DNS: VĒSTURE, FUNKCIJAS, STRUKTŪRA, KOMPONENTI - BIOLOĢIJA - 2025

DNS (dezoksiribonukleīnskābes) ir biomolekulu satur visu nepieciešamo informāciju, lai ģenerētu ķermeni un uzturēt tās darbību. To veido vienības, ko sauc par nukleotīdiem, savukārt veido fosfātu grupa, piecu oglekļa cukura molekula un slāpekļa bāze.

Ir četras slāpekļa bāzes: adenīns (A), citozīns (C), guanīns (G) un timīns (T). Adenīns vienmēr pārī ar timīnu un guanīns ar citozīnu. Ziņojums, kas atrodas DNS virknē, tiek pārveidots par MNS Messenger, un tas piedalās olbaltumvielu sintēzē.

DNS ir ārkārtīgi stabila molekula, negatīvi uzlādēta pie fizioloģiskā pH, kas asociējas ar pozitīvajiem proteīniem (histoniem), lai efektīvi sablīvētos eikariotu šūnu kodolā. Gara DNS ķēde kopā ar dažādiem saistītajiem proteīniem veido hromosomu.

Vēsture

Pateicoties Rosalind Franklin un Maurice Wilkins darbam kristalogrāfijā, 1953. gadā amerikāņiem Džeimsu Vatsonam un britam Francisam Kriksam izdevās noskaidrot trīsdimensiju DNS struktūru. Viņi savus secinājumus pamatoja arī ar citu autoru darbu.

Kad DNS tiek pakļauts rentgena stariem, veidojas difrakcijas shēma, kuru var izmantot, lai secinātu molekulas struktūru: divu pretparalēlu ķēžu spirāle, kas griežas pa labi, kur abas ķēdes ir savienotas ar ūdeņraža saitēm starp bāzēm. . Iegūtais modelis bija šāds:

Struktūru var pieņemt pēc Braga difrakcijas likumiem: kad objekts ir ievietots rentgena staru vidū, tas tiek atspoguļots, jo objekta elektroni mijiedarbojas ar staru.

1953. gada 25. aprīlī Vatsona un Krika rezultāti tika publicēti prestižajā žurnālā Nature tikai divu lappušu rakstā ar nosaukumu “Nukleīnskābju molekulārā uzbūve”, kas pilnībā mainītu bioloģijas jomu.

Pateicoties šim atklājumam, pētnieki saņēma Nobela prēmiju medicīnā 1962. gadā, izņemot Franklinu, kurš nomira pirms piegādes. Pašlaik šis atklājums ir viens no lieliskajiem zinātniskās metodes panākumu eksponātiem jaunu zināšanu iegūšanai.

Komponenti

DNS molekulu veido nukleotīdi, vienības, kas sastāv no piecu oglekļa cukura, kas piestiprināta pie fosfātu grupas, un slāpekļa bāzes. Cukura tips, kas atrodams DNS, ir dezoksiribozes tips, un līdz ar to tā nosaukums ir dezoksiribonukleīnskābe.

Lai izveidotu ķēdi, nukleotīdi ir kovalenti saistīti ar fosfodiestera tipa saiti caur 3'-hidroksilgrupu (-OH) no cukura un nākamā nukleotīda 5'-fosfofo.

Nukleotīdus nedrīkst jaukt ar nukleozīdiem. Pēdējais attiecas uz nukleotīda daļu, ko veido tikai pentoze (cukurs) un slāpekļa bāze.

DNS veido četru veidu slāpekļa bāzes: adenīns (A), citozīns (C), guanīns (G) un timīns (T).

Slāpekļa bāzes tiek iedalītas divās kategorijās: purīni un pirimidīni. Pirmo grupu veido piecu atomu gredzens, kas pievienots vēl vienam sešu gredzenam, savukārt pirimidīni sastāv tikai no viena gredzena.

No minētajām bāzēm adenīns un guanīns ir purīnu atvasinājumi. Turpretī timīns, citozīns un uracils (atrodas RNS molekulā) pieder pie pirimidīnu grupas.

Uzbūve

DNS molekulu veido divas nukleotīdu ķēdes. Šī "ķēde" ir pazīstama kā DNS virkne.

Divus virzienus saista ūdeņraža saites starp komplementārajām bāzēm. Slāpekļa bāzes ir kovalenti saistītas ar cukuru un fosfātu mugurkaulu.

Katru nukleotīdu, kas atrodas uz vienas virknes, var savienot ar citu specifisku nukleotīdu, kas atrodas uz otras virknes, lai izveidotu labi zināmo dubulto spirāli. Lai izveidotu efektīvu struktūru, A vienmēr savienojas ar T ar divām ūdeņraža saitēm, un G ar C ar trim saitēm.

Čaršafa likums

Ja mēs izpētīsim slāpekļa bāzu proporcijas DNS, mēs atklāsim, ka A daudzums ir identisks T daudzumam un tāds pats ar G un C. Šis modelis ir pazīstams kā Čaršafa likums.

Šis savienojums pārī ir enerģētiski labvēlīgs, jo tas ļauj saglabāt līdzīgu platumu visā struktūrā, saglabājot līdzīgu attālumu gar cukura-fosfāta mugurkaula molekulu. Ņemiet vērā, ka gredzena pamatne sakrīt ar vienu no gredzeniem.

Divkāršās spirāles modelis

Tiek ierosināts, ka dubultā spirāle sastāv no 10,4 nukleotīdiem uz pagrieziena, atdalot no centra līdz centram 3,4 nanometrus. Velmēšanas procesā konstrukcijā veidojas rievas, spējot novērot lielāku un mazāku rievu.

Rievas rodas tāpēc, ka glikozīdu saites pamatnes pāros nav pretī viena otrai attiecībā pret to diametru. Pirimidīns O-2 un purīns N-3 ir atrodami mazajā rievā, savukārt galvenā rieva atrodas pretējā reģionā.

Ja mēs izmantojam kāpņu analoģiju, kāpšļi sastāv no savstarpēji papildinošiem pamatnes pāriem, savukārt skelets atbilst abām saķeres sliedēm.

DNS molekulas gali nav vienādi, tāpēc mēs runājam par “polaritāti”. Vienā no tā galiem, 3 ', ir -OH grupa, bet 5' galā ir brīvā fosfāta grupa.

Abas šķipsnas ir novietotas antiparalēli, kas nozīmē, ka tās atrodas pretējā virzienā attiecībā uz to polaritāti:

Turklāt vienas no virknēm secībai jābūt papildināmai ar savu partneri, ja tā ir pozīcija, kur ir A, antiparalēlajā virknē jābūt T.

Organizācija

Katrā cilvēka šūnā ir aptuveni divi metri DNS, kas efektīvi jāiepako.

Šķipsna ir jāsablīvē tā, lai to varētu ievietot mikroskopiskā kodolā ar diametru 6 μm, kas aizņem tikai 10% no šūnas tilpuma. Tas ir iespējams, pateicoties šādiem sablīvēšanās līmeņiem:

Histoni

Eikariotos ir olbaltumvielas, ko sauc par histoniem, kurām piemīt spēja saistīties ar DNS molekulu, kas ir virknes sablīvēšanas pirmais līmenis. Histoniem ir pozitīvas lādītes, lai tie varētu mijiedarboties ar negatīvajiem DNS lādiņiem, ko nodrošina fosfāti.

Histoni ir olbaltumvielas, kas ir tik svarīgas eikariotu organismiem, ka evolūcijas gaitā tās praktiski nav mainījušās - atceroties, ka zems mutāciju ātrums norāda, ka selektīvais spiediens uz šo molekulu ir spēcīgs. Histonu defekts var izraisīt DNS nepilnīgu sablīvēšanos.

Histonus var bioķīmiski modificēt, un šis process maina ģenētiskā materiāla sablīvēšanās līmeni.

Kad histoni ir "hipoacetilēti", hromatīns ir vairāk kondensēts, jo acetilētas formas neitralizē lizīnu (pozitīvi lādētu aminoskābju) pozitīvās lādiņas olbaltumvielās.

Nukleosomas un 30 nm šķiedra

DNS virkne savērpjas histonos, un tie veido struktūras, kas atgādina pērles kaklarotas lodītes, ko sauc par nukleosomām. Šīs struktūras centrā ir divu veidu histonu divas kopijas: H2A, H2B, H3 un H4. Dažādu histonu savienība tiek saukta par "histona oktameru".

Oktamēru ieskauj apmēram 146 bāzes pāri, kas riņķo mazāk nekā divas reizes. Cilvēka diploīdā šūna satur aptuveni 6,4 x ¹⁰⁹ nukleotīdus, kas ir sakārtoti 30 miljonos nukleosomu.

Organizācija nukleosomās ļauj DNS sablīvēt vairāk nekā trešdaļā no sākotnējā garuma.

Ģenētiskā materiāla ekstrakcijas procesā fizioloģiskos apstākļos novēro, ka nukleosomas ir sakārtotas 30 nanometru šķiedrā.

Hromosomas

Hromosomas ir iedzimtības funkcionālā vienība, kuras funkcija ir nēsāt indivīda gēnus. Gēns ir DNS segments, kas satur informāciju olbaltumvielu (vai olbaltumvielu sērijas) sintezēšanai. Tomēr ir arī gēni, kas kodē regulatīvos elementus, piemēram, RNS.

Visām cilvēka šūnām (izņemot gametas un asins šūnas) ir divas katras hromosomas kopijas, no kurām viena ir mantota no tēva, otra - no mātes.

Hromosomas ir struktūras, ko veido garš lineārs DNS gabals, kas saistīts ar iepriekšminētajiem olbaltumvielu kompleksiem. Parasti eukariotos viss kodols iekļautais ģenētiskais materiāls tiek sadalīts hromosomu sērijās.

Organizācija prokariotos

Prokarioti ir organismi, kuriem nav kodola. Šajās sugās ģenētiskais materiāls ir ļoti savijies kopā ar sārmajiem proteīniem ar mazu molekulmasu. Tādā veidā DNS tiek sablīvēta un atrodas baktēriju centrālajā reģionā.

Daži autori šo struktūru bieži sauc par “baktēriju hromosomu”, lai gan tai nav tādu pašu īpašību kā eikariotu hromosomai.

DNS daudzums

Ne visās organismu sugās ir vienāds daudzums DNS. Faktiski šī vērtība ir ļoti mainīga starp sugām, un nav saistības starp DNS daudzumu un organisma sarežģītību. Šī pretruna ir pazīstama kā "C vērtības paradokss".

Loģisks pamatojums būtu intuitēt, ka, jo sarežģītāks ir organisms, jo vairāk DNS tam ir. Tomēr tas neatbilst patiesībai.

Piemēram, plaušu zivs Protopterus aethiopicus genoms ir 132 pg liels (DNS var kvantitatīvi noteikt pikogrammās = pg), kamēr cilvēka genoms sver tikai 3,5 pg.

Jāatceras, ka ne visi organisma DNS kodē olbaltumvielas, liels daudzums to ir saistīts ar regulatīvajiem elementiem un dažādajiem RNS.

DNS strukturālās formas

Vatsona un Krika modelis, kas iegūts no rentgenstaru difrakcijas shēmām, ir pazīstams kā B-DNS spirāle un ir “tradicionālais” un pazīstamākais modelis. Tomēr pastāv vēl divas dažādas formas, ko sauc par A-DNS un Z-DNA.

DNS - A

"A" variants griežas pa labi, tāpat kā B-DNS, bet ir īsāks un platāks. Šī forma parādās, kad relatīvais mitrums samazinās.

A-DNS rotē ik pēc 11 bāzes pāriem, galvenā rieva ir šaurāka un dziļāka nekā B-DNS. Attiecībā uz nelielu rievu tas ir vairāk virspusējs un plašs.

DNS - Z

Trešais variants ir Z-DNS. Tā ir šaurākā forma, ko veido heksanukleotīdu grupa, kas sakārtota antiparalēlu ķēžu dupleksā. Viena no izcilākajām šīs formas iezīmēm ir tā, ka tā pagriežas pa kreisi, bet pārējie divi veidi to dara pa labi.

Z-DNS parādās, ja ir īsas pirimidīnu un purīnu secības, kas savstarpēji mainās. Galvenais sulcus ir plakans, un minor ir šaurs un dziļāks, salīdzinot ar B-DNS.

Kaut arī fizioloģiskos apstākļos DNS molekula lielākoties ir tās B formā, divu aprakstīto variantu esamība pakļauj ģenētiskā materiāla elastību un dinamiku.

Iespējas

DNS molekulā ir visa informācija un instrukcijas, kas nepieciešamas organisma veidošanai. Pilns ģenētiskās informācijas komplekts organismos tiek saukts par genomu.

Ziņojumu kodē “bioloģiskais alfabēts”: iepriekšminētās četras bāzes, A, T, G un C.

Ziņojums var izraisīt dažāda veida olbaltumvielu veidošanos vai kāda regulējoša elementa kodu. Tālāk ir izskaidrots process, kādā šīs datu bāzes var piegādāt ziņojumu.

Replicēšana, transkripcija un tulkošana

Ar četriem burtiem A, T, G un C šifrētu ziņojumu iegūst fenotipu (ne visas DNS sekvences kodē olbaltumvielas). Lai to panāktu, DNS ir jāreplicējas katrā šūnu dalīšanas procesā.

DNS replikācija ir daļēji konservatīva: viena virkne kalpo kā veidne jaunās meitas molekulas veidošanai. Replikāciju katalizē vairāki fermenti, ieskaitot DNS primāzi, DNS helikāzi, DNS ligatūru un topoizomerāzi.

Pēc tam ziņojums, kas rakstīts bāzes secības valodā, jāpārraida uz starpposma molekulu: RNS (ribonukleīnskābe). Šo procesu sauc par transkripciju.

Lai notiktu transkripcija, jāpiedalās dažādiem fermentiem, ieskaitot RNS polimerāzi.

Šis ferments ir atbildīgs par DNS ziņojuma kopēšanu un pārvēršanu par RNS molekulu. Citiem vārdiem sakot, transkripcijas mērķis ir iegūt kurjeru.

Visbeidzot, pateicoties ribosomām, notiek ziņojuma pārvēršana Messenger RNS molekulās.

Šīs struktūras uzņem Messenger RNS un kopā ar translācijas mehānismu veido noteikto olbaltumvielu.

Ģenētiskais kods

Ziņojums tiek lasīts trīskāršos burtos vai trīs burtu grupās, kas norāda aminoskābi - olbaltumvielu celtniecības blokus. Trīsvienīgo ziņojumu ir iespējams atšifrēt, jo ģenētiskais kods jau ir pilnībā atklāts.

Tulkošana vienmēr sākas ar aminoskābi metionīnu, ko kodē sākuma triplets: AUG. "U" apzīmē bāzes uracilu un ir raksturīgs RNS un nomāc timīnu.

Piemēram, ja messenger RNS ir šāda secība: AUG CCU CUU UUU UUA, tas tiek tulkots šādās aminoskābēs: metionīns, prolīns, leicīns, fenilalanīns un fenilalanīns. Ņemiet vērā, ka divi tripleti - šajā gadījumā UUU un UUA - var kodēt to pašu aminoskābi: fenilalanīnu.

Sakarā ar šo īpašību tiek teikts, ka ģenētiskais kods ir deģenerēts, jo aminoskābi kodē vairāk nekā viena tripletu secība, izņemot aminoskābi metionīnu, kas nosaka translācijas sākumu.

Process tiek apturēts ar īpašiem stop vai stop tripletiem: UAA, UAG un UGA. Tie ir zināmi attiecīgi ar okera, dzintara un opāla vārdiem. Kad ribosomas tos atrod, ķēdē viņi vairs nevar pievienot vairāk aminoskābes.

Ķīmiskās un fizikālās īpašības

Nukleīnskābes ir skābas un šķīst ūdenī (hidrofilas). Var notikt ūdeņraža saišu veidošanās starp fosfātu grupām un pentožu hidroksilgrupām ar ūdeni. Tas ir negatīvi lādēts pie fizioloģiskā pH.

DNS šķīdumi ir ļoti viskozi, pateicoties divkāršās spirāles izturībai pret deformāciju, kas ir ļoti neelastīga. Viskozitāte samazinās, ja nukleīnskābe ir vienpavediena.

Tās ir ļoti stabilas molekulas. Loģiski, ka šai īpašībai ir jābūt neaizstājamai struktūrās, kas nes ģenētisko informāciju. Salīdzinot ar RNS, DNS ir daudz stabilāks, jo tajā trūkst hidroksilgrupas.

DNS var siltuma denaturēt, tas ir, šķipsnas atdalās, kad molekulu pakļauj augstām temperatūrām.

Pielietojamā siltuma daudzums ir atkarīgs no molekulas G-C procentiem, jo ​​šīs bāzes ir savienotas ar trim ūdeņraža saitēm, palielinot pretestību atdalīšanai.

Attiecībā uz gaismas absorbciju tiem ir maksimums pie 260 nanometriem, kas palielinās, ja nukleīnskābe ir vienpavediena, jo nukleotīdu gredzeni ir pakļauti un tie ir atbildīgi par absorbciju.

Evolūcija

Saskaņā ar Lazcano et al. 1988. gads DNS veidojas pārejas posmos no RNS, kas ir viens no vissvarīgākajiem notikumiem dzīves vēsturē.

Autori piedāvā trīs posmus: pirmo periodu, kurā bija molekulas, kas līdzīgas nukleīnskābēm, vēlāk genomus veidoja RNS un kā pēdējais posms parādījās dubultjoslu DNS genomi.

Daži pierādījumi atbalsta primārās pasaules teoriju, kuras pamatā ir RNS. Pirmkārt, olbaltumvielu sintēze var notikt, ja nav DNS, bet ne tad, ja trūkst RNS. Turklāt ir atklātas RNS molekulas ar katalītiskām īpašībām.

Kas attiecas uz dezoksiribonukleotīdu (kas atrodas DNS) sintēzi, tie vienmēr rodas no ribonukleotīdu (kas atrodas RNS) samazināšanas.

DNS molekulas evolūcijas jaunievedumiem vajadzēja pieprasīt enzīmu klātbūtni, kas sintezē DNS prekursorus un piedalās RNS reversajā transkripcijā.

Pētot pašreizējos fermentus, var secināt, ka šie proteīni ir attīstījušies vairākas reizes un ka pāreja no RNS uz DNS ir sarežģītāka, nekā tika uzskatīts iepriekš, ieskaitot gēnu pārnešanas un zaudēšanas procesus un ne-ortoloģiskos aizvietotājus.

DNS sekvencēšana

DNS sekvencēšana sastāv no DNS virknes secības noskaidrošanas četrās bāzēs, kas to veido.

Zināšanas par šo secību ir ārkārtīgi svarīgas bioloģiskajās zinātnēs. To var izmantot, lai atšķirtu divas morfoloģiski ļoti līdzīgas sugas, lai atklātu slimības, patoloģijas vai parazītus, un pat to var izmantot kriminālistikā.

Sangera sekvencēšana tika izstrādāta pagājušā gadsimta divdesmitajos gados, un tā ir tradicionālā tehnika secības noskaidrošanai. Neskatoties uz vecumu, tā ir derīga metode, ko pētnieki plaši izmanto.

Sangera metode

Metodē izmanto DNS polimerāzi, ļoti uzticamu enzīmu, kas replicē DNS šūnās, sintezējot jaunu DNS virkni, par vadotni izmantojot jau esošu. Fermentam ir nepieciešams gruntējums, lai sāktu sintēzi. Gruntējums ir maza DNS molekula, kas papildina sekvenējamo molekulu.

Reakcijā tiek pievienoti nukleotīdi, kurus enzīms iestrādās jaunajā DNS virknē.

Papildus "tradicionālajiem" nukleotīdiem, metode satur virkni dideoksinukleotīdu katrai bāzei. Viņi atšķiras no standarta nukleotīdiem ar divām īpašībām: strukturāli tie neļauj DNS polimerāzei pievienot vairāk nukleotīdu meitas virknei, un katrai bāzei ir atšķirīgs fluorescējošs marķieris.

Rezultāts ir dažādas dažāda garuma DNS molekulas, jo dideoksinukleotīdi tika iekļauti nejauši un apturēja replikācijas procesu dažādos posmos.

Šo molekulu dažādību var atdalīt pēc to garuma, un nukleotīdu identitāti nolasa, izstarojot gaismu no dienasgaismas marķējuma.

Nākamās paaudzes secība

Pēdējos gados izstrādātās secības metodes ļauj vienlaikus masveidā analizēt miljoniem paraugu.

Starp izcilākajām metodēm var minēt pirosequencing, sekvencēšanu ar sintēzi, secēšanu ar ligation un nākamās paaudzes secību, ko veic Ion Torrent.

Atsauces

1. Alberts, B., Džonsons, A., Lūiss, J., et al. (2002). Šūnas molekulārā bioloģija. 4. izdevums. Ņujorka: Garland Science. DNS struktūra un darbība. Pieejams vietnē: ncbi.nlm.nih.gov/
2. Alberts, B., Džonsons, A., Lūiss, J., et al. (2002). Šūnas molekulārā bioloģija. 4. izdevums. Ņujorka: Garland Science. Hromosomu DNS un tās iesaiņojums hromatīna šķiedrā. Pieejams vietnē: ncbi.nlm.nih.gov
3. Bergs, JM, Tymoczko, JL, Stryer, L. (2002). Bioķīmija. 5. izdevums. Ņujorka: WH Freeman. 27.1. Sadaļa, DNS var pieņemt dažādas struktūras formas. Pieejams vietnē: ncbi.nlm.nih.gov
4. Fierro, A. (2001). DNS struktūras atklāšanas īsa vēsture. Rev Méd Clínica Las Condes, 20, 71-75.
5. Forterre, P., Filée, J. & Myllykallio, H. (2000-2013) DNS un DNS replikācijas iekārtu rašanās un attīstība. In: Madame Curie Bioscience Database. Ostina (TX): Landes Bioscience. Pieejams vietnē: ncbi.nlm.nih.gov
6. Lazcano, A., Guerrero, R., Margulis, L., & Oro, J. (1988). Evolūcijas pāreja no RNS uz DNS agrīnajās šūnās. Žurnāls par molekulāro evolūciju, 27. (4), 283–290.
7. Lodish, H., Berks, A., Zipursky, SL, et al. (2000). Molekulāro šūnu bioloģija. 4. izdevums. Ņujorka: WH Freeman. 9.5. Sadaļa, Šūnu DNS sakārtošana hromosomās. Pieejams vietnē: ncbi.nlm.nih.gov/books
8. Voet, D., Voet, JG, & Pratt, CW (1999). Bioķīmijas pamati. Ņujorka: Džons Vilejs un dēli.