ДНК: ИСТОРИЈА, ФУНКЦИЈЕ, СТРУКТУРА, КОМПОНЕНТЕ - БИОЛОГИЈА - 2025

ДНК (дезоксирибонуклеинске киселине) је биомолекул садржи све информације потребне за генерисање тела и одржавају његово функционисање. Састоји се од јединица названих нуклеотиди, које заузврат чине фосфатна група, молекул шећера са пет угљеника и азотна база.

Постоје четири азотне базе: аденин (А), цитозин (Ц), гванин (Г) и тимин (Т). Аденин се увек пали са тимином, а гванин са цитозином. Порука садржана у ланцу ДНК трансформише се у месна РНА и она учествује у синтези протеина.

ДНК је изузетно стабилан молекул, негативно наелектрисан на физиолошком пХ, који се повезује са позитивним протеинима (хистонима) како би се ефикасно компактовао у језгру еукариотских ћелија. Дуги ланац ДНК, заједно са разним повезаним протеинима, формира хромозом.

Историја

1953. Американци Џејмс Вотсон и Британац Францис Крицк успели су да расветле тродимензионалну структуру ДНК захваљујући раду на кристалографији који су спровели Росалинд Франклин и Маурице Вилкинс. Своје закључке засновали су и на раду других аутора.

Када је ДНК изложен рендгенским зрацима, формира се дифракцијски образац који се може користити за закључивање структуре молекула: хеликс два антипарална ланца који се окрећу у десно, где су оба ланца спојена водоничним везама између база. . Добијени образац је следећи:

Структура се може претпоставити на основу Браггових закона дифракције: када се објект налази усред рендгенског снопа, он се рефлектује, будући да електрони објекта делују у интеракцији са снопом.

25. априла 1953. године, резултати Ватсон-а и Црицка објављени су у престижном часопису Натуре, у чланку од само две странице под називом "Молекуларна структура нуклеинских киселина", што би у потпуности револуционарало поље биологије.

Захваљујући овом открићу, истраживачи су добили Нобелову награду за медицину 1962., осим Франклина који је умро пре порођаја. Тренутно је ово откриће један од главних показатеља успеха научне методе у стицању нових знања.

Компоненте

Молекул ДНК сачињен је од нуклеотида, јединица које чине шећер од пет угљеника везан за фосфатну групу и азотну базу. Врста шећера која се налази у ДНК је деоксирибоза и отуда је и назив дезоксирибонуклеинска киселина.

Да би формирали ланац, нуклеотиди су ковалентно повезани везом типа фосфодиестера кроз 3'-хидроксилну групу (-ОХ) од шећера и 5'-фосфафо следећег нуклеотида.

Нуклеотиде не треба мешати са нуклеозидима. Последњи се односи на део нуклеотида који формира само пентоза (шећер) и азотна база.

ДНК чине четири врсте азотних база: аденин (А), цитозин (Ц), гванин (Г) и тимин (Т).

База азота се класификују у две категорије: пурини и пиримидини. Прву групу чини прстен од пет атома везан за други прстен од шест, док су пиримидини састављени од једног прстена.

Од наведених база, аденин и гванин су деривати пурина. Супротно томе, тимин, цитозин и урацил (присутни у молекули РНК) припадају групи пиримидина.

Структура

Молекул ДНК се састоји од два ланца нуклеотида. Овај "ланац" познат је као ланац ДНК.

Две нити су повезане водоничним везама између комплементарних база. Душикове базе ковалентно су повезане са кичмом шећера и фосфата.

Сваки нуклеотид који се налази на једној нити може бити спојен са другим специфичним нуклеотидом на другом ланцу, чиме се формира добро позната двострука спирала. Да би се формирала ефикасна структура, А се увек спаја са Т помоћу две водоничне везе, а Г са Ц помоћу три везе.

Цхаргаффов закон

Ако проучимо пропорције азотних база у ДНК, открићемо да је количина А идентична количини Т и иста је са Г и Ц. Овај образац је познат као Цхаргаффов закон.

Ово упаривање је енергетски повољно, јер омогућава очување сличне ширине дуж структуре, одржавање сличног растојања дуж молекул-шећера-фосфата. Имајте на уму да се база прстена спаја са једним од прстена.

Модел са двоструком хеликсом

Предлаже се да се двострука спирала састоји од 10,4 нуклеотида по окретају, одвојених растојањем од центра до центра 3,4 нанометра. Процес котрљања ствара формирање утора у структури, тако да је у стању да се примети већи и мањи утор.

Жљебови настају зато што гликозидне везе у основним паровима нису насупрот једна другој, с обзиром на њихов пречник. Пиримидин О-2 и пурин Н-3 налазе се у доњем утору, док се главни утор налази у супротном подручју.

Ако користимо аналогију мердевина, решетке се састоје од комплементарних парова база једни другима, док костур одговара двема трачницама.

Крајеви молекула ДНК нису исти, због чега говоримо о „поларности“. Један од његових крајева, 3 ', садржи -ОХ групу, док 5' крај има слободну фосфатну групу.

Двије нити су смјештене антипарално, што значи да су смјештене на супротни начин у односу на њихове поларитете, како слиједи:

Поред тога, редослед једног од праменова мора бити комплементаран његовом партнеру, ако је положај у којем постоји А, у антипаралном ланцу мора бити Т.

Организација

У свакој људској ћелији има отприлике два метра ДНК која мора бити ефикасно упакована.

Ланац мора бити збијен тако да може да се налази у микроскопском језгру пречника 6 µм које заузима само 10% запремине ћелије. Ово је могуће захваљујући следећим нивоима сабијања:

Хистонес

У еукариотама постоје протеини звани хистони, који имају способност да се вежу за молекулу ДНК, што је први ниво сабијања нити. Хистони имају позитивне набоје да могу да ступе у интеракцију са негативним набојима ДНК, који обезбеђују фосфати.

Хистони су протеини толико важни за еукариотске организме да су током еволуције практично непромењени - сећајући се да мала стопа мутација указује на то да су селективни притисци на тај молекул снажни. Пораз хистона може резултирати неисправним сабијањем ДНК.

Хистони се могу биохемијски модификовати и овај процес модификује ниво сабијања генетског материјала.

Када се хистони „хипоацетилирају“, хроматин је кондензованији, пошто ацетилирани облици неутралишу позитивне набоје лизина (позитивно набијене аминокиселине) у протеину.

Нуклеозоми и 30 нм влакана

Ланац ДНК се увија у хистоне и они формирају структуре које подсећају на перлице на бисерној огрлици, названој нуклеосоми. У срцу ове структуре налазе се две копије хистона сваке врсте: Х2А, Х2Б, Х3 и Х4. Уједињење различитих хистона назива се "хистонски октамер".

Октамер је окружен са око 146 парова база, који круже мање од два пута. Људска диплоидна ћелија садржи отприлике 6,4 к 10 ⁹ нуклеотида који су организовани у 30 милиона нуклеозома.

Организовање у нуклеозоме омогућава сабијање ДНК на више од трећине првобитне дужине.

У процесу екстракције генетског материјала у физиолошким условима примећено је да су нуклеозоми распоређени у влакну од 30 нанометара.

Хромосоми

Хромосоми су функционална јединица наследности чија је функција да носе гене појединца. Ген је сегмент ДНК који садржи информације за синтезу протеина (или серије протеина). Међутим, постоје и гени који кодирају регулаторне елементе, као што је РНА.

Све људске ћелије (осим гамета и црвених крвних зрнаца) имају по две копије сваког хромозома, једну наслеђену од оца, а другу од мајке.

Хромосоми су структуре сачињене од дугачког линеарног дела ДНК који је повезан са горе споменутим протеинским комплексима. Обично у еукариотама сав генетски материјал који је укључен у језгро подељен је у низ хромозома.

Организација у прокариоте

Прокариоти су организми којима недостаје језгро. Код ових врста генетски материјал је високо савијен заједно са алкалним протеинима ниске молекулске тежине. На тај начин се компактује ДНК и налази се у централном региону бактерија.

Неки аутори често ову структуру називају „бактеријским хромозомом“, иако он нема исте карактеристике еукариотског хромозома.

Количина ДНК

Не садрже све врсте организама исту количину ДНК. У ствари, ова вредност је веома променљива између врста и не постоји веза између количине ДНК и сложености организма. Ова контрадикција позната је као „парадокс вредности Ц“.

Логично резоновање било би интуитивно да што је организам сложенији, то има више ДНК. Међутим, то у природи није тачно.

На пример, геном плућа Протоптерус аетхиопицус је величине 132 пг (ДНК се може квантификовати у пицограмима = пг), док људски геном тежи само 3,5 пг.

Мора се запамтити да није сва ДНК организма кодирана за протеине, велика количина тога је повезана са регулаторним елементима и са различитим врстама РНА.

Структурни облици ДНК

Модел Ватсон и Црицк, изведен из рендгенске дифракцијске шаре, познат је као спирална Б-ДНА и „традиционални“ и најпознатији модел. Међутим, постоје још два различита облика, која се називају А-ДНА и З-ДНА.

ДНК - А

"А" варијанта се окреће удесно, баш као и Б-ДНК, али је краћа и шира. Овај облик се појављује када се релативна влага смањи.

А-ДНА се ротира на сваких 11 парова базе, а главни утор је ужи и дубљи од Б-ДНК. Што се тиче мањег утора, овај је површнији и шири.

ДНК - З

Трећа варијанта је З-ДНА. То је најужи облик, формиран групом хексануклеотида организованих у дуплексу антипаралних ланаца. Једна од најистакнутијих карактеристика овог облика је та да се скреће лево, док друга два начина то чине десно.

З-ДНА се појављује када постоје кратки низови пиримидина и пурина који се наизменично мењају. Главни сулкус је раван, а мањи је узак и дубљи, у поређењу са Б-ДНК.

Иако је у физиолошким условима молекул ДНК углавном у свом Б облику, постојање две описане варијанте открива флексибилност и динамичност генетског материјала.

Карактеристике

Молекул ДНК садржи све информације и упутства неопходна за изградњу организма. Комплетан сет генетских информација у организмима назива се геном.

Порука је кодирана "биолошким писмом": четири поменуте базе, А, Т, Г и Ц.

Порука може довести до стварања различитих врста протеина или код за неки регулаторни елемент. Ниже је објашњен поступак којим те базе података могу доставити поруку:

Репликација, транскрипција и превод

Порука шифрована у четири слова А, Т, Г и Ц резултира фенотипом (нису сви ДНК секвенце кодирани за протеине). Да би се то постигло, ДНК мора да се реплицира у сваком процесу деобе ћелије.

Репликација ДНК је полуконзервативна: један прамен служи као образац за формирање новог кћерког молекула. Репликацију катализује низ ензима, укључујући ДНК примазу, ДНА хеликазу, ДНК лигазу и топоизомеразу.

Након тога, порука - написана језиком основне секвенце - мора се пренијети на интермедијарни молекул: РНА (рибонуклеинска киселина). Овај процес се назива транскрипција.

Да би дошло до транскрипције морају учествовати различити ензими, укључујући РНА полимеразу.

Овај ензим је одговоран за копирање поруке ДНК и претварање у молекулски РНА. Другим речима, циљ транскрипције је да се добије гласник.

Коначно, долази до превођења поруке у гласнике РНА гласника, захваљујући рибосомима.

Ове структуре преузимају меснату РНК и заједно са машинама за превођење формирају наведени протеин.

Генетски код

Порука се чита у "тројкама" или групама од три слова која одређују аминокиселину - грађевинске блокове протеина. Могуће је дешифрирати поруку тројки јер је генетски код већ у потпуности откривен.

Превођење увек започиње аминокиселином метионином, која је кодирана почетним триплетом: АУГ. "У" представља базни урацил и карактеристичан је за РНК и супституира тимин.

На пример, ако месна РНА има следећу секвенцу: АУГ ЦЦУ ЦУУ УУУ УУА, она се преводи у следеће аминокиселине: метионин, пролин, леуцин, фенилаланин и фенилаланин. Имајте на уму да две тројке - у овом случају УУУ и УУА - могу кодирати исту аминокиселину: фенилаланин.

Због овог својства, каже се да је генетски код дегенериран, будући да је аминокиселина кодирана са више од једног низа троструких, осим аминокиселине метионин, која диктира почетак транслације.

Процес се зауставља специфичним стоп-стоп или стоп тројкама: УАА, УАГ и УГА. Познати су под именима окер, амбер и опал. Кад их рибосом открије, више не могу да додају више аминокиселина у ланац.

Хемијска и физичка својства

Нуклеинске киселине су киселе природе и растворљиве су у води (хидрофилне). Може доћи до стварања водоничне везе између фосфатних група и хидроксилних група пентоза с водом. Негативно се набија при физиолошком пХ.

ДНК раствори су врло вискозни, због способности отпорности на деформацију двоструке спирале, која је врло крута. Вискозност се смањује ако је нуклеинска киселина једноланчана.

Они су високо стабилни молекули. Логично је да ова карактеристика мора бити неопходна у структурама које носе генетске информације. У поређењу са РНК, ДНК је много стабилнија јер јој недостаје хидроксилна група.

ДНК се може топлотно денатурирати, то јест, нити се раздвајају када је молекул изложен високим температурама.

Количина топлоте која се мора применити зависи од процента Г - Ц у молекули, јер су ове базе повезане три водоничне везе, повећавајући отпорност на одвајање.

Што се тиче апсорпције светлости, они имају максимум на 260 нанометара, који се повећава ако је нуклеинска киселина једноланчана, јер су нуклеотидни прстенови изложени и они су одговорни за апсорпцију.

Еволуција

Према Лазцано ет ал. ДНК из 1988. године из РНА настаје у прелазним фазама, представљајући један од најважнијих догађаја у историји живота.

Аутори предлажу три фазе: први период где су постојали молекули слични нуклеинским киселинама, касније су се геноми састојали од РНА и као последња фаза појавили су се двоструки генски ДНК.

Неки докази подржавају теорију о примарном свету засновану на РНА. Прво, синтеза протеина може да се деси у одсуству ДНК, али не и када РНА недостаје. Надаље, откривени су молекули РНА с каталитичким својствима.

Што се тиче синтезе деоксирибонуклеотида (присутних у ДНК), они увек потичу од редукције рибонуклеотида (присутних у РНА).

Еволуциона иновација молекула ДНК мора да је захтевала присуство ензима који синтетишу прекурсоре ДНК и који учествују у обратној транскрипцији РНА.

Проучавањем тренутних ензима може се закључити да су се ови протеини развијали неколико пута и да је прелазак са РНК на ДНК сложенији него што се раније веровало, укључујући процесе преноса и губитка гена и не-ортолошких замена.

ДНК секвенцирање

ДНК секвенцирање састоји се у расветљавању секвенце ланца ДНК у односу на четири базе које га чине.

Познавање ове секвенце је од највећег значаја у биолошким наукама. Може се користити за разликовање две морфолошки врло сличне врсте, за откривање болести, патологија или паразита, па чак и форензичку применљивост.

Сангер секвенцирање развијено је 1900-их и традиционална је техника разјашњења секвенце. Упркос својим годинама, то је валидна метода и широко је коришћена од стране истраживача.

Сангер метода

Метода користи ДНК полимеразу, високо поуздан ензим који умножава ДНК у ћелијама, синтетишући нови ланац ДНК користећи претходно постојећу као водич. Ензиму је потребан прајмер за покретање синтезе. Прајмер је мали молекул ДНК комплементаран молекулу који треба да се секвенише.

У реакцији се додају нуклеотиди који ће ензим бити уграђени у нови ланац ДНК.

Поред "традиционалних" нуклеотида, метода укључује низ дидеоксинуклеотида за сваку од база. Разликују се од стандардних нуклеотида по две карактеристике: структурно не дозвољавају ДНК полимерази да дода више нуклеотида у кћерни ланац и имају различит флуоресцентни маркер за сваку базу.

Резултат је разноликост молекула ДНК различите дужине, будући да су дидеоксинуклеотиди уграђени насумично и заустављали процес репликације у различитим фазама.

Ова разноликост молекула може се одвојити у складу са њиховом дужином, а идентитет нуклеотида очитава помоћу емисије светлости са флуоресцентне етикете.

Редослед следеће генерације

Технике секвенцирања развијене последњих година омогућавају масовну анализу милиона узорака истовремено.

Међу најистакнутијим методама су пироцевенирање, секвенцирање синтезом, секвенционирање лигацијом и секвенција следеће генерације Ион Торрент.

Референце

1. Албертс, Б., Јохнсон, А., Левис, Ј. и др. (2002). Молекуларна биологија ћелије. 4. издање Нев Иорк: Гарланд Сциенце. Структура и функција ДНК. Доступно на: нцби.нлм.них.гов/
2. Албертс, Б., Јохнсон, А., Левис, Ј. и др. (2002). Молекуларна биологија ћелије. 4. издање Нев Иорк: Гарланд Сциенце. Хромосомска ДНК и њено паковање у хроматинским влакнима. Доступно на: нцби.нлм.них.гов
3. Берг, ЈМ, Тимоцзко, ЈЛ, Стриер, Л. (2002). Биохемија. 5. издање Нев Иорк: ВХ Фрееман. Одељак 27.1, ДНК може претпоставити различите структурне форме. Доступно на: нцби.нлм.них.гов
4. Фиерро, А. (2001). Кратка историја открића структуре ДНК. Рев Мед Цлиница Лас Цондес, 20, 71-75.
5. Фортерре, П., Филее, Ј. & Милликаллио, Х. (2000-2013) Порекло и еволуција ДНК и машина за умножавање ДНК. У: База података о биознаности Мадаме Цурие. Аустин (ТКС): Ландес Биосциенце. Доступно на: нцби.нлм.них.гов
6. Лазцано, А., Гуерреро, Р., Маргулис, Л., & Оро, Ј. (1988). Еволуцијски прелаз из РНА у ДНК у раним ћелијама. Часопис за молекуларну еволуцију, 27 (4), 283-290.
7. Лодисх, Х., Берк, А., Зипурски, СЛ, ет ал. (2000). Молекуларна ћелијска биологија. 4. издање Нев Иорк: ВХ Фрееман. Одељак 9.5, Организовање ћелијске ДНК у хромосоме. Доступно на: нцби.нлм.них.гов/боокс
8. Воет, Д., Воет, ЈГ, & Пратт, ЦВ (1999). Основе биохемије. Нев Иорк: Јохн Виллеи анд Сонс.