DNA: HISTORIA, FUNKTIONER, STRUKTUR, KOMPONENTER - BIOLOGI - 2025

Den DNA (deoxiribonukleinsyra) är biomolekylen innehåller all information som är nödvändig för att generera en kropp och bibehålla dess funktion. Den består av enheter som kallas nukleotider, i sin tur består av en fosfatgrupp, en sockermolekyl med fem kol och en kvävehaltig bas.

Det finns fyra kvävebaser: adenin (A), cytosin (C), guanin (G) och tymin (T). Adenin kopplas alltid ihop med tymin och guanin med cytosin. Meddelandet i DNA-strängen omvandlas till ett budbärar-RNA och detta deltar i syntesen av proteiner.

DNA är en extremt stabil molekyl, negativt laddad vid fysiologiskt pH, som associeras med positiva proteiner (histoner) för att effektivt kompaktera i kärnan i eukaryota celler. En lång kedja av DNA, tillsammans med olika associerade proteiner, bildar en kromosom.

Historia

1953 lyckades amerikanen James Watson och briten Francis Crick belysa den tredimensionella strukturen av DNA, tack vare det kristallografiska arbetet som utfördes av Rosalind Franklin och Maurice Wilkins. De baserade också sina slutsatser på andra författares arbete.

När DNA exponeras för röntgenstrålar, bildas ett diffraktionsmönster som kan användas för att dra slutsatsen om molekylens struktur: en spiral av två antiparallella kedjor som roterar till höger, där båda kedjorna förenas av vätebindningar mellan baserna. . Det erhållna mönstret var följande:

Strukturen kan antas efter Braggs diffraktionslagar: när ett objekt placeras mitt i en röntgenstråle reflekteras det eftersom objektets elektroner interagerar med strålen.

Den 25 april 1953 publicerades resultaten av Watson och Crick i den prestigefyllda tidskriften Nature, i en artikel på bara två sidor med titeln "Molekylär struktur av nukleinsyror", som helt skulle revolutionera området biologi.

Tack vare denna upptäckt fick forskarna Nobelpriset för medicin 1962, med undantag för Franklin som dog före leveransen. För närvarande är denna upptäckt en av de stora exponenterna för framgången för den vetenskapliga metoden att skaffa ny kunskap.

Komponenter

DNA-molekylen består av nukleotider, enheter som består av ett femkolsocker bundet till en fosfatgrupp och en kvävehaltig bas. Den typ av socker som finns i DNA är typen av deoxiribos och därmed dess namn, deoxiribonukleinsyra.

För att bilda kedjan är nukleotiderna kovalent bundna med en fosfodiestertypbindning genom en 3'-hydroxylgrupp (-OH) från ett socker och 5'-fosfafon av nästa nukleotid.

Nukleotider bör inte förväxlas med nukleosider. Den senare avser den del av nukleotiden som endast bildas av pentos (socker) och kvävebas.

DNA består av fyra typer av kvävebaser: adenin (A), cytosin (C), guanin (G) och tymin (T).

Kvävebaser klassificeras i två kategorier: puriner och pyrimidiner. Den första gruppen består av en ring med fem atomer bundna till en annan ring om sex, medan pyrimidinerna består av endast en ring.

Av de nämnda baserna är adenin och guanin derivat av puriner. Däremot tillhör tymin, cytosin och uracil (närvarande i RNA-molekylen) gruppen av pyrimidiner.

Strukturera

En DNA-molekyl består av två kedjor av nukleotider. Denna "kedja" är känd som en DNA-sträng.

De två strängarna är kopplade med vätebindningar mellan de komplementära baserna. Kvävebaser är kovalent kopplade till en ryggrad av socker och fosfater.

Varje nukleotid belägen på en sträng kan kopplas till en annan specifik nukleotid på den andra strängen för att bilda den kända dubbla spiralen. För att bilda en effektiv struktur kopplas A alltid med T med hjälp av två vätebindningar, och G med C med tre bindningar.

Chargaffs lag

Om vi ​​studerar andelen kvävebaser i DNA kommer vi att upptäcka att mängden A är identisk med mängden T och densamma med G och C. Detta mönster är känt som Chargaffs lag.

Denna parning är energiskt fördelaktig, eftersom den tillåter en liknande bredd att bevaras i hela strukturen, vilket bibehåller ett liknande avstånd längs sockerfosfatskelettmolekylen. Observera att en bas i en ring passar ihop med en av en ring.

Dubbel spiralmodell

Det föreslås att den dubbla spiralen består av 10,4 nukleotider per varv, åtskilda med ett avstånd från centrum till centrum på 3,4 nanometer. Valsningsprocessen ger upphov till bildandet av spår i konstruktionen och kan observera ett större och ett mindre spår.

Spåren uppstår eftersom glykosidbindningarna i basparna inte är motsatta varandra, med avseende på deras diameter. Pyrimidine O-2 och purin N-3 finns i det mindre spåret, medan huvudspåret ligger i motsatt region.

Om vi ​​använder en stege, består spåren av komplementära baspar till varandra, medan skelettet motsvarar de två gripskenorna.

Änden på DNA-molekylen är inte desamma, varför vi talar om en "polaritet". En av dess ändar, 3 ', bär en -OH-grupp, medan 5'-änden har den fria fosfatgruppen.

De två trådarna är placerade på ett antiparallellt sätt, vilket innebär att de är placerade på motsatt sätt med avseende på deras polariteter, enligt följande:

Dessutom måste sekvensen för en av strängarna vara komplementär till dess partner, om det är en position finns A, i den antiparallella strängen måste det finnas en T.

Organisation

I varje mänsklig cell finns det ungefär två meter DNA som måste förpackas effektivt.

Strängen måste komprimeras så att den kan inneslutas i en mikroskopisk kärna med 6 mikrometer i diameter som endast upptar 10% av cellvolymen. Detta är möjligt tack vare följande komprimeringsnivåer:

histoner

I eukaryoter finns det proteiner som kallas histoner, som har förmågan att binda till DNA-molekylen, eftersom de är den första kompakteringsnivån för strängen. Histoner har positiva laddningar för att kunna interagera med de negativa laddningarna av DNA, tillhandahållna av fosfater.

Histoner är proteiner som är så viktiga för eukaryota organismer att de har varit praktiskt taget oförändrade under utvecklingen - ihåg att en låg hastighet av mutationer indikerar att de selektiva trycket på den molekylen är starka. En defekt i histoner kan leda till defekt kompaktering i DNA.

Histoner kan modifieras biokemiskt och denna process modifierar kompressionen av det genetiska materialet.

När histoner "hypoacetyleras" är kromatinet mer kondenserat, eftersom acetylerade former neutraliserar de positiva laddningarna av lysiner (positivt laddade aminosyror) i proteinet.

Nukleosomer och 30 nm fibern

DNA-strängen tvinnas till histoner och de bildar strukturer som liknar pärlorna på ett pärlhalsband, kallat nukleosomer. I hjärtat av denna struktur finns två kopior av varje typ av histon: H2A, H2B, H3 och H4. Föreningen mellan de olika histonerna kallas en "histonoktamer".

Oktamerna är omgiven av cirka 146 baspar som cirklar mindre än två gånger. En human diploid cell innehåller ungefär 6,4 x ¹⁰⁹ nukleotider som är organiserade i 30 miljoner nukleosomer.

Organisering i nukleosomer gör att DNA kan komprimeras till mer än en tredjedel av dess ursprungliga längd.

I en process för extraktion av genetiskt material under fysiologiska förhållanden observeras att nukleosomer är anordnade i en 30 nanometerfiber.

kromosomer

Kromosomer är den funktionella enheten för ärftlighet, vars funktion är att bära generna hos en individ. En gen är ett segment av DNA som innehåller informationen för att syntetisera ett protein (eller serie proteiner). Men det finns också gener som kodar för reglerande element, till exempel RNA.

Alla mänskliga celler (med undantag av gameter och blodceller) har två kopior av varje kromosom, den ena ärvdes från fadern och den andra från modern.

Kromosomer är strukturer som består av en lång linjär DNA-bit associerad med de proteinkomplex som nämns ovan. I eukaryoter delas normalt allt genetiskt material som ingår i kärnan i en serie kromosomer.

Organisation i prokaryoter

Prokaryoter är organismer som saknar en kärna. I dessa arter är det genetiska materialet högt lindat tillsammans med alkaliska proteiner med låg molekylvikt. På detta sätt komprimeras DNA: t och lokaliseras i en central region i bakterierna.

Vissa författare kallar ofta denna struktur för en "bakteriell kromosom", även om den inte har samma egenskaper som en eukaryotisk kromosom.

DNA-kvantitet

Inte alla arter av organismer innehåller samma mängd DNA. I själva verket är detta värde mycket varierande mellan arter och det finns inget samband mellan mängden DNA och organismens komplexitet. Denna motsägelse är känd som "C-värde-paradoxen."

Det logiska resonemanget skulle vara att intuitera att ju mer komplex organismen är, desto mer DNA har den. Detta är emellertid inte sant i naturen.

Till exempel är genomet av lungfisken Protopterus aethiopicus 132 pg i storlek (DNA kan kvantifieras i pikogram = pg) medan det mänskliga genomet väger endast 3,5 pg.

Det måste komma ihåg att inte allt DNA från en organisme kodar för proteiner, en stor mängd av detta är relaterat till reglerande element och till de olika typerna av RNA.

Strukturella former av DNA

Watson och Crick-modellen, härledd från röntgendiffraktionsmönster, är känd som B-DNA-spiralen och är den "traditionella" och mest kända modellen. Det finns dock två andra olika former, kallad A-DNA och Z-DNA.

DNA - A

A-varianten roterar åt höger, precis som B-DNA, men är kortare och bredare. Denna form visas när relativ luftfuktighet minskar.

A-DNA roterar var 11: e baspar, huvudspåret är smalare och djupare än B-DNA. När det gäller det mindre spåret är detta mer ytlig och bred.

DNA - Z

Den tredje varianten är Z-DNA. Det är den smalaste formen, bildad av en grupp hexanukleotider organiserade i en duplex av antiparallella kedjor. En av de mest framstående funktionerna i denna form är att den svänger åt vänster, medan de andra två sätten gör det åt höger.

Z-DNA visas när det finns korta sekvenser av pyrimidiner och puriner som växlar med varandra. Huvudsulcusen är platt och den mindre är smal och djupare, jämfört med B-DNA.

Även om DNA-molekylen under fysiologiska förhållanden mestadels är i sin B-form, exponerar förekomsten av de två beskrivna varianterna det genetiska materialets flexibilitet och dynamik.

Funktioner

DNA-molekylen innehåller all information och instruktioner som är nödvändiga för konstruktion av en organisme. Den kompletta uppsättningen av genetisk information i organismer kallas genomet.

Meddelandet kodas av det "biologiska alfabetet": de fyra baserna som nämnts tidigare, A, T, G och C.

Meddelandet kan leda till bildning av olika typer av proteiner eller kod för något reglerande element. Processen med vilken dessa databaser kan leverera ett meddelande förklaras nedan:

Replikation, transkription och översättning

Meddelandet krypterat i de fyra bokstäverna A, T, G och C resulterar i en fenotyp (inte alla DNA-sekvenser kodar för proteiner). För att uppnå detta måste DNA replikera sig själv i varje celldelningsprocess.

DNA-replikation är semikonservativ: en sträng fungerar som en mall för bildandet av den nya dottermolekylen. Replikation katalyserad av ett antal enzymer, inklusive DNA-primas, DNA-helikas, DNA-ligas och topoisomeras.

Därefter måste meddelandet - skrivet på ett bassekvensspråk - överföras till en mellanliggande molekyl: RNA (ribonukleinsyra). Denna process kallas transkription.

För att transkription ska ske måste olika enzymer delta, inklusive RNA-polymeras.

Detta enzym ansvarar för att kopiera DNA-meddelandet och omvandla det till en messenger-RNA-molekyl. Med andra ord är målet med transkription att få budbäraren.

Slutligen sker översättningen av meddelandet till messenger-RNA-molekyler, tack vare ribosomerna.

Dessa strukturer tar budbärarens RNA och bildar tillsammans med översättningsmaskiner det specificerade proteinet.

Den genetiska koden

Meddelandet läses i "tripletter" eller grupper med tre bokstäver som anger för en aminosyra - byggstenarna för proteiner. Det är möjligt att dechiffrera tripletternas budskap eftersom den genetiska koden redan har avslöjats fullt ut.

Översättningen börjar alltid med aminosyran metionin, som kodas av starttripletten: AUG. "U" representerar basuracil och är karakteristisk för RNA och ersätter tymin.

Om exempelvis messenger-RNA har följande sekvens: AUG CCU CUU UUU UUA, översätts det till följande aminosyror: metionin, prolin, leucin, fenylalanin och fenylalanin. Observera att två tripletter - i detta fall UUU och UUA - kan koda för samma aminosyra: fenylalanin.

På grund av denna egenskap sägs det att den genetiska koden är degenererad, eftersom en aminosyra kodas av mer än en sekvens av tripletter, med undantag av aminosyran metionin som dikterar starten av translationen.

Processen stoppas med specifika stopp- eller stopptripletter: UAA, UAG och UGA. De är kända under namnen ockra, bärnsten respektive opal. När ribosomen upptäcker dem kan de inte längre lägga till fler aminosyror i kedjan.

Kemiska och fysikaliska egenskaper

Nukleinsyror är sura och är lösliga i vatten (hydrofila). Bildningen av vätebindningar mellan fosfatgrupperna och hydroxylgrupperna av pentoser med vatten kan ske. Det är negativt laddat vid fysiologiskt pH.

DNA-lösningar är mycket viskösa på grund av deformationsmotståndskapaciteten hos den dubbla spiralen, som är mycket styv. Viskositeten minskar om nukleinsyran är enkelsträngad.

De är mycket stabila molekyler. Logiskt måste denna egenskap vara nödvändig i strukturer som innehåller genetisk information. Jämfört med RNA är DNA mycket mer stabilt eftersom det saknar en hydroxylgrupp.

DNA kan denatureras värme, det vill säga, strängarna separeras när molekylen utsätts för höga temperaturer.

Mängden värme som måste appliceras beror på molekylens G - C-procent, eftersom dessa baser är förbundna med tre vätebindningar, vilket ökar resistensen mot separation.

Beträffande absorptionen av ljus har de en topp vid 260 nanometer, vilket ökar om nukleinsyran är enkelsträngad, eftersom nukleotidringarna utsätts och dessa är ansvariga för absorptionen.

Evolution

Enligt Lazcano et al. 1988 uppstår DNA i övergångssteg från RNA, och är en av de viktigaste händelserna i livets historia.

Författarna föreslår tre steg: en första period där det fanns molekyler som liknade nukleinsyror, senare var genomerna uppbyggda av RNA och som det sista steget dubbla DNA-genomen dök upp.

Vissa bevis stöder teorin om en primär värld baserad på RNA. Först kan proteinsyntes ske i frånvaro av DNA, men inte när RNA saknas. Vidare har RNA-molekyler med katalytiska egenskaper upptäckts.

Beträffande syntesen av deoxiribonukleotider (närvarande i DNA) kommer de alltid från reduktionen av ribonukleotider (närvarande i RNA).

Den evolutionära innovationen av en DNA-molekyl måste ha krävt närvaron av enzymer som syntetiserar DNA-prekursorer och deltar i omvänd transkription av RNA.

Genom att studera nuvarande enzymer kan man dra slutsatsen att dessa proteiner har utvecklats flera gånger och att övergången från RNA till DNA är mer komplex än tidigare trott, inklusive processer för överföring och förlust av gener och icke-ortologa ersättningar.

DNA-sekvensering

DNA-sekvensering består av att belysa sekvensen för DNA-strängen i termer av de fyra baserna som komponerar den.

Kunskap om denna sekvens är av yttersta vikt inom biologiska vetenskaper. Det kan användas för att skilja mellan två morfologiskt mycket liknande arter, för att upptäcka sjukdomar, patologier eller parasiter och till och med har en kriminalteknisk tillämpbarhet.

Sanger-sekvensering utvecklades på 1900-talet och är den traditionella tekniken för att klargöra en sekvens. Trots dess ålder är det en giltig metod och används ofta av forskare.

Sanger-metoden

Metoden använder DNA-polymeras, ett mycket tillförlitligt enzym som replikerar DNA i celler, som syntetiserar en ny DNA-sträng med hjälp av en tidigare existerande som vägledning. Enzymet kräver en primer för att initiera syntes. Primern är en liten molekyl DNA som är komplementär till molekylen som ska sekvenseras.

I reaktionen tillsätts nukleotider som kommer att införlivas i den nya DNA-strängen av enzymet.

Förutom de "traditionella" nukleotiderna inkluderar metoden en serie dideoxynukleotider för var och en av baserna. De skiljer sig från standardnukleotider i två egenskaper: strukturellt låter de inte DNA-polymeras lägga till fler nukleotider till dottersträngen, och de har en annan fluorescerande markör för varje bas.

Resultatet är en mängd olika DNA-molekyler med olika längder, eftersom dideoxynukleotiderna införlivades slumpmässigt och stoppade replikationsprocessen i olika stadier.

Denna mångfald molekyler kan separeras beroende på deras längd och identiteten för nukleotiderna läses med hjälp av emission av ljus från den lysrörsmärkningen.

Nästa generations sekvens

Sekvenseringsteknikerna som utvecklats under de senaste åren tillåter en massiv analys av miljoner prover samtidigt.

Bland de mest framstående metoderna är pyrosquencing, sekvensering genom syntes, sekvensering genom ligering och nästa generations sekvensering av Ion Torrent.

referenser

1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., et al. (2002). Cellens molekylärbiologi. 4: e upplagan. New York: Garland Science. DNA: s struktur och funktion. Finns på: ncbi.nlm.nih.gov/
2. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., et al. (2002). Cellens molekylärbiologi. 4: e upplagan. New York: Garland Science. Kromosomalt DNA och dess förpackning i Chromatin Fiber. Finns på: ncbi.nlm.nih.gov
3. Berg, JM, Tymoczko, JL, Stryer, L. (2002). Biokemi. 5: e upplagan. New York: WH Freeman. Avsnitt 27.1, DNA kan anta en mängd strukturella former. Finns på: ncbi.nlm.nih.gov
4. Fierro, A. (2001). Kort historia om upptäckten av DNA-strukturen. Rev Méd Clínica Las Condes, 20, 71-75.
5. Forterre, P., Filée, J. & Myllykallio, H. (2000-2013) Ursprung och utveckling av DNA och DNA-replikeringsmaskiner. I: Madame Curie Bioscience Database. Austin (TX): Landes Bioscience. Finns på: ncbi.nlm.nih.gov
6. Lazcano, A., Guerrero, R., Margulis, L., & Oro, J. (1988). Den evolutionära övergången från RNA till DNA i tidiga celler. Journal of molecular evolution, 27 (4), 283-290.
7. Lodish, H., Berk, A., Zipursky, SL, et al. (2000). Molekylär cellbiologi. 4: e upplagan. New York: WH Freeman. Avsnitt 9.5, Organisera cellulärt DNA i kromosomer. Finns på: ncbi.nlm.nih.gov/books
8. Voet, D., Voet, JG, & Pratt, CW (1999). Grundläggande i biokemi. New York: John Willey and Sons.