie koduoja reguliavimo elementus, tokius kaip RNR.

Visose žmogaus ląstelėse (išskyrus lytines ląsteles ir kraujo eritrocitus) yra dvi kiekvienos chromosomos kopijos, viena paveldėta iš tėvo ir kitos iš motinos..

Chromosomos yra struktūros, sudarytos iš ilgos linijinės DNR dalies, susietos su minėtais baltymų kompleksais. Paprastai eukariotuose visa genetinė medžiaga, įtraukta į branduolį, yra suskirstyta į daugelį chromosomų.

Organizacija prokariotuose

Prokariotai yra organizmai, neturintys branduolio. Šiose rūšyse genetinė medžiaga yra labai susukta kartu su mažos molekulinės masės šarminiais proteinais. Tokiu būdu DNR yra suspausta ir yra centriniame bakterijos regione.

Kai kurie autoriai paprastai nurodo šią struktūrą "bakterinė chromosoma", nors ir neturi tų pačių eukariotinės chromosomos savybių.

DNR kiekis

Ne visos organizmų rūšys turi tokį patį DNR kiekį. Tiesą sakant, ši vertė labai skiriasi tarp rūšių ir nėra ryšio tarp DNR kiekio ir organizmo sudėtingumo. Šis prieštaravimas vadinamas „C vertės paradoksu“.

Loginis argumentavimas būtų intuituoti, kad kuo sudėtingesnis organizmas, tuo daugiau DNR turi. Tačiau tai nėra tiesa.

Pavyzdžiui, lungfish genomas Protopterus aethiopicus jos dydis yra 132 pg (DNR gali būti kiekybiškai įvertinama pikogramais = pg), o žmogaus genomas sveria tik 3,5 pg.

Nepamirškite, kad ne visos organizmo DNR koduoja baltymus, didelė jų dalis yra susijusi su reguliavimo elementais ir skirtingais RNR tipais.

DNR struktūrinės formos

Watson ir Crick modelis, išplaukiantis iš rentgeno spindulių difrakcijos modelių, yra žinomas kaip B-DNR spiralė ir yra „tradicinis“ ir geriausiai žinomas modelis. Tačiau yra dvi kitos skirtingos formos, vadinamos DNR-A ir DNR-Z.

DNR-A

„A“ variantas sukasi į dešinę, kaip ir DNR-B, bet yra trumpesnis ir platesnis. Ši forma atsiranda, kai santykinė drėgmė mažėja.

DNR-A sukasi kas 11 bazinių porų, pagrindinis griovelis yra siauresnis ir gilesnis už B-DNR. Mažesnio griovelio atžvilgiu tai yra paviršutiniškesnė ir platesnė.

ADN-Z

Trečiasis variantas yra Z-DNR. Tai yra siauriausia forma, kurią sudaro heksanukleotidų grupė, organizuota antiparalelinių grandinių dvipuse. Vienas iš ryškiausių šios formos bruožų yra tai, kad jis sukasi į kairę, o kitos dvi formos - dešinėje.

Z-DNR atsiranda, kai yra trumpų pakaitinių pirimidinų ir purinų sekų. Didesnis griovelis yra lygus ir mažesnis yra siauresnis ir gilesnis, palyginti su B-DNR.

Nors fiziologinėmis sąlygomis DNR molekulė yra daugiausia B formos, dviejų aprašytų variantų buvimas atskleidžia genetinės medžiagos lankstumą ir dinamiką..

Funkcijos

DNR molekulėje yra visa informacija ir instrukcijos, būtinos organizmui sukurti. Kviečiamas visas organizmų genetinės informacijos rinkinys genomas.

Pranešimą koduoja „biologinė abėcėlė“: keturios anksčiau minėtos bazės, A, T, G ir C.

Pranešimas gali sukelti įvairių tipų baltymų formavimąsi arba koduoti kai kuriuos reguliavimo elementus. Procesas, kuriuo šios bazės gali pateikti pranešimą, yra paaiškintas toliau:

Replikacija, transkripcija ir vertimas

Pranešime, užšifruotame keturiose raidėse A, T, G ir C, gaunamas fenotipas (ne visi baltymų DNR sekos kodai). Norint tai pasiekti, DNR turi daugintis kiekviename ląstelių pasiskirstymo procese.

DNR replikacija yra pusiau konservatyvi: grandinė tarnauja kaip naujos dukterinės molekulės formavimo šablonas. Įvairūs fermentai katalizuoja replikaciją, įskaitant DNR primases, DNR helikazę, DNR ligazę ir topoizomerazę.

Vėliau pranešimas, parašytas bazinės sekos kalba, turi būti perduotas tarpinei molekulei: RNR (ribonukleino rūgštis). Šis procesas vadinamas transkripcija.

Kad transkripcija įvyktų, turi dalyvauti įvairūs fermentai, įskaitant RNR polimerazę.

Šis fermentas yra atsakingas už DNR pranešimo kopijavimą ir konversiją į Messenger RNR molekulę. Kitaip tariant, transkripcijos tikslas yra gauti pasiuntinį.

Galiausiai, ribosomų dėka pranešimas yra išverstas į pasiuntinių RNR molekules.

Šios struktūros ima pasiuntinio RNR ir kartu su vertimo mašina sudaro nurodytą baltymą.

Genetinis kodas

Pranešimas skaitomas „tripletuose“ arba trijų raidžių grupėse, nurodančiose amino rūgštį - baltymų struktūrinius blokus. Galima iššifruoti tripletų pranešimą, nes genetinis kodas jau buvo visiškai atskleistas.

Vertimas visada prasideda aminorūgščių metioninu, kurį koduoja pradžios tripletas: AUG. "U" reiškia uracilo bazę ir yra būdingas RNR ir papildo timiną.

Pavyzdžiui, jei pasiuntinio RNR turi sekančią seką: AUG CCU CUU UUU UUA, ji verčiama į šias aminorūgštis: metioniną, proliną, leuciną, fenilalaniną ir fenilalaniną. Atkreipkite dėmesį, kad yra įmanoma, kad du tripletai - šiuo atveju UUU ir UUA - yra tos pačios aminorūgšties kodas: fenilalaninas.

Šiai savybei sakoma, kad genetinis kodas yra degeneruotas, nes aminorūgštį koduoja daugiau nei viena tripletų seka, išskyrus aminorūgščių metioniną, kuris diktuoja vertimo pradžią.

Procesas sustabdomas su konkrečiais nutraukimo arba sustabdymo tripletais: UAA, UAG ir UGA. Jie yra žinomi pagal okerą, gintarą ir opalą. Kai ribosomas juos aptinka, jie nebegali į grandinę pridėti daugiau aminorūgščių.

Cheminės ir fizinės savybės

Nukleino rūgštys yra rūgštinės ir tirpios vandenyje (hidrofilinėse). Gali atsirasti vandenilio jungčių tarp fosfatų grupių ir pentozių hidroksilo grupių su vandeniu. Jis yra neigiamai įkrautas fiziologiniu pH.

DNR tirpalai yra labai klampūs, nes yra atsparūs dvigubo spiralės deformacijai, kuri yra labai standi. Klampumas mažėja, jei nukleino rūgštis yra vienagrė.

Jie yra labai stabilios molekulės. Logiška, kad ši funkcija turi būti būtina struktūrose, kuriose yra genetinė informacija. Palyginti su RNR, DNR yra daug stabilesnė, nes trūksta hidroksilo grupės.

DNR gali būti denatūruojama šiluma, tai yra, juostelės atskiriamos, kai molekulė yra veikiama aukštoje temperatūroje.

Šilumos kiekis, kuris turi būti taikomas, priklauso nuo molekulės G-C procentinės dalies, nes šios bazės yra sujungtos trimis vandenilio jungtimis, didinant atsparumą atskyrimui.

Kalbant apie šviesos absorbciją, jų didžiausia vertė yra 260 nanometrų, o tai padidėja, jei nukleino rūgštis yra vienos eilės, nes jie atskleidžia nukleotidų žiedus ir yra atsakingi už absorbciją..

Evoliucija

Pasak Lazcano et al. 1988 m. DNR atsiranda perėjimo iš RNR etapuose, kuris yra vienas svarbiausių įvykių gyvenimo istorijoje.

Autoriai siūlo tris etapus: pirmasis laikotarpis, kai egzistavo panašios į nukleino rūgštis molekulės, vėliau genomai buvo suformuoti iš RNR, o paskutiniame etape atsirado dvigubos juostos DNR genomai.

Kai kurie įrodymai palaiko pirminio pasaulio, pagrįsto RNR, teoriją. Pirma, baltymų sintezė gali atsirasti be DNR, bet ne tada, kai trūksta RNR. Be to, buvo aptiktos RNR molekulės su katalizinėmis savybėmis.

Kalbant apie deoksiribonukleotido (esančio DNR) sintezę, jie visada gaunami redukuojant ribonukleotidus (esančius RNR)..

DNR molekulės evoliucinė naujovė turi reikalauti fermentų, kurie sintezuoja DNR pirmtakus ir dalyvauja RNR retransliavime..

Ištyrus dabartinius fermentus, galima daryti išvadą, kad šie baltymai kelis kartus išsivystė ir kad perėjimas nuo RNR prie DNR yra sudėtingesnis nei anksčiau manoma, įskaitant genų perdavimo ir praradimo procesus ir neorologinius pakeitimus..

DNR sekos nustatymas

DNR sekos nustatymas yra DNR sekos sekos išaiškinimas pagal keturias bazes, kurios jį sudaro.

Šios sekos žinios yra labai svarbios biologiniams mokslams. Jis gali būti naudojamas dviejų morfologiškai labai panašių rūšių diskriminavimui, ligų, patologijų ar parazitų aptikimui ir netgi teismo praktikai..

„Sanger“ seka buvo sukurta 1900-aisiais ir tai yra tradicinis metodas, leidžiantis paaiškinti seką. Nepaisant amžiaus, tai yra galiojantis metodas, plačiai naudojamas mokslininkams.

Sangerio metodas

Šis metodas naudoja DNR polimerazę, labai patikimą fermentą, kuris replikuoja DNR ląstelėse, sintetindamas naują DNR grandinę, naudodamas kitą jau egzistuojančią gairę. Fermentui reikia a pirma arba pradmenis sintezei pradėti. Gruntas yra nedidelė DNR molekulė, papildanti molekulę, kurią norite sekti.

Reakcijoje dedami nukleotidai, kurie bus įtraukti į naują DNR grandinę fermentu.

Be "tradicinių" nukleotidų, šis metodas apima kiekvienos bazės dideoksinukleotidų seriją. Jie skiriasi nuo standartinių nukleotidų dviem būdais: struktūriškai jie neleidžia DNR polimerazei pridėti daugiau nukleotidų į dukterinę grandinę ir turi skirtingą fluorescencinį žymeklį kiekvienai bazei..

Rezultatas yra įvairių ilgio DNR molekulių įvairovė, nes dideoksinukleotidai buvo atsitiktinai įtraukti ir sustabdyti replikacijos procesą įvairiais etapais.

Šią molekulių įvairovę galima atskirti pagal jų ilgį ir nukleotidų tapatumą skaityti šviesos emisija iš fluorescencinės etiketės..

Naujos kartos seka

Pastaraisiais metais sukurti sekos nustatymo metodai leidžia masyviai analizuoti milijonus mėginių vienu metu.

Tarp labiausiai išskirtinių metodų yra pirozės nustatymas, sekos nustatymas sintezės būdu, sekos nustatymas ligavimo būdu ir kitos kartos sekos nustatymas pagal Ion Torrent..

Nuorodos

  1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., et al. (2002). Ląstelės molekulinė biologija. 4-asis leidimas. Niujorkas: Garland Science. DNR struktūra ir funkcija. Galima rasti adresu: ncbi.nlm.nih.gov/
  2. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., et al. (2002). Ląstelės molekulinė biologija. 4-asis leidimas. Niujorkas: Garland Science. Chromosomų DNR ir jo pakavimas Chromatino pluošte. Galima rasti adresu: ncbi.nlm.nih.gov
  3. Berg, J. M., Tymoczko, J.L., Stryer, L. (2002). Biochemija 5-asis leidimas. Niujorkas: W H Freeman. 27.1 skirsnis, DNR gali prisiimti įvairias struktūrines formas. Galima rasti adresu: ncbi.nlm.nih.gov
  4. Fierro, A. (2001). Trumpa DNR struktūros atradimo istorija. Rev Med klinika Las Condes, 20, 71-75.
  5. Forterre, P., Filée, J. & Myllykallio, H. (2000-2013) DNR ir DNR replikacijos mechanizmų kilmė ir raida. Į: Madame Curie bioscience duomenų bazė [Internetas] Ostinas (TX): Landes Bioscience. Galima rasti adresu: ncbi.nlm.nih.gov
  6. Lazcano, A., Guerrero, R., Margulis, L. ir Oro, J. (1988). Evoliucinis perėjimas nuo RNR prie DNR ankstyvosiose ląstelėse. Molekulinės evoliucijos leidinys, 27(4), 283-290.
  7. Lodish, H., Berk, A., Zipursky, S.L., et al. (2000). Molekulinės ląstelės biologija. 4-asis leidimas. Niujorkas: W. H. Freeman. 9.5 skirsnis - Ląstelinės DNR organizavimas į chromosomas. Galima rasti adresu: ncbi.nlm.nih.gov/books
  8. Voet, D., Voet, J. G. ir Pratt, C. W. (1999). Biochemijos pagrindai. Naujas Jorkas: John Willey ir Sons.