DNA-geschiedenis, functies, structuur, componenten

de DNA (desoxyribonucleïnezuur) is het biomolecuul dat alle informatie bevat die nodig is om een ​​organisme te genereren en zijn functie te behouden. Het is samengesteld uit eenheden genaamd nucleotiden, gevormd op zijn beurt van een fosfaatgroep, een suikermolecuul van vijf koolstofatomen en een stikstofhoudende base.

Er zijn vier stikstofhoudende basen: adenine (A), cytosine (C), guanine (G) en thymine (T). Adenine koppelt altijd met thymine en guanine met cytosine. Het bericht in de DNA-streng wordt getransformeerd in een boodschapper-RNA en dit neemt deel aan de synthese van eiwitten.

DNA is een extreem stabiel molecuul, negatief geladen bij fysiologische pH, wat geassocieerd is met positieve eiwitten (histonen) om efficiënt te comprimeren in de kern van eukaryote cellen. Een lange streng DNA vormt samen met verschillende bijbehorende eiwitten een chromosoom.

index

• 1 Geschiedenis
• 2 componenten
• 3 Structuur
  • 3.1 Wet van Chargaff
  • 3.2 Model met dubbele helix
• 4 Organisatie
  • 4.1 Histones
  • 4.2 Nucleosomen en 30 nm vezel
  • 4.3 Chromosomen
  • 4.4 Organisatie in prokaryoten
  • 4.5 Hoeveelheid DNA
• 5 Structurele vormen van DNA
  • 5.1 DNA-A
  • 5.2 ADN-Z
• 6 functies
  • 6.1 Replicatie, transcriptie en vertaling
  • 6.2 De genetische code
• 7 Chemische en fysische eigenschappen
• 8 Evolutie
• 9 DNA-sequencing
  • 9.1 Sanger-methode
• 10 Nieuwe generatie sequencing
• 11 Referenties

geschiedenis

In 1953 slaagden de Amerikanen James Watson en de Britse Francis Crick erin de driedimensionale structuur van het DNA te verhelderen, dankzij het werk in kristallografie van Rosalind Franklin en Maurice Wilkins. Ze baseerden hun conclusies ook op de werken van andere auteurs.

Door de DNA bloot te stellen aan de X-straal diffractiepatroon dat kan worden gebruikt om de structuur van het molecuul afgeleid is gevormd: een helix van twee antiparallelle ketens rechtsom draaien, wanneer beide zijn verbonden door waterstofbindingen tussen basen . Het verkregen patroon is als volgt:

De structuur kan worden aangenomen volgens de wetten van Bragg-diffractie: wanneer een object in het midden van een röntgenstraal wordt geplaatst, wordt het gereflecteerd, omdat de elektronen van het object in wisselwerking staan ​​met de straal..

Op 25 april 1953 werden de resultaten van Watson en Crick gepubliceerd in het prestigieuze tijdschrift natuur, in een artikel van twee pagina's getiteld "Moleculaire structuur van nucleïnezuren", Dat zou het veld van de biologie compleet veranderen.

Dankzij deze ontdekking ontvingen de onderzoekers de Nobelprijs voor de geneeskunde in 1962, behalve Franklin die stierf voor de bevalling. Momenteel is deze ontdekking een van de grote exponenten van het succes van de wetenschappelijke methode om nieuwe kennis te verwerven.

componenten

Het DNA-molecuul is samengesteld uit nucleotiden, eenheden gevormd door een suiker van vijf koolstofatomen bevestigd aan een fosfaatgroep en een stikstofhoudende base. Het type suiker dat in DNA wordt gevonden, is van het type desoxyribose en vandaar de naam, deoxyribonucleïnezuur.

Om de keten te vormen, worden de nucleotiden covalent gebonden door een fosfodiesterbinding door middel van een 3'-hydroxylgroep (-OH) uit één suiker en de 5'-fosfafo van het volgende nucleotide.

Verwar nucleotiden niet met nucleosiden. Het laatste verwijst naar het deel van het nucleotide dat alleen gevormd wordt door de pentose (suiker) en de stikstofhoudende base.

DNA bestaat uit vier soorten stikstofhoudende basen: adenine (A), cytosine (C), guanine (G) en thymine (T).

De stikstofhoudende basen worden ingedeeld in twee categorieën: purinen en pyrimidinen. De eerste groep bestaat uit een ring van vijf atomen verbonden met een andere ring van zes, terwijl de pyrimidines bestaan ​​uit een enkele ring.

Van de genoemde basen zijn adenine en guanine derivaten van purines. Daarentegen behoort de groep van pyrimidines tot thymine, cytosine en uracil (aanwezig in het RNA-molecuul).

structuur

Een DNA-molecuul bestaat uit twee nucleotide-ketens. Deze "keten" staat bekend als een DNA-streng.

De twee strengen worden verbonden door waterstofbruggen tussen de complementaire basen. De stikstofhoudende basen zijn covalent gebonden aan een skelet van suikers en fosfaten.

Elk nucleotide gelokaliseerd in één streng kan worden gekoppeld met een ander specifiek nucleotide van de andere streng, om de bekende dubbele helix te vormen. Om een ​​efficiënte structuur te vormen, koppelt A altijd met T door middel van twee waterstofbruggen en G met C door drie bruggen.

De wet van Chargaff

Als we de verhoudingen van stikstofbasen in het DNA bestuderen, zullen we zien dat de hoeveelheid A gelijk is aan de hoeveelheid T en hetzelfde met de G en C. Dit patroon staat bekend als de wet van Chargaff.

Deze koppeling is energetisch gunstig, omdat het toestaat een vergelijkbare breedte langs de structuur te behouden, waarbij een vergelijkbare afstand langs het molecuul van het suikerfosfaatskelet wordt gehandhaafd. Merk op dat een basis van een ring is gekoppeld aan een ring.

Model van de dubbele helix

Er wordt voorgesteld dat de dubbele helix bestaat uit 10,4 nucleotiden per beurt, gescheiden door een afstand van midden tot middelpunt van 3,4 nanometer. Het walsproces geeft aanleiding tot de vorming van groeven in de structuur, in staat om een ​​grote en een kleine groef te observeren.

De groeven ontstaan ​​omdat de glycosidische bindingen in de basenparen niet tegenover elkaar liggen, met betrekking tot hun diameter. In de kleine groef bevindt zich het pyrimidine O-2 en het purine N-3, terwijl de hoofdgroef zich in het tegenoverliggende gebied bevindt.

Als we de analogie van een ladder gebruiken, bestaan ​​de sporten uit de complementaire basenparen, terwijl het skelet overeenkomt met de twee griprails.

De uiteinden van het DNA-molecuul zijn niet hetzelfde, dus we spreken van een "polariteit". Eén van zijn uiteinden, 3 ', draagt ​​een -OH-groep, terwijl het 5'-uiteinde de vrije fosfaatgroep heeft.

De twee strengen bevinden zich antiparallel, wat betekent dat ze zich tegenover hun polariteiten bevinden, als volgt:

Bovendien moet de volgorde van een van de draden complementair zijn aan de partner, als het een positie A is, moet er in de antiparallel thread een T zijn.

organisatie

In elke menselijke cel zijn er ongeveer twee meter DNA dat efficiënt moet worden verpakt.

De streng moet worden samengeperst zodat deze kan worden opgenomen in een microscopische kern met een diameter van 6 μm die slechts 10% van het celvolume inneemt. Dit is mogelijk dankzij de volgende niveaus van verdichting:

histonen

In eukaryoten zijn er eiwitten genaamd histonen, die het vermogen hebben om te binden aan het DNA-molecuul, zijnde het eerste niveau van verdichting van de streng. De histonen hebben positieve ladingen om te kunnen interageren met de negatieve ladingen van het DNA, bijgedragen door de fosfaten.

Histonen zijn zulke belangrijke eiwitten voor eukaryotische organismen die vrijwel onveranderlijk zijn gebleven in de loop van de evolutie - bedenkend dat een lage mutatiesnelheid aangeeft dat de selectieve druk op dit molecuul sterk is. Een defect in de histonen kan resulteren in een defecte DNA-compactie.

Histonen kunnen biochemisch worden gemodificeerd en dit proces wijzigt de mate van verdichting van het genetische materiaal.

Wanneer de histonen "gehyroacetyleerd" zijn, is het chromatine meer gecondenseerd, omdat de geacetyleerde vormen de positieve ladingen van de lysinen (positief geladen aminozuren) in het eiwit neutraliseren.

Nucleosomen en 30 nm vezel

De DNA-streng is opgerold in de histonen en vormt structuren die lijken op de parels van een parelketting, de zogenaamde nucleosomen. In het hart van deze structuur bevinden zich twee kopieën van elk type histonen: H2A, H2B, H3 en H4. De vereniging van de verschillende histonen wordt de "histone octamer" genoemd.

De octameer is omgeven door 146 paar bases, minder dan twee beurten. Een menselijke diploïde cel bevat ongeveer 6,4 x 10⁹ nucleotiden die zijn georganiseerd in 30 miljoen nucleosomen.

De organisatie in nucleosomen maakt het mogelijk om het DNA te comprimeren in meer dan een derde van de oorspronkelijke lengte.

In een proces van extractie van het genetische materiaal onder fysiologische omstandigheden wordt waargenomen dat de nucleosomen zijn gerangschikt in een vezel van 30 nanometer.

chromosomen

Chromosomen zijn de functionele eenheid van overerving, waarvan de functie is om de genen van een individu te dragen. Een gen is een DNA-segment dat de informatie bevat om een ​​eiwit (of een reeks eiwitten) te synthetiseren. Er zijn echter ook genen die coderen voor regulerende elementen, zoals RNA.

Alle menselijke cellen (behalve gameten en bloederytrocyten) hebben twee exemplaren van elk chromosoom, één geërfd van de vader en de andere van de moeder.

Chromosomen zijn structuren die zijn samengesteld uit een lang lineair gedeelte van DNA dat is geassocieerd met de eiwitcomplexen die hierboven zijn genoemd. Normaal gesproken wordt in eukaryoten al het genetische materiaal dat in de kern is opgenomen, verdeeld in een reeks chromosomen.

Organisatie in prokaryoten

Prokaryoten zijn organismen die een kern missen. Bij deze soorten is het genetische materiaal sterk opgerold samen met alkalische eiwitten met laag molecuulgewicht. Op deze manier wordt het DNA gecompacteerd en gelokaliseerd in een centraal gebied in de bacterie.

Sommige auteurs hebben meestal de naam "bacterieel chromosoom", hoewel het niet dezelfde kenmerken van een eukaryotisch chromosoom vertoont..

Hoeveelheid DNA

Niet alle soorten organismen bevatten dezelfde hoeveelheid DNA. In feite is deze waarde sterk variabel tussen soorten en is er geen relatie tussen de hoeveelheid DNA en de complexiteit van het organisme. Deze tegenstrijdigheid staat bekend als een "C-waardeparadox".

De logische redenering zou zijn om aan te nemen dat hoe complexer het organisme is, hoe meer DNA het bezit. Dit is echter niet waar in de natuur.

Bijvoorbeeld het genoom van de longvis Protopterus aethiopicus het heeft een grootte van 132 pg (DNA kan worden gekwantificeerd in picograms = pg) terwijl het menselijk genoom slechts 3,5 pg weegt.

Vergeet niet dat niet al het DNA van een organisme codeert voor eiwitten, een groot deel hiervan is gerelateerd aan regulatorische elementen en verschillende soorten RNA.

Structurele vormen van DNA

Watson-Crick-model, afgeleid uit de diffractiepatronen van röntgenstralen zogenaamde B-DNA helix en de "traditionele" en bekendste model. Er zijn echter twee verschillende vormen, genoemd DNA-A en DNA-Z.

DNA-A

Variant "A" draait naar rechts, net als DNA-B, maar is korter en breder. Deze vorm verschijnt wanneer de relatieve vochtigheid daalt.

Het DNA-A roteert elke 11 basenparen, de hoofdgroef is smaller en dieper dan het B-DNA. Met betrekking tot de kleine groove is dit meer oppervlakkig en breed.

Z-DNA

De derde variant is het Z-DNA. Het is de smalste vorm, gevormd door een groep hexanucleotiden georganiseerd in een duplex van antiparallelle ketens. Een van de meest opvallende kenmerken van deze vorm is dat deze naar links draait, terwijl de andere twee vormen naar rechts draaien.

Z-DNA verschijnt wanneer er korte reeksen van alternerende pyrimidines en purines zijn. De grotere groef is plat en de kleinere is smaller en dieper, vergeleken met het B-DNA.

Hoewel de DNA-molecule zich onder fysiologische omstandigheden meestal in zijn B-vorm bevindt, legt het bestaan ​​van de twee beschreven varianten de flexibiliteit en dynamiek van het genetische materiaal bloot.

functies

Het DNA-molecuul bevat alle informatie en instructies die nodig zijn voor de constructie van een organisme. De complete set van genetische informatie in organismen wordt genoemd genoom.

Het bericht wordt gecodeerd door het "biologische alfabet": de vier eerder genoemde bases, A, T, G en C.

Het bericht kan leiden tot de vorming van verschillende soorten eiwitten of codering voor een of ander regulerend element. Het proces waarmee deze bases een bericht kunnen afleveren, wordt hieronder uitgelegd:

Replicatie, transcriptie en vertaling

Het bericht gecodeerd in de vier letters A, T, G en C geeft als resultaat een fenotype (niet alle DNA-sequenties code voor eiwitten). Om dit te bereiken, moet DNA zichzelf repliceren in elk proces van celdeling.

DNA-replicatie is semiconservatief: een streng dient als een sjabloon voor de vorming van het nieuwe dochtermolecuul. Verschillende enzymen katalyseren replicatie, waaronder DNA-primase, DNA-helicase, DNA-ligase en topoisomerase.

Vervolgens moet het bericht - geschreven in een basensequentietaal - worden verzonden naar een intermediair molecuul: RNA (ribonucleïnezuur). Dit proces wordt transcriptie genoemd.

Om transcriptie te laten plaatsvinden, moeten verschillende enzymen deelnemen, inclusief RNA-polymerase.

Dit enzym is verantwoordelijk voor het kopiëren van de DNA-boodschap en deze om te zetten in een boodschapper-RNA-molecuul. Met andere woorden, het doel van transcriptie is om de boodschapper te verkrijgen.

Ten slotte wordt de boodschap vertaald in messenger-RNA-moleculen, dankzij de ribosomen.

Deze structuren nemen het boodschapper-RNA en vormen samen met de vertaalmachine het gespecificeerde eiwit.

De genetische code

Het bericht wordt gelezen in "triplets" of groepen van drie letters die specificeren voor een aminozuur - de structurele blokken van de eiwitten. Het is mogelijk om de boodschap van de tripletten te ontcijferen, omdat de genetische code al volledig is onthuld.

De vertaling begint altijd met het aminozuur methionine, dat wordt gecodeerd door het starttrio: AUG. De "U" vertegenwoordigt de uracilbasis en is kenmerkend voor RNA en vervangt thymine.

Als het messenger-RNA bijvoorbeeld de volgende sequentie heeft: AUG CCU CUU UUU UUA, wordt het vertaald in de volgende aminozuren: methionine, proline, leucine, fenylalanine en fenylalanine. Merk op dat misschien twee tripletten - in dit geval UUU UUA en - coderen voor hetzelfde aminozuur fenylalanine.

Voor deze eigenschap wordt gezegd dat de genetische code gedegenereerd is, omdat een aminozuur wordt gecodeerd door meer dan één sequentie van triplets, behalve het aminozuur methionine dat het begin van de vertaling dicteert.

Het proces wordt gestopt met specifieke stop- of stop-tripletten: UAA, UAG en UGA. Ze staan ​​bekend onder respectievelijk oker, barnsteen en opaal. Wanneer het ribosoom ze detecteert, kunnen ze niet langer meer aminozuren aan de keten toevoegen.

Chemische en fysische eigenschappen

Nucleïnezuren zijn zuur van aard en oplosbaar in water (hydrofiel). De vorming van waterstofbruggen tussen de fosfaatgroepen en de hydroxylgroepen van pentosen met water kan voorkomen. Het is negatief geladen bij fysiologische pH.

De DNA-oplossingen zijn zeer visceus, vanwege de weerstand tegen de vervorming van de dubbele helix, die erg stijf is. Viscositeit neemt af als het nucleïnezuur enkelstrengig is.

Het zijn zeer stabiele moleculen. Logischerwijs moet deze functie onmisbaar zijn in de structuren die de genetische informatie bevatten. In vergelijking met RNA is DNA veel stabieler omdat het een hydroxylgroep mist.

DNA kan worden gedenatureerd door hitte, dat wil zeggen, de strengen scheiden wanneer het molecuul wordt blootgesteld aan hoge temperaturen.

De hoeveelheid warmte die moet worden aangebracht, is afhankelijk van het G-C-percentage van het molecuul, omdat deze basen worden verbonden door drie waterstofbruggen, waardoor de weerstand tegen afscheiding wordt verhoogd.

Wat betreft de absorptie van licht hebben ze een piek bij 260 nanometer, die toeneemt als het nucleïnezuur enkelstrengs is, omdat ze de ringen van de nucleotiden blootleggen en deze verantwoordelijk zijn voor de absorptie.

evolutie

Volgens Lazcano et al. 1988 DNA ontstaat in stadia van overgang van RNA, een van de belangrijkste gebeurtenissen in de geschiedenis van het leven.

De auteurs stellen drie stadia voor: een eerste periode waarin moleculen vergelijkbaar met nucleïnezuren bestonden, later werden de genomen gevormd uit RNA en als laatste stap verschenen de DNA-genomen van de dubbele band.

Sommige bewijzen ondersteunen de theorie van een primaire wereld op basis van RNA. Ten eerste kan eiwitsynthese plaatsvinden in de afwezigheid van DNA, maar niet wanneer RNA ontbreekt. Bovendien zijn RNA-moleculen met katalytische eigenschappen ontdekt.

Wat betreft de synthese van de deoxyribonucleotide (aanwezig in het DNA) ze komen altijd van de reductie van de ribonucleotiden (aanwezig in het RNA).

De evolutionaire innovatie van een DNA-molecuul vereist de aanwezigheid van enzymen die DNA-voorlopers synthetiseren en deelnemen aan de retrotranscriptie van RNA.

Door de huidige enzymen te bestuderen, kan worden geconcludeerd dat deze eiwitten verschillende keren zijn geëvolueerd en dat de overgang van RNA naar DNA complexer is dan eerder werd gedacht, inclusief processen van genoverdracht en verlies en niet-orthologe vervangingen..

DNA-sequencing

DNA-sequencing bestaat uit het ophelderen van de sequentie van de DNA-streng in termen van de vier basen waaruit het bestaat.

De kennis van deze sequentie is van groot belang in de biologische wetenschappen. Het kan worden gebruikt om onderscheid te maken tussen twee morfologisch zeer vergelijkbare soorten, om ziekten, pathologieën of parasieten te detecteren en zelfs een forensische toepasbaarheid te hebben.

De sequentiebepaling van Sanger is ontwikkeld in de jaren 1900 en is de traditionele techniek om een ​​sequentie te verduidelijken. Ondanks zijn leeftijd is het een geldige methode die op grote schaal door onderzoekers wordt gebruikt.

Sanger's methode

De methode maakt gebruik van DNA-polymerase, een zeer betrouwbaar enzym dat DNA repliceert in cellen, waarbij een nieuwe DNA-keten wordt gesynthetiseerd met behulp van een andere reeds bestaande richtlijn. Het enzym vereist een eerste of primer om de synthese te starten. De primer is een klein molecuul DNA dat complementair is aan het molecuul dat u wilt sequensen.

In de reactie worden nucleotiden toegevoegd die door het enzym in de nieuwe DNA-streng worden opgenomen.

Naast de "traditionele" nucleotiden omvat de werkwijze een reeks van didesoxynucleotiden voor elk van de bases. Ze verschillen van de standaard nucleotiden in twee kenmerken: ze laten structureel niet toe dat het DNA-polymerase meer nucleotiden aan de dochterketen toevoegt en hebben voor elke basis een andere fluorescente marker.

Het resultaat is een verscheidenheid van DNA-moleculen van verschillende lengte, omdat de dideoxynucleotiden willekeurig werden opgenomen en het replicatieproces in verschillende stadia stopten.

Deze verscheidenheid aan moleculen kan worden gescheiden op basis van hun lengte en de identiteit van de nucleotiden wordt uitgelezen door de emissie van licht van het fluorescerende label..

Nieuwe generatie sequencing

De sequentietechnieken die in de afgelopen jaren zijn ontwikkeld, maken de massale analyse van miljoenen monsters tegelijk mogelijk.

Een van de meest opmerkelijke methoden is pyrosequencing, sequencing door synthese, sequencing door ligatie en sequencing van de volgende generatie door Ion Torrent..

referenties

1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., et al. (2002). Moleculaire biologie van de cel. 4e editie. New York: Garland Science. De structuur en functie van DNA. Beschikbaar bij: ncbi.nlm.nih.gov/
2. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., et al. (2002). Moleculaire biologie van de cel. 4e editie. New York: Garland Science. Chromosomaal DNA en de verpakking ervan in de Chromatinevezel. Beschikbaar bij: ncbi.nlm.nih.gov
3. Berg, J.M., Tymoczko, J.L., Stryer, L. (2002). Biochemie. 5e editie. New York: W H Freeman. Sectie 27.1, DNA kan uitgroeien tot een verscheidenheid aan structurele vormen. Beschikbaar bij: ncbi.nlm.nih.gov
4. Fierro, A. (2001). Korte geschiedenis van de ontdekking van de DNA-structuur. Rev Med Clinic Las Condes, 20, 71-75.
5. Forterre, P., Filée, J. & Myllykallio, H. (2000-2013) Oorsprong en evolutie van DNA en DNA-replicatie Machinerieën. in: Madame Curie Bioscience Database [Internet]. Austin (TX): Landes Bioscience. Beschikbaar bij: ncbi.nlm.nih.gov
6. Lazcano, A., Guerrero, R., Margulis, L., & Oro, J. (1988). De evolutionaire overgang van RNA naar DNA in vroege cellen. Journal of molecular evolution, 27(4), 283-290.
7. Lodish, H., Berk, A., Zipursky, S.L., et al. (2000). Moleculaire celbiologie. 4e editie. New York: W.H. Freeman. Sectie 9.5, Het organiseren van cellulair DNA in chromosomen. Beschikbaar bij: ncbi.nlm.nih.gov/books
8. Voet, D., Voet, J. G., & Pratt, C. W. (1999). Fundamenteel van biochemie. nieuw York: John Willey and Sons.