DNR: ISTORIJA, FUNKCIJOS, STRUKTŪRA, KOMPONENTAI - BIOLOGIJA - 2025

DNR (Deoksiribonukleorūgštis) yra biomolekulė yra Visa informacija, reikalinga generuoti kūną ir išlaikyti jos veikimą. Jį sudaro vienetai, vadinami nukleotidais, savo ruožtu sudaryti iš fosfato grupės, penkių anglies cukraus molekulės ir azotinės bazės.

Yra keturios azoto bazės: adeninas (A), citozinas (C), guaninas (G) ir timinas (T). Adeninas visada poruojasi su timinu, o guaninas - su citozinu. Žinutė, esanti DNR grandinėje, paverčiama pasiuntinio RNR ir tai dalyvauja baltymų sintezėje.

DNR yra ypač stabili molekulė, neigiamai įkrauta esant fiziologiniam pH, kuri asocijuojasi su teigiamais baltymais (histonais), kad efektyviai sutankėtų eukariotų ląstelių branduolyje. Ilga DNR grandinė kartu su įvairiais susijusiais baltymais sudaro chromosomą.

Istorija

1953 m. Amerikietis Jamesas Watsonas ir britas Pranciškus Crickas sugebėjo išaiškinti trimatę DNR struktūrą, naudodamiesi darbu kristalografijoje, kuriuos atliko Rosalind Franklin ir Maurice Wilkins. Savo išvadas jie grindė ir kitų autorių darbais.

Kai DNR paveikiama rentgeno spinduliais, susidaro difrakcijos schema, kurią galima panaudoti norint nustatyti molekulės struktūrą: dviejų antiparallelių grandinių, kurios sukasi į dešinę, spiralė, kur abi grandinės yra sujungtos vandenilio ryšiais tarp bazių. . Gautas modelis buvo toks:

Daroma prielaida, kad struktūra yra Braggo difrakcijos dėsniai: kai objektas įsiterpia į rentgeno spindulio vidurį, jis atsispindi, nes objekto elektronai sąveikauja su pluoštu.

1953 m. Balandžio 25 d. Watsono ir Cricko rezultatai buvo paskelbti prestižiniame žurnale „Nature“, tik dviejų puslapių straipsnyje pavadinimu „Nukleorūgščių molekulinė struktūra“, kuris visiškai pakeis biologijos sritį.

Dėl šio atradimo tyrėjai gavo Nobelio medicinos premiją 1962 m., Išskyrus Frankliną, kuris mirė prieš pristatymą. Šiuo metu šis atradimas yra vienas didžiausių mokslinio metodo įgyti naujų žinių sėkmės pavyzdžių.

Komponentai

DNR molekulę sudaro nukleotidai, vienetai, sudaryti iš penkių anglies cukraus, prijungto prie fosfato grupės, ir azotinės bazės. Cukraus rūšis, randama DNR, yra dezoksiribozės rūšis, taigi jos pavadinimas yra dezoksiribonukleino rūgštis.

Norėdami suformuoti grandinę, nukleotidai yra kovalentiškai sujungti fosfodiesterio tipo ryšiu per 3'-hidroksilo grupę (-OH) iš cukraus ir 5'-fosfofą iš kito nukleotido.

Nukleotidai neturėtų būti painiojami su nukleozidais. Pastarasis nurodo nukleotido dalį, kurią sudaro tik pentozė (cukrus) ir azotinė bazė.

DNR yra sudaryta iš keturių rūšių azotinių bazių: adenino (A), citozino (C), guanino (G) ir timino (T).

Azoto bazės skirstomos į dvi kategorijas: purinus ir pirimidinus. Pirmąją grupę sudaro penkių atomų žiedas, prijungtas prie kito šešių žiedo, o pirimidinai sudaryti tik iš vieno žiedo.

Iš paminėtų bazių adeninas ir guaninas yra purinų dariniai. Priešingai, timinas, citozinas ir uracilis (esantis RNR molekulėje) priklauso pirimidinų grupei.

Struktūra

DNR molekulę sudaro dvi nukleotidų grandinės. Ši „grandinė“ yra žinoma kaip DNR grandinė.

Abi sruogos yra sujungtos vandenilio ryšiais tarp komplementarių bazių. Azoto bazės yra kovalentiškai sujungtos su cukrų ir fosfatų atrama.

Kiekvienas nukleotidas, esantis vienoje stygoje, gali būti sujungtas su kitu specifiniu nukleotidu, esančiu kitoje grandinėje, kad būtų sudaryta gerai žinoma dviguba spiralė. Kad susidarytų efektyvi struktūra, A visada susieja su T dviem vandenilio ryšiais, o G su C trimis jungtimis.

Chargaffo įstatymas

Jei ištirsime azoto bazių proporcijas DNR, pamatysime, kad A kiekis yra identiškas T kiekiui ir tas pats su G ir C. Šis modelis yra žinomas kaip Chargaffo dėsnis.

Šis poravimasis yra energetiškai palankus, nes leidžia išlaikyti panašų plotį visoje struktūroje, išlaikant panašų atstumą išilgai cukraus-fosfato stuburo molekulės. Atminkite, kad žiedo pagrindas sutampa su vienu iš žiedų.

Dvigubos spiralės modelis

Siūloma, kad dviguba spiralė būtų sudaryta iš 10,4 nukleotidų viename posūkyje, atskirtu 3,4 nanometrų atstumu nuo centro. Dėl valcavimo proceso konstrukcijoje susidaro grioveliai, matant didesnį ir mažesnį griovelius.

Grioveliai atsiranda todėl, kad glikozidiniai ryšiai bazinėse porose nėra vienas kito atžvilgiu, atsižvelgiant į jų skersmenį. Pirimidinas O-2 ir purinas N-3 randami mažame griovelyje, o pagrindinis griovelis yra priešingoje srityje.

Jei naudosime kopėčių analogiją, pakopas sudarys viena nuo kitos papildančios bazės poros, o skeletas atitinka du patraukimo bėgelius.

DNR molekulės galai nėra vienodi, todėl mes kalbame apie „poliškumą“. Viename iš jo galų, 3 ', yra -OH grupė, o 5' gale yra laisvojo fosfato grupė.

Abi sruogos yra išdėstytos antiparaleliai, tai reiškia, kad jos išdėstytos priešingai, atsižvelgiant į jų poliškumą:

Be to, vienos iš sruogų seka turi papildyti jos partnerį, jei tai yra padėtis, kurioje yra A, antiparallelinėje sruogoje turi būti T.

Organizacija

Kiekvienoje žmogaus ląstelėje yra maždaug du metrai DNR, kurią reikia efektyviai supakuoti.

Sruogą reikia sutankinti taip, kad ji galėtų būti mikroskopiniame branduolyje, kurio skersmuo 6 μm ir užima tik 10% ląstelės tūrio. Tai įmanoma dėl šių sutankinimo lygių:

Histonai

Eukariotuose yra baltymų, vadinamų histonais, kurie turi savybę jungtis prie DNR molekulės, nes tai yra pirmasis sruogų sutankėjimo lygis. Histonai turi teigiamus krūvius, kad galėtų sąveikauti su neigiamais DNR krūviais, kuriuos teikia fosfatai.

Histonai yra baltymai, tokie svarbūs eukariotiniams organizmams, kad evoliucijos metu jie praktiškai nepakito - atminkite, kad mažas mutacijų greitis rodo, kad selektyvusis slėgis tai molekulei yra stiprus. Dėl histonų trūkumo DNR gali sutrumpėti.

Histonai gali būti biochemiškai modifikuoti ir šis procesas keičia genetinės medžiagos sutankinimo lygį.

Kai histonai yra „hipoacetilinami“, chromatinas yra labiau kondensuotas, nes acetilintos formos neutralizuoja teigiamą lizinų (teigiamai įkrautų aminorūgščių) krūvį baltyme.

Nukleosomos ir 30 nm pluoštas

DNR grandinė susisuka į histonus ir sudaro struktūras, primenančias karoliukus ant perlų vėrinio, vadinamas nukleosomomis. Šios struktūros centre yra dvi kiekvieno tipo histono kopijos: H2A, H2B, H3 ir H4. Skirtingų histonų sąjunga vadinama „histono oktameriu“.

Oktameris yra apsuptas maždaug 146 bazinių porų, kurios apskritimas vyksta mažiau nei du kartus. Žmogaus diploinės ląstelių yra maždaug 6,4 x 10 ⁹ nukleotidų, kurie vyksta į 30 milijonų nukleosoma.

Organizacija į nukleosomas leidžia DNR suspausti daugiau nei trečdaliu pradinio ilgio.

Ekstrahuojant genetinę medžiagą fiziologinėmis sąlygomis pastebima, kad nukleozomos yra išdėstytos 30 nanometrų pluošte.

Chromosomos

Chromosomos yra funkcinis paveldimumo vienetas, kurio funkcija yra pernešti individo genus. Genas yra DNR segmentas, kuriame yra informacija baltymo (arba baltymų serijos) sintezei. Tačiau yra ir tokių genų, kurie koduoja norminius elementus, pavyzdžiui, RNR.

Visos žmogaus ląstelės (išskyrus lytines ląsteles ir kraujo ląsteles) turi dvi kiekvienos chromosomos kopijas: vieną paveldi iš tėvo, kitą - iš motinos.

Chromosomos yra struktūros, sudarytos iš ilgo linijinio DNR gabalo, susieto su pirmiau minėtais baltymų kompleksais. Paprastai eukariotuose visa branduolyje esanti genetinė medžiaga yra padalinta į chromosomų serijas.

Organizavimas prokariotuose

Prokariotai yra organizmai, neturintys branduolio. Šių rūšių genetinė medžiaga yra labai susukta kartu su mažos molekulinės masės šarminiais baltymais. Tokiu būdu DNR sutankinama ir randama centriniame bakterijų regione.

Kai kurie autoriai šią struktūrą dažnai vadina „bakterine chromosoma“, nors ji neturi tokių savybių kaip eukariotinė chromosoma.

DNR kiekis

Ne visų rūšių organizmuose yra vienodas kiekis DNR. Tiesą sakant, ši vertė labai skiriasi įvairioms rūšims ir nėra jokio ryšio tarp DNR kiekio ir organizmo sudėtingumo. Šis prieštaravimas žinomas kaip „C vertės paradoksas“.

Logiškas argumentas būtų intuicija, kad kuo sudėtingesnis organizmas, tuo daugiau DNR jis turi. Tačiau tai nėra tiesa.

Pvz., Plaučių žuvų Protopterus aethiopicus genomas yra 132 pg dydžio (DNR galima kiekybiškai įvertinti pikogramomis = pg), tuo tarpu žmogaus genomas sveria tik 3,5 pg.

Reikia nepamiršti, kad ne visos organizmo DNR koduoja baltymus, tačiau didelis jų kiekis susijęs su reguliavimo elementais ir skirtingomis RNR rūšimis.

Struktūrinės DNR formos

Watsono ir Cricko modelis, išvedamas iš rentgeno spindulių difrakcijos modelių, yra žinomas kaip B-DNR spiralė ir yra „tradicinis“ bei geriausiai žinomas modelis. Tačiau yra dar dvi skirtingos formos, vadinamos A-DNR ir Z-DNR.

DNR - A

„A“ variantas sukasi į dešinę, kaip ir B-DNR, tačiau yra trumpesnis ir platesnis. Ši forma atsiranda sumažėjus santykiniam oro drėgnumui.

A-DNR sukasi kas 11 bazinių porų, pagrindinis griovelis yra siauresnis ir gilesnis nei B-DNR. Mažesnio griovelio atžvilgiu tai yra paviršutiniškas ir platus.

DNR - Z

Trečiasis variantas yra Z-DNR. Tai yra siauriausia forma, susidedanti iš heksanukleotidų grupės, organizuotos antiparallelių grandinių duplekse. Vienas ryškiausių šios formos bruožų yra tai, kad ji pasisuka į kairę, o kiti du būdai tai daro į dešinę.

Z-DNR atsiranda, kai tarp jų pakaitomis yra trumpi pirimidinų ir purinų seka. Pagrindinis sultys yra plokščias, o nepilnametis yra siauras ir gilesnis, palyginti su B-DNR.

Nors fiziologinėmis sąlygomis DNR molekulė dažniausiai yra B formos, dviejų aprašytų variantų egzistavimas atskleidžia genetinės medžiagos lankstumą ir dinamiškumą.

funkcijos

DNR molekulėje yra visa informacija ir instrukcijos, reikalingos organizmo statybai. Visas genetinės informacijos apie organizmus rinkinys vadinamas genomu.

Pranešimą užkoduoja „biologinė abėcėlė“: keturios anksčiau minėtos bazės, A, T, G ir C.

Pranešimas gali sukelti įvairių rūšių baltymų susidarymą arba tam tikro reguliavimo elemento kodą. Procesas, kurio metu šios duomenų bazės gali perduoti pranešimą, paaiškinamas toliau:

Replikacija, transkripcija ir vertimas

Keturiomis raidėmis A, T, G ir C užkoduota žinutė sukuria fenotipą (ne visos DNR sekos koduoja baltymus). Norėdami tai pasiekti, DNR turi atkartoti save kiekviename ląstelių dalijimosi procese.

DNR replikacija yra pusiau konservatyvi: viena grandinė naudojama kaip šablonas naujos dukterinės molekulės formavimui. Replikaciją katalizuoja daugybė fermentų, įskaitant DNR pradą, DNR helikazę, DNR ligazę ir topoizomerazę.

Vėliau pranešimas, parašytas bazinės sekos kalba, turi būti perduodamas į tarpinę molekulę: RNR (ribonukleino rūgštis). Šis procesas vadinamas transkripcija.

Kad įvyktų transkripcija, turi dalyvauti skirtingi fermentai, įskaitant RNR polimerazę.

Šis fermentas yra atsakingas už DNR žinutės nukopijavimą ir pavertimą RNR molekulėmis. Kitaip tariant, transkripcijos tikslas yra gauti pasiuntinį.

Galiausiai, ribosomų dėka pranešimas virsta RNR molekulėmis.

Šios struktūros užima pasiuntinio RNR ir kartu su vertimo mechanizmu sudaro nurodytą baltymą.

Genetinis kodas

Pranešimas skaitomas „trejetukais“ arba trijų raidžių grupėmis, nurodančiomis aminorūgštį - baltymų statybinius blokus. Galima iššifruoti trynukų žinią, nes genetinis kodas jau buvo visiškai atskleistas.

Vertimas visada prasideda aminorūgštimi metioninu, kurią koduoja pradinis tripletas: AUG. „U“ žymi bazinį uracilą ir yra būdingas RNR ir slopina timiną.

Pvz., Jei pasiuntinio RNR turi tokią seką: AUG CCU CUU UUU UUA, ji paverčiama šiomis aminorūgštimis: metioninu, prolinu, leucinu, fenilalaninu ir fenilalaninu. Atminkite, kad du tripletai - šiuo atveju UUU ir UUA - gali koduoti tą pačią aminorūgštį: fenilalaniną.

Dėl šios savybės sakoma, kad genetinis kodas yra išsigimęs, nes aminorūgštį koduoja daugiau nei viena tripletų seka, išskyrus aminorūgštį metioniną, kuri diktuoja vertimo pradžią.

Procesas sustabdomas naudojant specialius stop arba stop tripletus: UAA, UAG ir UGA. Jie yra žinomi atitinkamai su ochros, gintaro ir opalo pavadinimais. Kai juos aptinka ribosoma, jie nebegali pridėti daugiau aminorūgščių į grandinę.

Cheminės ir fizinės savybės

Nukleorūgštys yra rūgščios ir yra tirpios vandenyje (hidrofilinės). Gali susidaryti vandenilio ryšiai tarp fosfato grupių ir pentozių hidroksilo grupių su vandeniu. Neigiamai įkraunama esant fiziologiniam pH.

DNR tirpalai yra labai klampūs dėl dvigubos spiralės, kuri yra labai tvirta, atsparumo deformacijai. Klampumas mažėja, jei nukleorūgštis yra vienos grandinės.

Jie yra labai stabilios molekulės. Logiškai mąstant, ši savybė turi būti būtina struktūrose, kuriose yra genetinė informacija. Palyginti su RNR, DNR yra daug stabilesnė, nes joje nėra hidroksilo grupės.

DNR gali būti denatūruota šiluma, tai yra, sruogos atsiskiria, kai molekulė yra veikiama aukštoje temperatūroje.

Šilumos kiekis, kuris turi būti naudojamas, priklauso nuo molekulės G - C procentų, nes šios bazės yra sujungtos trimis vandenilio ryšiais, padidinančios atsparumą atskyrimui.

Kalbant apie šviesos sugertį, jų didžiausia amplitudė yra 260 nanometrų, o tai padidėja, jei nukleorūgštis yra viengrandė, nes nukleotidų žiedai yra veikiami ir jie yra atsakingi už absorbciją.

Evoliucija

Anot Lazcano ir kt. 1988 m. DNR iš RNR atsiranda pereinamuoju etapu, tai yra vienas iš svarbiausių įvykių gyvenimo istorijoje.

Autoriai siūlo tris etapus: pirmąjį periodą, kai buvo molekulių, panašių į nukleorūgštis, vėliau genomus sudarė RNR ir paskutiniame etape atsirado dvigubos juostos DNR genomai.

Kai kurie įrodymai patvirtina RNR pagrįstą pirminio pasaulio teoriją. Pirma, baltymų sintezė gali vykti nesant DNR, bet ne tada, kai trūksta RNR. Be to, buvo atrastos RNR molekulės, turinčios katalizinių savybių.

Kalbant apie dezoksiribonukleotidų (esančių DNR) sintezę, jie visada kyla iš redukuotų ribonukleotidų (esančių RNR).

DNR molekulės evoliucinei inovacijai turėjo būti reikalingi fermentai, sintetinantys DNR pirmtakus ir dalyvaujantys atvirkštinėje RNR transkripcijoje.

Ištyrus dabartinius fermentus, galima daryti išvadą, kad šie baltymai evoliucionavo keletą kartų ir kad perėjimas iš RNR į DNR yra sudėtingesnis, nei manyta anksčiau, įskaitant genų perkėlimo ir praradimo procesus bei neortologinius pakaitalus.

DNR sekos nustatymas

DNR seką sudaro DNR grandinės sekos išaiškinimas pagal keturias bazes, kurios ją sudaro.

Žinios apie šią seką yra nepaprastai svarbios biologiniuose moksluose. Jis gali būti naudojamas norint atskirti dvi morfologiškai labai panašias rūšis, nustatyti ligas, patologijas ar parazitus ir netgi būti pritaikytas kriminalistikoje.

„Sanger“ seka buvo sukurta šeštajame dešimtmetyje ir yra tradicinė sekos paaiškinimo technika. Nepaisant savo amžiaus, jis yra tinkamas metodas ir plačiai naudojamas tyrinėtojų.

Sangerio metodas

Metodas naudoja DNR polimerazę - labai patikimą fermentą, kuris replikuoja DNR ląstelėse, sintetindamas naują DNR grandinę, naudodamas orientacinę jau esamą. Fermentui sintezei inicijuoti reikalingas pradmuo. Gruntas yra maža DNR molekulė, papildanti sekuojamą molekulę.

Reakcijos metu pridedami nukleotidai, kuriuos fermentas įtraukia į naują DNR grandinę.

Be „tradicinių“ nukleotidų, metodas apima dideoksinukleotidų seką kiekvienai bazei. Jie skiriasi nuo standartinių nukleotidų dviem požymiais: struktūriškai jie neleidžia DNR polimerazei pridėti daugiau nukleotidų prie dukterinės grandinės ir kiekvienoje bazėje yra skirtingas fluorescencinis žymeklis.

Rezultatas yra daugybė skirtingo ilgio DNR molekulių, nes dideoksinukleotidai buvo įterpti atsitiktinai ir sustabdė replikacijos procesą skirtingais etapais.

Šią molekulių įvairovę galima atskirti atsižvelgiant į jų ilgį, o nukleotidų tapatumas nustatomas išleidžiant šviesą iš fluorescencinės etiketės.

Naujos kartos sekos

Pastaraisiais metais sukurti sekos sudarymo būdai leidžia vienu metu masiškai išanalizuoti milijonus mėginių.

Tarp ryškiausių metodų yra pirosequencing, seka sinteze, seka ligacija ir sekančios kartos seka Ion Torrent.

Nuorodos

1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J. ir kt. (2002). Ląstelės molekulinė biologija. 4-asis leidimas. Niujorkas: girliandų mokslas. DNR struktūra ir funkcija. Galima rasti: ncbi.nlm.nih.gov/
2. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J. ir kt. (2002). Ląstelės molekulinė biologija. 4-asis leidimas. Niujorkas: girliandų mokslas. Chromosomų DNR ir jos pakuotė chromatino pluošte. Galima rasti: ncbi.nlm.nih.gov
3. Bergas, J. M., Tymoczko, J. L., Stryeris, L. (2002). Biochemija. 5-asis leidimas. Niujorkas: WH Freeman. 27.1 skirsnyje, DNR gali būti įvairių struktūrinių formų. Galima rasti: ncbi.nlm.nih.gov
4. Fierro, A. (2001). Trumpa DNR struktūros atradimo istorija. „Rev Méd Clínica Las Condes“, 20, 71–75.
5. Forterre, P., Filée, J. ir Myllykallio, H. (2000-2013) DNR ir DNR replikacijos aparatų kilmė ir raida. In: „Madame Curie“ bioscience duomenų bazė. Ostinas (TX): Landes bioscience. Galima rasti: ncbi.nlm.nih.gov
6. Lazcano, A., Guerrero, R., Margulis, L., & Oro, J. (1988). Ankstyvųjų ląstelių evoliucinis perėjimas nuo RNR prie DNR. Žurnalas apie molekulinę evoliuciją, 27 (4), 283–290.
7. Lodish, H., Berk, A., Zipursky, SL ir kt. (2000). Molekulinių ląstelių biologija. 4-asis leidimas. Niujorkas: WH Freeman. 9.5 skyrius, Ląstelių DNR suskirstymas į chromosomas. Galima rasti: ncbi.nlm.nih.gov/books
8. Voet, D., Voet, JG, & Pratt, CW (1999). Biochemijos pagrindai. Niujorkas: Johnas Willey ir sūnūs.