DNS: TÖRTÉNELEM, FUNKCIÓK, SZERKEZET, KOMPONENSEK - BIOLÓGIA - 2026

A DNS (dezoxiribonukleinsav) a biomolekula tartalmazza a test létrehozásához és működésének fenntartásához szükséges összes információt. Nukleotidoknak nevezett egységekből áll, amelyek foszfátcsoportból, öt széntartalmú cukormolekulából és nitrogénbázisból állnak.

Négy nitrogénbázis van: adenin (A), citozin (C), guanin (G) és timin (T). Az adenin mindig párosul a timinnal és a guanin a citozinnal. A DNS-szálban levő üzenet messenger RNS-ké alakul át, és ez részt vesz a fehérjék szintézisében.

A DNS egy rendkívül stabil molekula, negatív töltésű a fiziológiai pH-nál, amely pozitív fehérjékkel (hisztonokkal) társul, hogy hatékonyan kompaktálódjon az eukarióta sejtek magjában. Egy hosszú DNS-lánc, a különféle kapcsolódó fehérjékkel együtt, kromoszómát képez.

Történelem

1953-ban az amerikai James Watson és a brit Francis Crick a Rosalind Franklin és Maurice Wilkins krisztallográfiai munkájának köszönhetően meg tudja tisztázni a DNS háromdimenziós szerkezetét. Megállapításaikat más szerzők munkájára is alapozták.

Amikor a DNS-t röntgen sugaraknak teszik ki, diffrakciós mintázat alakul ki, amely felhasználható a molekula szerkezetének következtetésére: két jobbra forgó anti-párhuzamos lánc hélixe, ahol mindkét láncot a bázisok között hidrogénkötések kötik össze.. A kapott mintázat a következő:

A szerkezet feltételezhető Bragg diffrakciós törvényeinek megfelelően: amikor egy objektumot egy röntgennyaláb közepére helyeznek, akkor visszaverődik, mivel a tárgy elektronjai kölcsönhatásba lépnek a sugárral.

1953. április 25-én Watson és Crick eredményeit a rangos Nature folyóiratban tették közzé, mindössze két oldalú, "Nukleinsavak molekuláris szerkezete" című cikkben, amely teljesen forradalmasítja a biológia területét.

Ennek a felfedezésnek köszönhetően a kutatók 1962-ben Nobel-díjat kaptak, kivéve Franklin, aki a szülés előtt meghalt. Jelenleg ez a felfedezés az új tudás megszerzésének tudományos módszerének egyik legnagyobb példánya.

Alkatrészek

A DNS-molekula nukleotidokból áll, egységek egy öt széntartalmú cukorból állnak, amely egy foszfátcsoporthoz kapcsolódik, és egy nitrogénbázisból áll. A DNS-ben található cukor típusa a dezoxiribóz típus, és ennek neve a dezoxiribonukleinsav.

A lánc kialakításához a nukleotidokat kovalensen összekapcsolják egy foszfodiészter típusú kötéssel egy 3'-hidroxilcsoporton (-OH) egy cukorból és a következő nukleotid 5'-foszfójából.

A nukleotidokat nem szabad összekeverni a nukleozidokkal. Ez utóbbi a nukleotid azon részére vonatkozik, amelyet csak pentóz (cukor) és a nitrogénbázis alkot.

A DNS négyféle nitrogénbázisból áll: adenin (A), citozin (C), guanin (G) és timin (T).

A nitrogénbázisokat két kategóriába sorolják: purinok és pirimidinek. Az első csoport egy öt gyűrűből áll, amely egy másik hat gyűrűhöz kapcsolódik, míg a pirimidinek csak egy gyűrűből állnak.

Az említett bázisok közül az adenin és a guanin a purinek származékai. Ezzel szemben a timin, a citozin és az uracil (az RNS molekulában jelen vannak) a pirimidinek csoportjába tartoznak.

Szerkezet

A DNS-molekula két nukleotidláncból áll. Ezt a "láncot" DNS-szálnak nevezzük.

A két szálat hidrogénkötések kötik össze a komplementer bázisok között. A nitrogénbázisok kovalensen kapcsolódnak a cukrok és foszfátok gerincéhez.

Az egyik szálon elhelyezkedő nukleotidok összekapcsolhatók egy másik specifikus nukleotiddal a másik szálon, hogy a jól ismert kettős hélixet képezzék. A hatékony szerkezet kialakítása érdekében A mindig két hidrogénkötéssel kapcsol T-vel, G háromszoros C-vel.

Chargaff törvénye

Ha megvizsgáljuk a nitrogéntartalmú bázisok arányát a DNS-ben, akkor azt találjuk, hogy A mennyisége megegyezik a T mennyiségével, és ugyanaz a G és a C értékével. Ezt a mintát Chargaff-törvénynek nevezzük.

Ez a párosítás energetikai szempontból kedvező, mivel lehetővé teszi hasonló szélesség megőrzését a szerkezet mentén, hasonló távolság fenntartását a cukor-foszfát gerinc-molekula mentén. Vegye figyelembe, hogy a gyűrű alapja párosul az egyik gyűrűvel.

Dupla spirál modell

Javasolt, hogy a kettős spirál fordulatonként 10,4 nukleotidból álljon, 3,4-nanométer centrumtól-távolságra elválasztva. A hengerelési folyamat hornyok kialakulását eredményezi a szerkezetben, mivel nagyobb és kisebb hornyokat lehet megfigyelni.

A hornyok azért merülnek fel, mert az alappárok glikozidkötései átmérőjük szempontjából nem állnak egymással szemben. A pirimidin O-2 és a purin N-3 az alsó horonyban található, míg a fő horony az ellenkező régióban található.

Ha létrák analógiáját használjuk, akkor a lépcsők egymást kiegészítő alappárokból állnak, míg a csontváz a két fogópályának felel meg.

A DNS-molekula vége nem azonos, ezért beszélünk „polaritásról”. Az egyik vége, a 3 'egy -OH csoportot hordoz, míg az 5' vége szabad foszfátcsoportot tartalmaz.

A két szál egymással párhuzamosan helyezkedik el, ami azt jelenti, hogy polaritásuk szempontjából ellentétes módon vannak elhelyezve, az alábbiak szerint:

Ezenkívül az egyik szál szekvenciájának komplementernek kell lennie partnerével, ha ez egy A helyzet, az antiparallel szálban T.nek kell lennie.

Szervezet

Minden emberi sejtben körülbelül két méternyi DNS található, amelyeket hatékonyan kell csomagolni.

A szálat úgy kell tömöríteni, hogy egy 6 μm átmérőjű mikroszkopikus magba beleférjen, amely a sejt térfogatának csak 10% -át foglalja el. Ez a következő tömörítési szinteknek köszönhetően lehetséges:

hisztonokat

Az eukariótákban vannak olyan hisztonoknak nevezett proteinek, amelyek képesek kötődni a DNS-molekulához, mivel ezek a szál első tömörítési szintje. A hisztonok pozitív töltéssel rendelkeznek, hogy kölcsönhatásba lépjenek a foszfátok által biztosított DNS negatív töltésével.

A hisztonok olyan fontos fehérjék az eukarióta szervezetek számára, hogy az evolúció során gyakorlatilag változatlanok maradtak - emlékezve arra, hogy a mutációk alacsony sebessége azt jelzi, hogy a molekula szelektív nyomása erőteljes. A hisztonok hibája hibás DNS-tömörítést eredményezhet.

A hisztonok biokémiailag módosíthatók, és ez a folyamat módosítja a genetikai anyag tömörödésének szintjét.

Amikor a hisztonok "hipoacetilezve", a kromatin inkább kondenzált, mivel az acetilezett formák semlegesítik a lizin (pozitívan töltött aminosavak) pozitív töltését a fehérjében.

Nukleoszómák és a 30 nm-es rost

A DNS-szál hisztonokba csavarodik és olyan szerkezeteket képeznek, amelyek hasonlítanak a gyöngy nyaklánc gyöngyökre, úgynevezett nukleoszómákra. Ennek a struktúrának a középpontjában a hiszton típusok két példánya van: H2A, H2B, H3 és H4. A különböző hisztonok egyesülését "hiszton-oktamernek" nevezzük.

Az oktamert körülbelül 146 bázispár veszi körül, kevesebb mint kétszer körözve. A humán diploid-sejt tartalmaz mintegy 6,4 x 10 ⁹ nukleotid, hogy vannak rendezve 30 millió nukleoszóma.

A nukleoszómákba történő szervezés lehetővé teszi a DNS-nek az eredeti hosszának több mint egyharmadára történő tömörítését.

A genetikai anyag fiziológiás körülmények között történő extrakciója során megfigyelhető, hogy a nukleoszómák egy 30 nanométeres rostban vannak elrendezve.

A kromoszómák

A kromoszómák az öröklés funkcionális egysége, amelynek feladata az egyén gének hordozása. A gén a DNS egy olyan szegmense, amely egy fehérje (vagy fehérje sorozat) szintéziséhez szükséges információkat tartalmazza. Vannak azonban olyan gének is, amelyek a szabályozó elemeket kódolják, mint például az RNS.

Az összes emberi sejt (a ivarsejtek és a vérsejtek kivételével) mindegyik kromoszómából két példányban van, az egyik az apatól örököl, a másik az anyától.

A kromoszómák olyan struktúrák, amelyek egy hosszú, egyenes DNS darabból állnak, amelyek a fent említett protein komplexekhez kapcsolódnak. Általában az eukariótákban a sejtmagban levő összes genetikai anyag kromoszómák sorozatára oszlik.

Szervezet prokariótákban

A prokarióták olyan szervezetek, amelyekben nincs mag. Ezekben a fajokban a genetikai anyag erősen tekercselt kis molekulatömegű alkáli fehérjékkel. Ily módon a DNS-t tömörítik és a baktériumok központi részében helyezkednek el.

Egyes szerzők ezt a struktúrát gyakran "bakteriális kromoszómának" hívják, bár ennek nem azonos tulajdonságai vannak, mint az eukarióta kromoszómának.

DNS mennyiség

Nem minden organizmusfaj tartalmaz azonos mennyiségű DNS-t. Valójában ez az érték nagyon változó a fajok között, és nincs kapcsolat a DNS mennyisége és a szervezet összetettsége között. Ezt az ellentmondást "C-érték paradoxonnak" hívják.

A logikus érvelés az lenne, ha megértsük, hogy minél összetettebb a szervezet, annál több DNS-é van. A természetben azonban ez nem igaz.

Például a Protopterus aethiopicus tüdőhal genomja 132 pg méretű (a DNS mennyiségileg meghatározható picogramban = pg), míg az emberi genom csak 3,5 pg.

Emlékeztetni kell arra, hogy egy organizmus nem minden DNS-é proteint kódol, ennek nagy része kapcsolódik a szabályozó elemekhez és a különféle RNS-ekhez.

A DNS szerkezeti formái

A röntgen diffrakciós mintázatokból származó Watson és Crick modellt B-DNS spirálnak nevezik, és ez a „hagyományos” és legismertebb modell. Van azonban két másik különféle forma, úgynevezett A-DNS és Z-DNS.

DNS - A

Az "A" változat jobbra forog, akárcsak a B-DNS, de rövidebb és szélesebb. Ez a forma akkor jelenik meg, ha a relatív páratartalom csökken.

Az A-DNS minden 11 bázispárt elforgat, a fő horony keskenyebb és mélyebb, mint a B-DNS. A kisebb horonyhoz képest ez felületes és széles.

DNS - Z

A harmadik változat a Z-DNS. Ez a legszűkebb forma, amelyet egy anti-párhuzamos lánc duplexében elrendezett hexanukleotid-csoport alkot. Ennek az alaknak az egyik legkiemelkedőbb tulajdonsága, hogy balra fordul, míg a másik két út jobbra teszi.

A Z-DNS akkor jelenik meg, ha a pirimidin és purin rövid szekvenciája váltakozik egymással. A fő sulcus lapos, a minor pedig keskeny és mélyebb a B-DNS-hez képest.

Noha fiziológiás körülmények között a DNS-molekula többnyire B-formájában van, a leírt két változat léte a genetikai anyag rugalmasságát és dinamizmusát teszi ki.

Jellemzők

A DNS-molekula tartalmazza a szervezet felépítéséhez szükséges összes információt és utasításokat. Az organizmusok genetikai információinak teljes készletét genomnak nevezik.

Az üzenetet a "biológiai ábécé" kódolja: a korábban említett négy alap, A, T, G és C.

Az üzenet különféle típusú fehérjék képződéséhez vezethet, vagy kódolhat bizonyos szabályozó elemeket. Az alábbiakban ismertetjük azt a folyamatot, amellyel ezek az adatbázisok üzenetet tudnak küldeni:

Replikáció, átírás és fordítás

A négy A, T, G és C betűvel titkosított üzenet fenotípust eredményez (nem az összes DNS-szekvencia kódolja a fehérjéket). Ennek elérése érdekében a DNS-nek replikálnia kell magát a sejtosztódás minden folyamatában.

A DNS replikációja félig konzervatív: az egyik szál mint templom szolgál az új leánymolekula kialakulásához. Számos enzim által katalizált replikáció, beleértve a DNS primázt, a DNS helikázt, a DNS ligázt és a topoizomerázt.

Ezt követően az üzenetet - egy bázis szekvencia nyelven írva - továbbítani kell egy közbenső molekulahoz: RNS (ribonukleinsav). Ezt a folyamatot transzkripciónak nevezzük.

A transzkripció előfordulásához különböző enzimeknek részt kell venniük, beleértve az RNS-polimerázt is.

Ez az enzim felelős a DNS üzenetének másolásáért és Messenger RNS molekulává konvertálásáért. Más szavakkal, az átírás célja a hírnök megszerzése.

Végül, az riboszómáknak köszönhetően az üzenet átalakul messenger RNS molekulákká.

Ezek a struktúrák elviszik a hírvivő RNS-t, és a transzlációs mechanizmusokkal együtt képezik a meghatározott fehérjét.

A genetikai kód

Az üzenet "hármasban" vagy három betűből álló csoportban olvasható, amely meghatározza az aminosavat - a fehérjék építőköveit. A hármasok üzenetét meg lehet dešifugálni, mivel a genetikai kódot már teljesen felfedezték.

A transzláció mindig a metionin aminosavval kezdődik, amelyet a kiindulási triplett: AUG kódol. Az "U" az alap-uracilt jelöli, és jellemző az RNS-re és a timint elnyomó elemekre.

Például, ha a hírvivő RNS a következő szekvenciával rendelkezik: AUG CCU CUU UUU UUA, akkor az a következő aminosavakba fordul: metionin, prolin, leucin, fenilalanin és fenilalanin. Vegye figyelembe, hogy két hármas - ebben az esetben UUU és UUA - azonos aminosavat kódolhat: fenilalanint.

Ezen tulajdonság miatt azt mondják, hogy a genetikai kód degenerált, mivel egy aminosavat egynél több hármas szekvencia kódol, kivéve a metionin aminosavat, amely a transzláció kezdetét diktálja.

A folyamatot meghatározott stop vagy stop hármasokkal állítják le: UAA, UAG és UGA. Ezeket okker, borostyán és opál néven ismerték. Amikor a riboszóma kimutatja őket, nem tudnak több aminosavat hozzáadni a lánchoz.

Kémiai és fizikai tulajdonságok

A nukleinsavak savas természetűek és vízben oldódnak (hidrofil). Hidrogénkötések képződhetnek a foszfátcsoportok és a pentózok hidroxilcsoportjai között vízzel. Fiziológiai pH-nál negatív töltésű.

A DNS-oldatok nagyon viszkózusak, a kettős spirál deformációs ellenállási képessége miatt, amely nagyon merev. A viszkozitás csökken, ha a nukleinsav egyszálú.

Nagyon stabil molekulák. Logikus szempontból ennek a tulajdonságnak nélkülözhetetlennek kell lennie a genetikai információt hordozó struktúrákban. Az RNS-hez képest a DNS sokkal stabilabb, mivel nincs hidroxilcsoportja.

A DNS hő denaturálódhat, vagyis a szálok elválasztódnak, amikor a molekulát magas hőmérsékleten teszik ki.

Az alkalmazandó hőmennyiség a molekula G-C százalékától függ, mivel ezeket a bázisokat három hidrogénkötés köti össze, ami növeli az elválasztási ellenállást.

A fény abszorpcióját illetően csúcsuk 260 nanométer, ami növekszik, ha a nukleinsav egyszálú, mivel a nukleotidgyűrűk vannak kitéve és ezek felelősek az abszorpcióért.

Evolúció

Lazcano et al. 1988 A DNS az átmeneti szakaszokban jelenik meg az RNS-ből, amely az élet történetének egyik legfontosabb eseménye.

A szerzők három szakaszt javasolnak: az első időszakot, ahol a nukleinsavakhoz hasonló molekulák voltak, később a genomok RNS-ből álltak, és az utolsó szakaszban megjelent a kettős sávú DNS-genom.

Néhány bizonyíték alátámasztja az RNS-en alapuló elsődleges világ elméletét. Először, a fehérjeszintézis DNS hiányában is előfordulhat, de nem, ha hiányzik az RNS. Ezenkívül felfedezték a katalitikus tulajdonságokkal rendelkező RNS molekulákat.

A dezoxiribonukleotidok (a DNS-ben jelen levő) szintézisében mindig a ribonukleotidok (az RNS-ben jelen levő) redukciójából származnak.

A DNS-molekulák evolúciós innovációjának enzimek jelenlétét kellett megkövetelnie, amelyek szintetizálják a DNS prekurzorokat és részt vesznek az RNS reverz transzkripciójában.

A jelenlegi enzimek tanulmányozásával arra lehet következtetni, hogy ezek a fehérjék többször fejlődtek, és hogy az RNS-ből a DNS-be történő átmenet sokkal összetettebb, mint azt korábban hittük, ideértve a gének átadásának és elvesztésének folyamatait és a nem ortológ helyettesítéseket.

DNS szekvenálás

A DNS-szekvenálás a DNS-szál szekvenciájának megértését jelenti annak négy bázisa alapján, amelyek azt alkotják.

Ennek a sorrendnek a ismerete rendkívül fontos a biológiai tudományokban. Használható két morfológiailag nagyon hasonló faj megkülönböztetésére, betegségek, patológiák vagy paraziták kimutatására, és még kriminalisztikailag alkalmazható.

A Sanger szekvenálást az 1900-as években fejlesztették ki, és ez a szekvencia tisztázásának hagyományos technikája. Korának ellenére érvényes módszer, amelyet a kutatók széles körben használnak.

Sanger módszer

A módszer DNS-polimerázt használ, egy nagyon megbízható enzimet, amely replikálja a sejteket a DNS-ben, és egy új DNS-szálat szintetizál a referenciaként egy már létező DNS-sel. Az enzimhez primerre van szükség a szintézis megindításához. Az alapozó egy kis DNS-molekula, amely komplementer a szekvenálandó molekulával.

A reakcióban olyan nukleotidokat adunk hozzá, amelyeket az enzim beépít az új DNS-szálba.

A "hagyományos" nukleotidokon kívül az eljárás számos bázisonként tartalmaz nagyoxinukleotidokat. Két jellemzővel különböznek a szokásos nukleotidoktól: szerkezetileg nem engedik meg, hogy a DNS-polimeráz további nukleotidokat adjon a lánylánchoz, és mindegyik bázishoz különböző fluoreszcens markerek vannak.

Ennek eredményeként különféle hosszúságú, eltérő hosszúságú DNS-molekulák vannak, mivel a dideoxinukleotidokat véletlenszerűen építették be és megállították a replikációs folyamatot a különböző szakaszokban.

A molekulák e változatosságát hosszuk alapján lehet elválasztani, és a nukleotidok azonosságát a fluoreszcens címkéből történő fénykibocsátás útján lehet megoldani.

Következő generációs szekvenálás

Az utóbbi években kifejlesztett szekvenálási technikák lehetővé teszik a több millió minta egyidejű masszív elemzését.

A legkiemelkedőbb módszerek között szerepel a pirosekvenálás, a szintézissel történő szekvenálás, a ligálásos szekvenálás és az Ion Torrent következő generációs szekvenálása.

Irodalom

1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., et al. (2002). A sejt molekuláris biológiája. 4. kiadás. New York: Garland Science. A DNS felépítése és működése. Elérhető a következő címen: ncbi.nlm.nih.gov/
2. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., et al. (2002). A sejt molekuláris biológiája. 4. kiadás. New York: Garland Science. Kromoszomális DNS és csomagolása a kromatinszálban. Elérhető a következő címen: ncbi.nlm.nih.gov
3. Berg, J. M., Tymoczko, J. L., Stryer, L. (2002). Biokémia. 5. kiadás. New York: WH Freeman. A 27.1. Szakasz, a DNS számos szerkezeti formát feltételezhet. Elérhető a következő címen: ncbi.nlm.nih.gov
4. Fierro, A. (2001). A DNS szerkezetének felfedezésének rövid története. Rev Méd Clínica Las Condes, 20, 71-75.
5. Forterre, P., Filée, J. és Myllykallio, H. (2000-2013) A DNS és a DNS replikációs gépek eredete és evolúciója. In: Madame Curie Bioscience Database. Austin (TX): Landes Bioscience. Elérhető a következő címen: ncbi.nlm.nih.gov
6. Lazcano, A., Guerrero, R., Margulis, L., és Oro, J. (1988). A korai sejtekben az evolúciós átmenet az RNS-ből a DNS-be. Journal of molecular evolution, 27. (4), 283-290.
7. Lodish, H., Berk, A., Zipursky, SL, et al. (2000). Molekuláris sejtbiológia. 4. kiadás. New York: WH Freeman. 9.5. Szakasz, A sejtes DNS szervezése kromoszómákba. Elérhető a következő címen: ncbi.nlm.nih.gov/books
8. Voet, D., Voet, JG és Pratt, CW (1999). A biokémia alapjai. New York: John Willey és fiai.