DNA: HISTORIE, FUNKCE, STRUKTURA, KOMPONENTY - BIOLOGIE

DNA (deoxyribonukleová kyselina) je biomolekula obsahuje všechny informace potřebné pro generování tělo a udržovat jeho provoz. Je tvořen jednotkami zvanými nukleotidy, tvořenými fosfátovou skupinou, molekulou cukru s pěti atomy uhlíku a dusíkatou bází.

Existují čtyři dusíkaté báze: adenin (A), cytosin (C), guanin (G) a thymin (T). Adenin vždy spáruje s tyminem a guanin s cytosinem. Zpráva obsažená v řetězci DNA se transformuje na messengerovou RNA a podílí se na syntéze proteinů.

DNA je extrémně stabilní molekula, záporně nabitá při fyziologickém pH, která se spojuje s pozitivními proteiny (histony), aby účinně zhutňovala jádro eukaryotických buněk. Dlouhý řetězec DNA spolu s různými asociovanými proteiny tvoří chromozom.

Dějiny

V roce 1953 se americkému Jamesu Watsonovi a britskému Francisovi Crickovi podařilo objasnit trojrozměrnou strukturu DNA díky práci v krystalografii provedené Rosalind Franklin a Maurice Wilkinsovou. Závěry také založili na práci jiných autorů.

Když je DNA vystavena rentgenovým paprskům, vytvoří se difrakční obrazec, který lze použít k odvození struktury molekuly: šroubovice dvou antiparalelních řetězců, které rotují doprava, kde jsou oba řetězce spojeny vodíkovými vazbami mezi bázemi.. Získaný vzor byl následující:

Strukturu lze předpokládat podle Braggových zákonů difrakce: když je objekt vložen do středu rentgenového paprsku, odráží se, protože elektrony objektu interagují s paprskem.

25. dubna 1953 byly výsledky Watsona a Cricka publikovány v prestižním časopise Nature v článku pouze dvou stran nazvaných „Molekulární struktura nukleových kyselin“, který by zcela revolucionizoval biologické pole.

Díky tomuto objevu dostali vědci Nobelovu cenu za medicínu v roce 1962, s výjimkou Franklina, který zemřel před porodem. V současné době je tento objev jedním z největších zastánců úspěchu vědecké metody při získávání nových znalostí.

Komponenty

Molekula DNA je tvořena nukleotidy, jednotkami tvořenými pěti uhlíkovým cukrem připojeným k fosfátové skupině a dusíkatou bází. Druh cukru nalezený v DNA je typ deoxyribózy, a proto jeho název, deoxyribonukleová kyselina.

Pro vytvoření řetězce jsou nukleotidy kovalentně spojeny vazbou fosfodiesterového typu prostřednictvím 3'-hydroxylové skupiny (-OH) z cukru a 5'-fosfafu dalšího nukleotidu.

Nukleotidy by neměly být zaměňovány s nukleosidy. Ten se týká části nukleotidu tvořeného pouze pentózou (cukrem) a dusíkatou bází.

DNA je tvořena čtyřmi typy dusíkatých bází: adeninem (A), cytosinem (C), guaninem (G) a thyminem (T).

Dusíkaté báze se dělí do dvou kategorií: puriny a pyrimidiny. První skupina sestává z kruhu pěti atomů připojených k dalšímu kruhu šesti, zatímco pyrimidiny jsou složeny pouze z jednoho kruhu.

Z uvedených bází jsou adenin a guanin deriváty purinů. Naproti tomu thymin, cytosin a uracil (přítomný v molekule RNA) patří do skupiny pyrimidinů.

Struktura

Molekula DNA se skládá ze dvou řetězců nukleotidů. Tento „řetězec“ je známý jako řetězec DNA.

Tyto dva řetězce jsou spojeny vodíkovými vazbami mezi komplementárními bázemi. Dusíkaté báze jsou kovalentně spojeny s páteří cukrů a fosfátů.

Každý nukleotid umístěný na jednom řetězci může být spojen s jiným specifickým nukleotidem na druhém řetězci za vzniku dobře známé dvojité šroubovice. Aby se vytvořila účinná struktura, A se vždy spojí s T pomocí dvou vodíkových vazeb a G s C třemi vazbami.

Chargaffův zákon

Pokud studujeme podíly dusíkatých bází v DNA, zjistíme, že množství A je totožné s množstvím T a stejné s G a C. Tento model je známý jako Chargaffův zákon.

Toto párování je energeticky výhodné, protože umožňuje zachovat podobnou šířku podél struktury, udržovat podobnou vzdálenost podél molekuly hlavního řetězce cukr-fosfát. Všimněte si, že základna prstence se spojuje s jedním prstencem.

Dvojitý šroubovicový model

Předpokládá se, že dvojitá spirála je složena z 10,4 nukleotidů na otáčku, oddělených vzdáleností mezi středy 3,4 nanometrů. Proces válcování vede ke vzniku drážek ve struktuře, přičemž je možné pozorovat větší a menší drážku.

Drážky vznikají, protože glykosidické vazby v párech bází nejsou vzhledem k jejich průměru proti sobě. Pyrimidin O-2 a purin N-3 se nacházejí v menší drážce, zatímco hlavní drážka je umístěna v opačné oblasti.

Použijeme-li analogii žebříku, příčky se skládají z vzájemně se doplňujících dvojic bází, zatímco kostra odpovídá oběma drapákům.

Konce molekuly DNA nejsou stejné, proto mluvíme o „polaritě“. Jeden z jeho konců, 3 ', nese skupinu -OH, zatímco 5' konec má volnou fosfátovou skupinu.

Dva prameny jsou umístěny antiparalelně, což znamená, že jsou umístěny opačným způsobem, pokud jde o jejich polaritu, takto:

Kromě toho musí být sekvence jednoho z řetězců komplementární k jeho partnerovi, pokud je to pozice A, v antiparalelním řetězci musí být T.

Organizace

V každé lidské buňce jsou přibližně dva metry DNA, které musí být účinně zabaleny.

Vlákno musí být zhutněno tak, aby mohlo být obsaženo v mikroskopickém jádru o průměru 6 μm, které zabírá pouze 10% objemu buňky. To je možné díky následujícím úrovním zhutnění:

Histony

V eukaryotech jsou proteiny zvané histony, které mají schopnost vázat se na molekulu DNA, což je první úroveň zhutnění vlákna. Histony mají pozitivní náboje, aby mohly interagovat s negativními náboji DNA, které jsou poskytovány fosfáty.

Histony jsou proteiny tak důležité pro eukaryotické organismy, že se během evoluce prakticky nezměnily - pamatujíc na to, že nízká míra mutací naznačuje, že selektivní tlaky na tuto molekulu jsou silné. Vada histonů by mohla mít za následek vadné zhutnění DNA.

Histony mohou být biochemicky modifikovány a tento proces modifikuje úroveň zhutnění genetického materiálu.

Když jsou histony „hypoacetylované“, chromatin je více kondenzovaný, protože acetylované formy neutralizují pozitivní náboje lysinů (pozitivně nabité aminokyseliny) v proteinu.

Nukleozomy a vlákno 30 nm

Vlákno DNA se ovine kolem histonů a tvoří struktury, které se podobají perličkám na perlovém náhrdelníku, zvaném nukleosomy. Srdcem této struktury jsou dvě kopie každého typu histonu: H2A, H2B, H3 a H4. Spojení různých histonů se nazývá „histon oktamer“.

Oktamer je obklopen asi 146 páry bází, kroužícími méně než dvakrát. Lidská diploidní buňka obsahuje přibližně 6,4 x ¹⁰⁹ nukleotidů, které jsou uspořádány do 30 milionů nukleosomů.

Organizace do nukleosomů umožňuje zhutnění DNA na více než třetinu původní délky.

Při procesu extrakce genetického materiálu za fyziologických podmínek je pozorováno, že nukleosomy jsou uspořádány v vlákně 30 nanometrů.

Chromozomy

Chromozomy jsou funkční jednotkou dědičnosti, jejíž funkcí je nést geny jednotlivce. Gen je segment DNA, který obsahuje informace pro syntézu proteinu (nebo řady proteinů). Existují však také geny, které kódují regulační prvky, jako je RNA.

Všechny lidské buňky (s výjimkou gamet a krevních buněk) mají dvě kopie každého chromozomu, jednu zděděnou od otce a druhou od matky.

Chromozomy jsou struktury tvořené dlouhým lineárním kusem DNA spojeným s výše uvedenými proteinovými komplexy. Normálně je v eukaryotoch veškerý genetický materiál obsažený v jádru rozdělen do řady chromozomů.

Organizace prokaryot

Prokaryoty jsou organismy, které postrádají jádro. U těchto druhů je genetický materiál vysoce stočený společně s alkalickými proteiny s nízkou molekulovou hmotností. Tímto způsobem je DNA zhutněna a umístěna v centrální oblasti bakterií.

Někteří autoři často nazývají tuto strukturu „bakteriálním chromozomem“, ačkoli nemá stejné vlastnosti jako eukaryotický chromozom.

Množství DNA

Ne všechny druhy organismů obsahují stejné množství DNA. Ve skutečnosti je tato hodnota mezi druhy velmi proměnlivá a neexistuje žádný vztah mezi množstvím DNA a složitostí organismu. Tento rozpor je znám jako paradox „hodnoty C“.

Logickým zdůvodněním by bylo intuitivnost, že čím složitější je organismus, tím více DNA má. To však v přírodě není pravda.

Například genom lungfish Protopterus aethiopicus má velikost 132 pg (DNA lze kvantifikovat v pikogramech = pg), zatímco lidský genom váží pouze 3,5 pg.

Je třeba si uvědomit, že ne veškerá DNA organismu kóduje proteiny, velké množství toho souvisí s regulačními prvky a různými typy RNA.

Strukturální formy DNA

Model Watsona a Cricka, odvozený z rentgenových difrakčních obrazců, je známý jako spirála B-DNA a je „tradičním“ a nejznámějším modelem. Existují však dvě další různé formy, které se nazývají A-DNA a Z-DNA.

DNA - A

Varianta „A“ se otáčí doprava, stejně jako B-DNA, ale je kratší a širší. Tato forma se objeví, když se relativní vlhkost sníží.

A-DNA rotuje každých 11 párů bází, hlavní drážka je užší a hlubší než B-DNA. S ohledem na menší drážku je to povrchnější a širší.

DNA - Z

Třetí variantou je Z-DNA. Je to nejužší forma tvořená skupinou hexanukleotidů uspořádaných do duplexu antiparalelních řetězců. Jedním z nejvýznamnějších rysů tohoto tvaru je to, že se otáčí doleva, zatímco ostatní dva způsoby to dělají doprava.

Z-DNA se objeví, když se střídají krátké sekvence pyrimidinů a purinů. Hlavní sulcus je plochý a menší je úzký a hlubší ve srovnání s B-DNA.

I když je za fyziologických podmínek molekula DNA většinou ve formě B, existence obou popsaných variant odhaluje flexibilitu a dynamiku genetického materiálu.

Funkce

Molekula DNA obsahuje všechny informace a pokyny nezbytné pro konstrukci organismu. Úplná sada genetických informací v organismech se nazývá genom.

Zpráva je kódována „biologickou abecedou“: výše zmíněné čtyři báze, A, T, G a C.

Zpráva může vést k tvorbě různých typů proteinů nebo kódu pro určitý regulační prvek. Proces, kterým mohou tyto databáze doručit zprávu, je vysvětlen níže:

Replikace, přepis a překlad

Zpráva zašifrovaná čtyřmi písmeny A, T, G a C má za následek fenotyp (ne všechny sekvence DNA kódující proteiny). Aby toho bylo dosaženo, musí se DNA replikovat v každém procesu buněčného dělení.

Replikace DNA je polokonzervativní: jedno vlákno slouží jako templát pro vytvoření nové dceřiné molekuly. Replikace katalyzovaná řadou enzymů, včetně DNA primasy, DNA helikázy, DNA ligázy a topoisomerázy.

Následně musí být zpráva - psaná v jazyce základní sekvence - přenesena na přechodnou molekulu: RNA (ribonukleová kyselina). Tento proces se nazývá transkripce.

Aby došlo k transkripci, musí se účastnit různé enzymy, včetně RNA polymerázy.

Tento enzym je zodpovědný za kopírování zprávy DNA a její přeměnu na molekulu messenger RNA. Jinými slovy, cílem transkripce je získat posla.

Nakonec dochází k translaci zprávy do molekul RNA messenger díky ribozomům.

Tyto struktury berou messengerovou RNA a spolu s translačním mechanismem tvoří specifikovaný protein.

Genetický kód

Zpráva se čte ve „trojicích“ nebo ve skupinách po třech písmenech, která specifikují aminokyselinu - stavební bloky proteinů. Je možné dešifrovat zprávu trojice, protože genetický kód již byl zcela odhalen.

Překlad vždy začíná aminokyselinou methioninem, který je kódován počátečním tripletem: AUG. "U" představuje základní uracil a je charakteristický pro RNA a nahrazuje thymin.

Například, pokud má messengerová RNA následující sekvenci: AUG CCU CUU UUU UUA, je přeložena na následující aminokyseliny: methionin, prolin, leucin, fenylalanin a fenylalanin. Všimněte si, že dvě trojice - v tomto případě UUU a UUA - mohou kódovat stejnou aminokyselinu: fenylalanin.

V důsledku této vlastnosti se říká, že genetický kód je degenerovaný, protože aminokyselina je kódována více než jednou sekvencí trojic, s výjimkou aminokyseliny methioninu, která diktuje začátek translace.

Proces je zastaven pomocí specifických tripletů zastavení nebo zastavení: UAA, UAG a UGA. Oni jsou znáni pod jmény okr, jantar a opál, příslušně. Když je ribozom detekuje, nemohou do řetězce přidat další aminokyseliny.

Chemické a fyzikální vlastnosti

Nukleové kyseliny jsou kyselé povahy a jsou rozpustné ve vodě (hydrofilní). Může dojít k tvorbě vodíkových vazeb mezi fosfátovými skupinami a hydroxylovými skupinami pentóz s vodou. Při fyziologickém pH je negativně nabitá.

Roztoky DNA jsou vysoce viskózní díky kapacitě dvojitého šroubovice, která je velmi tuhá. Viskozita klesá, pokud je nukleová kyselina jednovláknová.

Jsou to vysoce stabilní molekuly. Logicky musí být tato vlastnost nezbytná ve strukturách, které nesou genetické informace. Ve srovnání s RNA je DNA mnohem stabilnější, protože postrádá hydroxylovou skupinu.

DNA může být tepelně denaturována, to znamená, že se vlákna oddělují, když je molekula vystavena vysokým teplotám.

Množství tepla, které musí být aplikováno, závisí na procentuálním podílu G - C molekuly, protože tyto báze jsou spojeny třemi vodíkovými vazbami, což zvyšuje odolnost vůči separaci.

Pokud jde o absorpci světla, mají pík při 260 nanometrech, který se zvyšuje, pokud je nukleová kyselina jednovláknová, protože jsou exponovány nukleotidové kruhy a ty jsou za absorpci odpovědné.

Vývoj

Podle Lazcana et al. 1988 DNA se objevuje v přechodných stádiích z RNA a je jednou z nejdůležitějších událostí v historii života.

Autoři navrhují tři stádia: první období, kdy byly molekuly podobné nukleovým kyselinám, později byly genomy tvořeny RNA a jako poslední stádium se objevily dvojpásmové DNA genomy.

Některé důkazy podporují teorii primárního světa založeného na RNA. Za prvé, syntéza proteinů může nastat v nepřítomnosti DNA, ale ne v případě, že RNA chybí. Dále byly objeveny molekuly RNA s katalytickými vlastnostmi.

Pokud jde o syntézu deoxyribonukleotidů (přítomných v DNA), vždy pocházejí z redukce ribonukleotidů (přítomných v RNA).

Evoluční inovace molekuly DNA musí vyžadovat přítomnost enzymů, které syntetizují prekurzory DNA a které se účastní reverzní transkripce RNA.

Studiem současných enzymů lze dojít k závěru, že se tyto proteiny několikrát vyvinuly a že přechod z RNA na DNA je složitější, než se dříve předpokládalo, včetně procesů přenosu a ztráty genů a neortologických náhrad.

DNA sekvenování

Sekvenování DNA spočívá v objasnění sekvence řetězce DNA ve smyslu čtyř bází, které jej tvoří.

Znalost této sekvence má v biologických vědách největší význam. Může být použit k rozlišení dvou morfologicky velmi podobných druhů, k detekci nemocí, patologií nebo parazitů a dokonce má forenzní použitelnost.

Sangerovo sekvenování bylo vyvinuto v roce 1900 a je tradiční technikou pro objasnění sekvence. I přes svůj věk je to platná metoda a výzkumníci ji široce používají.

Sangerova metoda

Metoda používá DNA polymerázu, vysoce spolehlivý enzym, který replikuje DNA v buňkách, syntetizuje nový řetězec DNA pomocí dříve existující jako vodítko. Enzym vyžaduje primer k zahájení syntézy. Primer je malá molekula DNA komplementární k molekule, která má být sekvenována.

Při reakci se přidají nukleotidy, které budou enzymem začleněny do nového řetězce DNA.

Kromě "tradičních" nukleotidů zahrnuje způsob sérii dideoxynukleotidů pro každou z bází. Liší se od standardních nukleotidů ve dvou charakteristikách: strukturálně neumožňují DNA polymeráze přidat více nukleotidů k dceřinému řetězci a mají pro každou bázi odlišný fluorescenční marker.

Výsledkem je celá řada molekul DNA různých délek, protože dideoxynukleotidy byly náhodně začleněny a zastavily replikační proces v různých stádiích.

Tato rozmanitost molekul může být separována podle jejich délky a identita nukleotidů je čtena pomocí emise světla z fluorescenční značky.

Sekvenování příští generace

Techniky sekvenování vyvinuté v posledních letech umožňují masivní analýzu milionů vzorků současně.

Mezi nejvýraznější metody patří pyroekvenování, sekvenování syntézou, sekvenování ligací a sekvenování další generace Ion Torrentem.

Reference

Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., a kol. (2002). Molekulární biologie buňky. 4. vydání. New York: Garland Science. Struktura a funkce DNA. K dispozici na adrese: ncbi.nlm.nih.gov/
Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., a kol. (2002). Molekulární biologie buňky. 4. vydání. New York: Garland Science. Chromozomální DNA a její balení do chromatinového vlákna. K dispozici na adrese: ncbi.nlm.nih.gov
Berg, JM, Tymoczko, JL, Stryer, L. (2002). Biochemie. 5. vydání. New York: WH Freeman. Oddíl 27.1, DNA může předpokládat různé strukturální formy. K dispozici na adrese: ncbi.nlm.nih.gov
Fierro, A. (2001). Stručná historie objevu struktury DNA. Rev Méd Clínica Las Condes, 20, 71-75.
Forterre, P., Filée, J. & Myllykallio, H. (2000-2013) Původ a vývoj replikačních strojů DNA a DNA. In: Databáze Madame Curie Bioscience. Austin (TX): Landes Bioscience. K dispozici na adrese: ncbi.nlm.nih.gov
Lazcano, A., Guerrero, R., Margulis, L., & Oro, J. (1988). Evoluční přechod z RNA na DNA v časných buňkách. Journal of molekulární evoluce, 27 (4), 283-290.
Lodish, H., Berk, A., Zipursky, SL, et al. (2000). Molekulární buněčná biologie. 4. vydání. New York: WH Freeman. Oddíl 9.5, Organizace buněčné DNA na chromozomy. K dispozici na adrese: ncbi.nlm.nih.gov/books
Voet, D., Voet, JG, & Pratt, CW (1999). Základy biochemie. New York: John Willey a synové.

DNA: HISTORIE, FUNKCE, STRUKTURA, KOMPONENTY - BIOLOGIE - 2025