DNA tarihi, işlevleri, yapısı, bileşenleri



DNA (deoksiribonükleik asit), bir organizma oluşturmak ve işleyişini sürdürmek için gerekli tüm bilgileri içeren biyomoleküldür. Bir fosfat grubu, beş karbonlu bir şeker molekülü ve azotlu bir bazdan oluşan nükleotitler denilen birimlerden oluşur..

Dört azotlu baz vardır: adenin (A), sitozin (C), guanin (G) ve timin (T). Adenin her zaman timin ve guanin ile sitozin ile çiftleşir. DNA zincirinde yer alan mesaj bir haberci RNA'ya dönüşür ve bu proteinlerin sentezine katılır.

DNA, ökaryotik hücrelerin çekirdeğinde verimli bir şekilde kompakt hale gelmesi için pozitif proteinlerle (histonlar) ilişkili olan fizyolojik pH'da negatif yüklü son derece kararlı bir moleküldür. Çeşitli DNA proteinleriyle birlikte uzun bir DNA zinciri bir kromozom oluşturur..

indeks

  • 1 Tarihçesi
  • 2 Bileşen
  • 3 yapı
    • 3.1 Chargaff Kanunu
    • 3.2 Çift sarmal model
  • 4 Organizasyon
    • 4.1 Histonlar
    • 4.2 Nükleozomlar ve 30 nm fiber
    • 4.3 Kromozomlar
    • 4.4 Prokaryotlarda organizasyon
    • 4.5 DNA Miktarı
  • 5 DNA'nın yapısal formları
    • 5.1 DNA-A
    • 5.2 ADN-Z
  • 6 İşlev
    • 6.1 Çoğaltma, transkripsiyon ve çeviri
    • 6.2 Genetik kod
  • 7 Kimyasal ve fiziksel özellikler
  • 8 Evrim
  • 9 DNA dizilimi
    • 9.1 Sanger yöntemi
  • 10 Yeni nesil sıralama
  • 11 Kaynaklar

tarih

1953 yılında, Amerikan James Watson ve İngiliz Francis Crick, Rosalind Franklin ve Maurice Wilkins tarafından yapılan kristalografideki çalışmaları sayesinde, DNA'nın üç boyutlu yapısını aydınlatmayı başardı. Ayrıca sonuçlarını diğer yazarların eserlerine de dayandırdılar..

DNA'nın X ışınlarına maruz bırakılması, molekül yapısını ortaya çıkarmak için kullanılabilecek bir kırınım modeli oluşturur: her iki zincirin bazlar arasındaki hidrojen bağlarıyla bağlandığı, sağa dönen iki antiparalel zincirden oluşan bir sarmal . Elde edilen model aşağıdaki gibidir:

Yapı, Bragg kırınım yasalarına uyarak kabul edilebilir: bir nesne bir X-ışını huzmesinin ortasına yerleştirildiğinde, yansıtılır, çünkü nesnenin elektronları ışınla etkileşime girer..

25 Nisan 1953'te Watson ve Crick'in sonuçları prestijli dergide yayınlandı. doğa, "başlıklı iki sayfalık makaledeNükleik asitlerin moleküler yapısı", Bu tamamen biyoloji alanında devrim yaratacak.

Bu keşif sayesinde araştırmacılar 1962'de doğumdan önce ölen Franklin dışında Nobel Tıp Ödülü'nü aldı. Şu anda bu keşif, bilimsel bilginin yeni bilgi edinme başarısındaki en büyük itici güçlerden biri..

bileşenler

DNA molekülü nükleotidlerden, bir fosfat grubuna bağlı beş karbon şekeri ve azotlu bir bazdan oluşan birimlerden oluşur. DNA'da bulunan şeker türü, deoksiriboz tipindedir ve dolayısıyla deoksiribonükleik asittir..

Zinciri oluşturmak için nükleotitler, bir şekerden bir 3'-hidroksil grubu (-OH) ve aşağıdaki nükleotitten 5'-fosfafo vasıtasıyla bir fosfodiester bağı ile kovalent olarak bağlanır..

Nükleotidleri nükleozidlerle karıştırmayın. İkincisi, sadece pentoz (şeker) ve azotlu baz tarafından oluşturulan nükleotidin bir kısmını ifade eder..

DNA dört tür nitrojen bazdan oluşur: adenin (A), sitozin (C), guanin (G) ve timin (T).

Azotlu bazlar iki kategoride sınıflandırılır: pürinler ve pirimidinler. İlk grup, altı başka bir halkaya birleştirilen beş atomdan oluşan bir halkadan oluşurken pirimidinler, tek bir halkadan meydana gelir..

Bahsedilen bazlardan adenin ve guanin, pürin türevleridir. Buna karşılık, pirimidin grubu timin, sitozin ve uracil'e aittir (RNA molekülünde bulunur)..

yapı

Bir DNA molekülü iki nükleotid zincirinden oluşur. Bu "zincir" bir DNA zinciri olarak bilinir.

İki ip, tamamlayıcı bazlar arasındaki hidrojen bağları ile birleştirilir. Azotlu bazlar, kovalent olarak bir şeker ve fosfat iskeletine bağlanır..

Bir sarmalda bulunan her nükleotit, bilinen sarmalın oluşturulması için diğer sarmalın başka bir spesifik nükleotidi ile birleştirilebilir. Etkili bir yapı oluşturmak için, A her zaman iki hidrojen köprüsüyle T, ve G ile C üç köprüyle bağlanır..

Chargaff Yasası

DNA'daki azotlu baz oranlarını incelersek, A miktarının T miktarıyla aynı olduğunu ve G ve C ile aynı olduğunu görürüz. Bu kalıp Chargaff yasası olarak bilinir..

Bu eşleştirme enerjik olarak uygundur, çünkü yapı boyunca benzer bir genişliği koruyarak şeker-fosfat iskeletinin molekülü boyunca benzer bir mesafeyi korur. Bir halkanın tabanının bir halkanın biri ile birleştiğine dikkat edin..

Çift sarmalın modeli

Çift sarmalın dönüş başına 10.4 nükleotitten oluşması, merkezden merkeze 3.4 nanometre ile ayrılması önerilmektedir. Yuvarlanma işlemi yapıdaki olukların oluşumuna neden olur, büyük ve küçük bir oluk gözlemleyebilir.

Oluklar, baz çiftlerindeki glikosidik bağların çaplarına göre birbirlerine zıt olmadığından ortaya çıkar. Küçük olukta pirimidin O-2 ve pürin N-3, ana oluk zıt bölgede bulunur.

Bir merdivenin analojisini kullanırsak, basamaklar birbirini tamamlayan taban çiftlerinden oluşur, iskelet iki kavrama rayına karşılık gelir..

DNA molekülünün uçları aynı değil, bu yüzden "kutup" dan söz ediyoruz. Uçlarından biri, 3 ', bir -OH grubu taşır, 5' ucu ise serbest fosfat grubuna sahiptir..

İki tel, antiparalel olarak yerleştirilir; bu, kutuplarına zıt olarak yerleştirildikleri anlamına gelir:

Ek olarak, dişlerden birinin dizilimi ortağı için tamamlayıcı olmalı, eğer bir A konumu bulunursa, antiparalel iplik içinde bir T olmalıdır..

organizasyon

Her insan hücresinde, verimli bir şekilde paketlenmesi gereken yaklaşık iki metre DNA vardır..

Tel, hücre hacminin sadece% 10'unu kaplayan 6 mikron çapında bir mikroskobik çekirdek içinde yer alabilecek şekilde sıkıştırılmalıdır. Aşağıdaki sıkıştırma seviyeleri sayesinde bu mümkündür:

histonlar

Ökaryotlarda, iplikçiklerin ilk sıkıştırma seviyesi olan DNA molekülüne bağlanma yeteneğine sahip olan histon adı verilen proteinler vardır. Histonların, fosfatların katkıda bulunduğu DNA'nın negatif yükleriyle etkileşime girebilecek pozitif yükleri vardır..

Histonlar, evrim sırasında neredeyse değişmeyen ökaryotik organizmalar için bu kadar önemli proteinlerdir - düşük bir mutasyon oranının bu molekül üzerindeki seçici basınçların güçlü olduğunu gösterdiğini hatırlamak. Histonlardaki bir kusur, hatalı bir DNA sıkışmasına neden olabilir.

Histonlar biyokimyasal olarak değiştirilebilirler ve bu işlem genetik materyalin sıkıştırma seviyesini değiştirir.

Histonlar "hipo-asetillendiğinde", kromatin daha yoğundur, çünkü asetillenmiş formlar, protein içindeki lizinlerin pozitif yüklerini nötralize eder (pozitif yüklü amino asitler).

Nükleozomlar ve 30 nm fiber

DNA teli histonlara sarılır ve nükleozom adı verilen inci kolyenin boncuklarına benzeyen yapılar oluşturur. Bu yapının merkezinde her bir histon tipinin iki kopyası vardır: H2A, H2B, H3 ve H4. Farklı histonların birliğine "histon oktamer" denir.

Oktamer, iki turdan daha az veren 146 çift baz ile çevrilidir. Bir insan diploid hücresi yaklaşık 6.4 x 10 içerir9 30 milyon nükleozom halinde organize edilmiş nükleotitler.

Nükleozomlardaki organizasyon, DNA'nın orijinal uzunluğunun üçte birinden daha fazla sıkıştırılmasını sağlar..

Genetik materyalin fizyolojik koşullar altında ekstraksiyon işleminde, nükleozomların 30 nanometrelik bir fiberde düzenlendiği görülmektedir.

kromozomlar

Kromozomlar, bir bireyin genlerini taşıyan işlevi olan kalıtımın fonksiyonel birimidir. Bir gen, bir proteini (veya bir dizi proteini) sentezlemek için bilgileri içeren bir DNA parçasıdır. Bununla birlikte, RNA gibi düzenleyici unsurları kodlayan genler de vardır..

Tüm insan hücrelerinde (gamet ve kan eritrositleri hariç) her biri kromozomun iki kopyasına sahiptir, biri babadan, diğeri anneden miras kalan.

Kromozomlar, yukarıda belirtilen protein kompleksleriyle bağlantılı uzun bir doğrusal DNA bölümünden oluşan yapılardır. Normalde ökaryotlarda, çekirdekte bulunan tüm genetik materyal bir dizi kromozoma bölünür.

Prokaryotlarda organizasyon

Prokaryotlar çekirdeği olmayan organizmalardır. Bu türlerde genetik materyal, düşük moleküler ağırlıklı alkalin proteinlerle birlikte yüksek oranda sarılır. Bu şekilde, DNA bakteri içindeki merkezi bir bölgeye sıkıştırılır ve yerleştirilir.

Bazı yazarlar genellikle bu yapıya "bakteriyel kromozom" adını verir, ancak ökaryotik bir kromozomun aynı özelliklerini göstermez.

DNA miktarı

Tüm organizma türleri aynı miktarda DNA içermez. Aslında, bu değer türler arasında oldukça değişkendir ve DNA miktarı ile organizmanın karmaşıklığı arasında bir ilişki yoktur. Bu çelişki "C değeri paradoksu" olarak bilinir..

Mantıksal akıl yürütme, organizmanın ne kadar karmaşık olduğunu, sahip olduğu DNA'nın daha fazla olduğunu sezmek olacaktır. Ancak bu doğada doğru değil.

Örneğin, akciğer balıklarının genomu Protopterus aethiopicus İnsan genomu sadece 3.5 pg ağırlığında iken, 132 pg büyüklüğünde (DNA picogram cinsinden ölçülebilir = pg)..

Bir organizmanın tüm DNA'sının proteinleri kodlamadığını, bunun büyük bir kısmının düzenleyici elementler ve farklı RNA tipleri ile ilgili olduğunu unutmayın..

DNA'nın yapısal formları

X-ışını kırınım desenlerinden elde edilen Watson ve Crick modeli, B-DNA sarmalı olarak bilinir ve "geleneksel" ve en iyi bilinen modeldir. Bununla birlikte, DNA-A ve DNA-Z olarak adlandırılan iki farklı form daha vardır..

DNA-A

Varyant "A", DNA-B gibi sağa döner, fakat daha kısa ve geniştir. Bu form bağıl nem azaldığında ortaya çıkar..

DNA-A her 11 baz çiftinde bir döner, ana oluk B-DNA'dan daha dar ve daha derindir. Küçük oluk ile ilgili olarak, bu daha yüzeysel ve geniştir.

Z-DNA

Üçüncü değişken Z-DNA'dır. Antiparalel zincirlerin bir dubleksinde düzenlenen bir grup heksanükleotit tarafından oluşturulan en dar formdur. Bu formun en çarpıcı özelliklerinden biri sola, diğer iki form da sağa dönmesi..

Z-DNA, alternatif pirimidinlerin ve pürinlerin kısa sekansları olduğunda ortaya çıkar. Daha büyük oluk düzdür ve B-DNA'ya kıyasla daha küçük ve daha derindir..

Fizyolojik koşullar altında DNA molekülü çoğunlukla B formunda olmasına rağmen, açıklanan iki varyantın varlığı genetik materyalin esnekliğini ve dinamizmini ortaya koymaktadır.

fonksiyonlar

DNA molekülü bir organizmanın inşası için gerekli tüm bilgileri ve talimatları içerir. Organizmalarda genetik bilginin tümüne denir genom.

Mesaj "biyolojik alfabe" ile kodlanmıştır: daha önce belirtilen dört baz, A, T, G ve C.

Mesaj, çeşitli protein türlerinin oluşumuna veya bazı düzenleyici elemanların kodlanmasına yol açabilir. Bu bazların bir mesaj iletebileceği süreç aşağıda açıklanmıştır:

Çoğaltma, transkripsiyon ve çeviri

Dört harf A, T, G ve C ile şifrelenmiş olan mesaj, sonuç olarak bir fenotip verir (DNA dizilerinin tümü proteinleri kodlamaz). Bunu başarmak için DNA her hücre bölünmesi sürecinde kendini kopyalamalıdır..

DNA replikasyonu yarı-koruyucudur: bir iplikçik, yeni kız molekülünün oluşumu için bir şablon görevi görür. DNA primazı, DNA helikaz, DNA ligaz ve topoizomeraz dahil olmak üzere farklı enzimler replikasyonu katalize eder..

Daha sonra, bir baz dizisi dilinde yazılmış olan mesaj, bir ara moleküle iletilmelidir: RNA (ribonükleik asit). Bu işleme transkripsiyon denir.

Transkripsiyonun gerçekleşmesi için, RNA polimeraz da dahil olmak üzere farklı enzimlerin katılması gerekir..

Bu enzim, DNA mesajının kopyalanmasından ve mesajcı bir RNA molekülüne dönüştürülmesinden sorumludur. Başka bir deyişle, transkripsiyonun amacı haberciyi elde etmektir..

Son olarak, mesaj ribozomlar sayesinde messenger RNA moleküllerine çevrilir.

Bu yapılar haberci RNA'yı alır ve çeviri makineleri ile birlikte belirtilen proteini oluşturur.

Genetik kod

Mesaj, "üçüzler" veya bir amino asit için belirten üç harften oluşan gruplar halinde okunur - proteinlerin yapısal blokları. Genetik kod tamamen açıklandığı için üçüzlerin mesajını deşifre etmek mümkündür..

Çeviri her zaman başlangıç ​​üçlüsü tarafından kodlanan amino asit metionin ile başlar: AUG. "U", urasil bazını temsil eder ve RNA'nın karakteristiğidir ve timini destekler.

Örneğin, eğer haberci RNA aşağıdaki sekansa sahipse: AUG CCU CUU UUU UUA, aşağıdaki amino asitlere çevrilir: metiyonin, prolin, lösin, fenilalanin ve fenilalanin. İki üçlünün - bu durumda UUU ve UUA - aynı amino asidi kodlamasının mümkün olduğunu unutmayın: fenilalanin.

Bu özellik için, genetik kodun dejenere olduğu söylenir, çünkü bir amino asit, translasyonun başlangıcını belirleyen amino asit metiyonin hariç, birden fazla üçlü sekans tarafından kodlanır..

Özel sonlandırma veya durdurma üçlüsü ile işlem durdurulur: UAA, UAG ve UGA. Sırasıyla koyu sarı, kehribar ve opal adlarıyla tanınırlar. Ribozom onları algıladığında, artık zincire daha fazla amino asit ekleyemezler..

Kimyasal ve fiziksel özellikler

Nükleik asitler doğada asidiktir ve suda çözünür (hidrofilik). Fosfat grupları ve su ile pentozların hidroksil grupları arasında hidrojen bağlarının oluşumu oluşabilir. Fizyolojik pH'da negatif olarak yüklenir.

DNA çözeltileri, çok katı olan çift sarmalın deformasyonuna direnç kapasitesi nedeniyle oldukça viskozdur. Nükleik asit tek iplikli ise viskozite azalır.

Çok kararlı moleküllerdir. Mantıksal olarak, bu özellik genetik bilgiyi taşıyan yapılarda vazgeçilmez olmalıdır. RNA ile karşılaştırıldığında, DNA bir hidroksil grubundan yoksun olduğundan çok daha kararlıdır..

DNA ısıyla denşirilebilir, yani molekül yüksek sıcaklıklara maruz kaldığında lifler ayrılır.

Uygulanması gereken ısı miktarı, molekülün G-C yüzdesine bağlıdır, çünkü bu bazlar, üç hidrojen bağı ile birleşerek ayrılmaya karşı direnci arttırır..

Işığın emilimine gelince, 260 nanometrede bir zirveye sahiptirler, bu da nükleik asidin tek iplikli olması durumunda artar, çünkü bunlar nükleotidlerin halkalarını açığa çıkarırlar ve bunlar emilimden sorumludurlar.

evrim

Lazcano'ya göre et al. 1988 DNA, yaşam tarihindeki en önemli olaylardan biri olan RNA'dan geçiş evrelerinde ortaya çıkmaktadır..

Yazarlar üç aşama önermektedir: nükleik asitlere benzer moleküllerin bulunduğu bir ilk dönem, daha sonra genomlar RNA'dan oluşmuştur ve son aşamada çift bantlı DNA genomları ortaya çıkmıştır..

Bazı kanıtlar RNA'ya dayanan birincil dünya teorisini desteklemektedir. İlk olarak, protein sentezi DNA yokluğunda gerçekleşebilir, fakat RNA eksik olduğunda ortaya çıkmaz. Ek olarak, katalitik özelliklere sahip RNA molekülleri keşfedilmiştir.

Deoksiribonükleotidin (DNA'da bulunur) sentezine gelince, bunlar her zaman ribonükleotitlerin (RNA'da bulunur) indirgenmesinden gelir..

Bir DNA molekülünün evrimsel yeniliği, DNA öncüllerini sentezleyen ve RNA'nın retro transkripsiyonuna katılan enzimlerin varlığını gerektirmiş olmalıdır..

Mevcut enzimleri inceleyerek, bu proteinlerin birkaç kez geliştiği ve RNA'dan DNA'ya geçişin, gen transferi ve kaybı ve ortolog olmayan replasman işlemleri de dahil olmak üzere, önceden düşünülenden daha karmaşık olduğu sonucuna varılabilir..

DNA dizilimi

DNA dizilimi, DNA şeridinin dizilimini, onu oluşturan dört baz açısından açıklığa kavuşturmasını içerir..

Bu dizinin bilgisi biyolojik bilimlerde büyük öneme sahiptir. Morfolojik olarak çok benzer iki tür arasında ayrım yapmak, hastalıkları, patolojileri veya parazitleri saptamak ve hatta bir adli tıp uygulamasına sahip olmak için kullanılabilir..

Sanger'in dizilimi 1900'lerde geliştirilmiştir ve bir diziyi netleştirmek için kullanılan geleneksel tekniktir. Yaşına rağmen, araştırmacılar tarafından yaygın olarak kullanılan geçerli bir yöntemdir..

Sanger yöntemi

Yöntem, hücrelerde DNA'yı kopyalayan ve önceden var olan başka bir kılavuz kullanarak yeni bir DNA zincirini sentezleyen, oldukça güvenilir bir enzim olan DNA polimerazını kullanır. Enzim gerektirir ilk veya sentezi başlatmak için astar. Astar, sıralamak istediğiniz moleküle tamamlayıcı küçük bir DNA molekülüdür..

Reaksiyonda, enzim tarafından yeni DNA zincirine dahil edilecek olan nükleotitler eklenir..

"Geleneksel" nükleotidlere ek olarak, yöntem bazların her biri için bir dizi dideoksinükleotit içerir. Standart nükleotidlerden iki özellikte farklıdırlar: yapısal olarak DNA polimerazın, ilave zincire daha fazla nükleotit eklemesine izin vermezler ve her baz için farklı bir floresan işaretleyiciye sahiptir.

Sonuç, dideoksinükleotitler rastgele dahil edildiğinden ve replikasyon sürecini farklı aşamalarda durdurduğundan, farklı uzunluklarda çeşitli DNA molekülleridir..

Bu çeşitli moleküller uzunluklarına göre ayrılabilir ve nükleotitlerin kimliği floresan etiketinden gelen ışık yayımı yoluyla okunur..

Yeni nesil sıralama

Son yıllarda geliştirilen sıralama teknikleri, aynı anda milyonlarca numunenin toplu analizini mümkün kılmaktadır..

En göze çarpan yöntemler arasında pyrosequencing, sentezle sıralama, ligasyonla sıralama ve Ion Torrent tarafından gelecek nesil sıralamadır..

referanslar

  1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., vd. (2002). Hücrenin Moleküler Biyolojisi. 4. baskı. New York: Garland Bilimi. DNA'nın Yapısı ve İşlevi. Erişim: ncbi.nlm.nih.gov/
  2. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., vd. (2002). Hücrenin Moleküler Biyolojisi. 4. baskı. New York: Garland Bilimi. Kromozomal DNA ve Kromatin Lifinde Ambalajları. Erişim: ncbi.nlm.nih.gov
  3. Berg, J.M., Tymoczko, J.L., Stryer, L. (2002). Biyokimya. 5. baskı. New York: W. Freeman. Bölüm 27.1, DNA, Yapısal Formların Çeşitli Olduğunu Varsayabilir. Erişim: ncbi.nlm.nih.gov
  4. Fierro, A. (2001). DNA yapısı keşfi kısa tarihçesi. Rev Med Kliniği Las Condes, 20, 71-75.
  5. Forterre, P., Filée, J. & Myllykallio, H. (2000-2013) DNA ve DNA Replikasyon Makinalarının Kökeni ve Evrimi. içinde: Madame Curie Bioscience Veritabanı [İnternet]. Austin (TX): Landes Bioscience. Erişim: ncbi.nlm.nih.gov
  6. Lazcano, A., Guerrero, R., Margulis, L., & Oro, J. (1988). Erken hücrelerde RNA'dan DNA'ya evrim geçişi. Moleküler evrim dergisi, 27(4), 283-290.
  7. Lodish, H., Berk, A., Zipursky, S.L., vd. (2000). Moleküler Hücre Biyolojisi. 4. baskı. New York: W. H. Freeman. Bölüm 9.5, Hücresel DNA'nın Kromozomlara Düzenlenmesi. Erişim: ncbi.nlm.nih.gov/books
  8. Voet, D., Voet, J.G., & Pratt, C.W. (1999). Biyokimyanın temelleri. yeni York: John Willey ve Oğulları.