DNA-Geschichte, Funktionen, Struktur, Komponenten

Die DNA (Desoxyribonukleinsäure) ist das Biomolekül, das alle Informationen enthält, die notwendig sind, um einen Organismus zu erzeugen und seine Funktion aufrechtzuerhalten. Es besteht aus Nukleotiden, die wiederum aus einer Phosphatgruppe, einem Zuckermolekül aus fünf Kohlenstoffatomen und einer stickstoffhaltigen Base bestehen.

Es gibt vier stickstoffhaltige Basen: Adenin (A), Cytosin (C), Guanin (G) und Thymin (T). Adenin paart sich immer mit Thymin und Guanin mit Cytosin. Die Botschaft, die in dem DNA-Strang enthalten ist, wird in eine Messenger-RNA umgewandelt, die an der Synthese von Proteinen beteiligt ist.

Die DNA ist ein extrem stabiles Molekül, das bei physiologischem pH-Wert negativ geladen ist und mit positiven Proteinen (Histonen) verbunden ist, um im Kern eukaryotischer Zellen effizient zu verdichten. Eine lange Kette von DNA bildet zusammen mit verschiedenen assoziierten Proteinen ein Chromosom.

Index

• 1 Geschichte
• 2 Komponenten
• 3 Struktur
  • 3.1 Gesetz von Chargaff
  • 3.2 Doppelhelix-Modell
• 4 Organisation
  • 4.1 Histone
  • 4.2 Nukleosomen und 30 nm Faser
  • 4.3 Chromosomen
  • 4.4 Organisation in Prokaryoten
  • 4.5 Menge an DNA
• 5 Strukturelle Formen der DNA
  • 5.1 DNA-A
  • 5.2 ADN-Z
• 6 Funktionen
  • 6.1 Replikation, Transkription und Übersetzung
  • 6.2 Der genetische Code
• 7 Chemische und physikalische Eigenschaften
• 8 Entwicklung
• 9 DNA-Sequenzierung
  • 9.1 Sanger-Methode
• 10 Neue Generation Sequenzierung
• 11 Referenzen

Geschichte

Im Jahr 1953 gelang es dem Amerikaner James Watson und dem Briten Francis Crick, die dreidimensionale Struktur der DNA aufzuklären, dank der Arbeit von Rosalind Franklin und Maurice Wilkins in der Kristallographie. Sie haben ihre Schlussfolgerungen auch auf die Werke anderer Autoren gestützt.

Die DNA wird Röntgenstrahlen ausgesetzt, und es entsteht ein Beugungsmuster, mit dem man auf die Struktur des Moleküls schließen kann: eine Helix aus zwei antiparallelen Ketten, die sich nach rechts drehen, wobei beide Ketten durch Wasserstoffbrücken zwischen den Basen verbunden sind . Das erhaltene Muster war wie folgt:

Die Struktur kann nach den Gesetzen der Bragg-Beugung angenommen werden: Wenn ein Objekt in der Mitte eines Röntgenstrahls angeordnet ist, wird es reflektiert, da die Elektronen des Objekts mit dem Strahl wechselwirken.

Am 25. April 1953 wurden die Ergebnisse von Watson und Crick in der renommierten Zeitschrift veröffentlicht Natur, in einem zweiseitigen Artikel mit dem Titel "Molekülstruktur von Nukleinsäuren"Das würde das Gebiet der Biologie völlig revolutionieren.

Dank dieser Entdeckung erhielten die Forscher 1962 den Nobelpreis für Medizin, mit Ausnahme von Franklin, der vor der Entbindung starb. Derzeit ist diese Entdeckung einer der großen Vertreter des Erfolgs der wissenschaftlichen Methode, neues Wissen zu erwerben.

Komponenten

Das DNA-Molekül besteht aus Nukleotiden, Einheiten, die durch einen Zucker mit fünf Kohlenstoffatomen gebildet werden, die an eine Phosphatgruppe und eine Stickstoffbase gebunden sind. Die Art des in der DNA gefundenen Zuckers ist vom Desoxyribose-Typ und daher auch Desoxyribonukleinsäure.

Zur Bildung der Kette sind die Nukleotide durch eine Phosphodiesterbindung mittels einer 3'-Hydroxylgruppe (-OH) aus einem Zucker und dem 5'-Phosphafo aus dem nächsten Nukleotid kovalent verknüpft.

Verwechseln Sie Nukleotide nicht mit Nukleosiden. Letzteres bezieht sich auf den Teil des Nukleotids, der nur durch die Pentose (Zucker) und die stickstoffhaltige Base gebildet wird.

DNA besteht aus vier Arten von Stickstoffbasen: Adenin (A), Cytosin (C), Guanin (G) und Thymin (T).

Die stickstoffhaltigen Basen werden in zwei Kategorien eingeteilt: Purine und Pyrimidine. Die erste Gruppe besteht aus einem Ring aus fünf Atomen, die mit einem anderen aus sechs Ringen verbunden sind, während die Pyrimidine aus einem einzigen Ring bestehen.

Von den erwähnten Basen stammen Adenin und Guanin von Purinen. Im Gegensatz dazu gehören die Pyrimidine zu Thymin, Cytosin und Uracil (im RNA-Molekül vorhanden).

Struktur

Ein DNA-Molekül besteht aus zwei Nukleotidketten. Diese "Kette" ist als DNA-Strang bekannt.

Die zwei Stränge sind durch Wasserstoffbrücken zwischen den komplementären Basen verbunden. Die stickstoffhaltigen Basen sind kovalent an ein Gerüst aus Zuckern und Phosphaten gebunden.

Jedes Nukleotid, das in einem Strang lokalisiert ist, kann mit einem anderen spezifischen Nukleotid des anderen Stranges gekoppelt sein, um die bekannte Doppelhelix zu bilden. Um eine effiziente Struktur zu bilden, koppelt A immer mit T durch zwei Wasserstoffbrücken und G mit C durch drei Brücken.

Chargaffs Gesetz

Wenn wir die Anteile der stickstoffhaltigen Basen in der DNA untersuchen, werden wir feststellen, dass die Menge von A mit der Menge von T identisch ist und die gleiche mit G und C. Dieses Muster ist als Chargaffsches Gesetz bekannt.

Diese Paarung ist energetisch günstig, da sie eine ähnliche Breite entlang der Struktur beibehält und eine ähnliche Entfernung entlang des Moleküls des Zucker-Phosphat-Gerüsts aufrechterhält. Beachten Sie, dass eine Basis eines Rings mit einem Ring verbunden ist.

Modell der Doppelhelix

Es wird vorgeschlagen, dass die Doppelhelix aus 10,4 Nukleotiden pro Umdrehung besteht, die durch einen Abstand von Mitte zu Mitte von 3,4 Nanometern getrennt sind. Der Wickelprozess führt zur Bildung von Rillen in der Struktur, wobei eine große und eine kleine Rille beobachtet werden kann.

Die Rillen entstehen, weil die glykosidischen Bindungen in den Basenpaaren bezüglich ihres Durchmessers einander nicht gegenüberliegen. In der kleinen Rille befindet sich das Pyrimidin O-2 und das Purin N-3, während sich die große Rille im gegenüberliegenden Bereich befindet.

Wenn wir die Analogie einer Leiter verwenden, bestehen die Sprossen aus den zueinander komplementären Basenpaaren, während das Skelett den beiden Griffschienen entspricht.

Die Enden des DNA-Moleküls sind nicht gleich, daher sprechen wir von einer "Polarität". Eines seiner Enden, 3 ', trägt eine Gruppe -OH, während das 5'-Ende die freie Phosphatgruppe aufweist.

Die beiden Stränge sind antiparallel angeordnet, was bedeutet, dass sie sich wie folgt gegenüber ihren Polaritäten befinden:

Zusätzlich muss die Sequenz eines der Stränge zu seinem Partner komplementär sein, wenn es eine Position A ist, in dem antiparallelen Thread muss ein T sein.

Organisation

In jeder menschlichen Zelle gibt es ungefähr zwei Meter DNA, die effizient verpackt werden muss.

Der Strang muss verdichtet werden, so dass er in einem mikroskopischen Kern von 6 & mgr; m Durchmesser enthalten sein kann, der nur 10% des Zellvolumens einnimmt. Dies ist möglich dank der folgenden Verdichtungsebenen:

Histone

In Eukaryoten gibt es Proteine, die Histone genannt werden, die die Fähigkeit besitzen, an das DNA-Molekül zu binden, wobei sie die erste Stufe der Kompaktierung des Stranges darstellen. Die Histone haben positive Ladungen, um mit den negativen Ladungen der DNA, die von den Phosphaten beigetragen werden, interagieren zu können.

Histone sind so wichtige Proteine ​​für eukaryotische Organismen, dass sie im Laufe der Evolution praktisch unveränderlich waren - in Erinnerung, dass ein niedriger Mutationsindex anzeigt, dass die Selektionsdrücke auf das Molekül stark sind. Ein Defekt in den Histonen könnte zu einer fehlerhaften Kompaktierung der DNA führen.

Die Histone können biochemisch modifiziert werden und dieser Prozess verändert das Ausmaß der Verdichtung des genetischen Materials.

Wenn die Histone "hypoacetyliert" sind, ist das Chromatin stärker kondensiert, da die acetylierten Formen die positiven Ladungen der Lysine (positiv geladene Aminosäuren) im Protein neutralisieren.

Nukleosomen und 30 nm Faser

Der DNA-Strang wickelt sich um die Histone und bildet Strukturen, die den Perlen einer Perlenkette ähneln, die Nukleosomen genannt werden. Im Zentrum dieser Struktur befinden sich zwei Kopien jeder Art von Histon: H2A, H2B, H3 und H4. Die Vereinigung der verschiedenen Histone wird "Histonoctamer" genannt.

Das Oktamer ist von 146 Basenpaaren umgeben, was weniger als zwei Umdrehungen ergibt. Eine menschliche diploide Zelle enthält ungefähr 6,4 x 10⁹ Nukleotide, die in 30 Millionen Nukleosomen organisiert sind.

Die Organisation in Nukleosomen ermöglicht es, die DNA in mehr als einem Drittel ihrer ursprünglichen Länge zu verdichten.

In einem Prozess der Extraktion des genetischen Materials unter physiologischen Bedingungen wird beobachtet, dass die Nukleosomen in einer Faser von 30 Nanometern angeordnet sind.

Chromosomen

Chromosomen sind die funktionelle Einheit der Vererbung, deren Funktion es ist, die Gene eines Individuums zu tragen. Ein Gen ist ein DNA-Segment, das die Information enthält, ein Protein (oder eine Reihe von Proteinen) zu synthetisieren. Es gibt jedoch auch Gene, die für regulatorische Elemente wie RNA kodieren.

Alle menschlichen Zellen (mit Ausnahme von Keimzellen und Erythrozyten im Blut) haben zwei Kopien jedes Chromosoms, eines davon vom Vater und das andere von der Mutter.

Chromosomen sind Strukturen, die aus einem langen linearen Teil der DNA bestehen, der mit den oben erwähnten Proteinkomplexen assoziiert ist. Normalerweise ist in Eukaryoten das gesamte im Kern enthaltene genetische Material in eine Reihe von Chromosomen unterteilt.

Organisation in Prokaryoten

Prokaryoten sind Organismen, denen ein Kern fehlt. Bei diesen Spezies ist das genetische Material stark mit niedermolekularen alkalischen Proteinen aufgewickelt. Auf diese Weise wird die DNA verdichtet und in einer zentralen Region in den Bakterien lokalisiert.

Manche Autoren nennen diese Struktur gewöhnlich "bakterielles Chromosom", obwohl es nicht die gleichen Eigenschaften eines eukaryotischen Chromosoms aufweist.

Menge an DNA

Nicht alle Arten von Organismen enthalten die gleiche Menge an DNA. Tatsächlich ist dieser Wert zwischen den Arten sehr unterschiedlich und es gibt keine Beziehung zwischen der Menge an DNA und der Komplexität des Organismus. Dieser Widerspruch ist bekannt als das "Paradoxon des Wertes C".

Die logische Schlussfolgerung wäre, dass je komplexer der Organismus ist, desto mehr DNA besitzt er. Dies ist jedoch in der Natur nicht wahr.

Zum Beispiel das Genom des Lungenfisches Protopterus aethiopicus es hat eine Größe von 132 pg (DNA kann in Picogramm = pg quantifiziert werden), während das menschliche Genom nur 3,5 pg wiegt.

Denken Sie daran, dass nicht die gesamte DNA eines Organismus für Proteine ​​kodiert, eine große Menge davon hängt mit regulatorischen Elementen und verschiedenen Arten von RNA zusammen.

Strukturelle Formen der DNA

Das Watson-Crick-Modell, abgeleitet von Röntgenbeugungsmustern, ist als B-DNA-Helix bekannt und ist das "traditionelle" und am besten bekannte Modell. Es gibt jedoch zwei andere verschiedene Formen, die als DNA-A und DNA-Z bezeichnet werden.

DNA-A

Variante "A" wendet sich genau wie DNA-B nach rechts, ist aber kürzer und breiter. Dieses Formular erscheint, wenn die relative Luftfeuchtigkeit abnimmt.

Die DNA-A rotiert alle 11 Basenpaare, die Hauptrille ist enger und tiefer als die B-DNA. In Bezug auf die kleine Rille ist dies oberflächlicher und breiter.

ADN-Z

Die dritte Variante ist die Z-DNA. Es ist die engste Form, gebildet durch eine Gruppe von Hexanukleotiden, die in einem Duplex aus antiparallelen Ketten organisiert sind. Eines der auffälligsten Merkmale dieser Form ist, dass es sich nach links dreht, während die anderen zwei Formen es nach rechts machen.

Die Z-DNA erscheint, wenn kurze Sequenzen von Pyrimidinen und Purinen zwischen ihnen abwechseln. Die große Furche ist flach und die kleine Furche ist schmaler und tiefer, verglichen mit der B-DNA.

Obwohl das DNA-Molekül unter physiologischen Bedingungen meist in seiner B-Form vorliegt, zeigt die Existenz der beiden beschriebenen Varianten die Flexibilität und Dynamik des genetischen Materials.

Funktionen

Das DNA-Molekül enthält alle Informationen und Anweisungen, die für die Konstruktion eines Organismus notwendig sind. Der vollständige Satz der genetischen Information in Organismen wird genannt Genom.

Die Nachricht wird durch das "biologische Alphabet" codiert: die vier zuvor erwähnten Basen A, T, G und C.

Die Nachricht kann zur Bildung verschiedener Arten von Proteinen oder Code für einige regulatorische Elemente führen. Der Prozess, mit dem diese Basen eine Nachricht übermitteln können, wird im Folgenden erläutert:

Replikation, Transkription und Übersetzung

Die Nachricht, die in den vier Buchstaben A, T, G und C verschlüsselt ist, ergibt als Ergebnis einen Phänotyp (nicht alle DNA-Sequenzen kodieren für Proteine). Um dies zu erreichen, muss sich die DNA bei jedem Zellteilungsprozess selbst replizieren.

DNA-Replikation ist semikonservativ: Ein Strang dient als Vorlage für die Bildung des neuen Tochtermoleküls. Verschiedene Enzyme katalysieren die Replikation, einschließlich DNA-Primase, DNA-Helikase, DNA-Ligase und Topoisomerase.

Anschließend muss die Nachricht - in einer Basissequenzsprache geschrieben - an ein intermediäres Molekül übertragen werden: RNA (Ribonukleinsäure). Dieser Vorgang wird als Transkription bezeichnet.

Damit die Transkription stattfinden kann, müssen verschiedene Enzyme beteiligt sein, einschließlich RNA-Polymerase.

Dieses Enzym ist dafür verantwortlich, die DNA-Nachricht zu kopieren und in ein Boten-RNA-Molekül umzuwandeln. Mit anderen Worten, der Zweck der Transkription ist es, den Boten zu erhalten.

Schließlich wird die Botschaft dank der Ribosomen in Boten-RNA-Moleküle übersetzt.

Diese Strukturen nehmen die Boten-RNA auf und bilden zusammen mit der Translationsmaschinerie das spezifizierte Protein.

Der genetische Code

Die Nachricht wird in "Triplets" oder Gruppen von drei Buchstaben gelesen, die für eine Aminosäure - die Strukturblöcke der Proteine ​​- angeben. Es ist möglich, die Botschaft der Drillinge zu entziffern, da der genetische Code bereits vollständig enthüllt wurde.

Die Übersetzung beginnt immer mit der Aminosäure Methionin, die durch das Start-Triplet kodiert wird: AUG. Das "U" steht für die Uracil-Base und ist charakteristisch für RNA und Supplementierung von Thymin.

Wenn zum Beispiel die Messenger-RNA die folgende Sequenz hat: AUG CCU CUU UUU UUA, wird sie in die folgenden Aminosäuren übersetzt: Methionin, Prolin, Leucin, Phenylalanin und Phenylalanin. Beachten Sie, dass es möglich ist, dass zwei Tripletts - in diesem Fall UUU und UUA - für die gleiche Aminosäure Phenylalanin kodieren.

Für diese Eigenschaft wird gesagt, dass der genetische Code degeneriert ist, da eine Aminosäure durch mehr als eine Sequenz von Tripletts kodiert wird, mit Ausnahme der Aminosäure Methionin, die den Beginn der Translation diktiert.

Der Prozess wird mit spezifischen Abbruch- oder Stopp-Triplets gestoppt: UAA, UAG und UGA. Sie sind unter den Namen Ocker, Bernstein und Opal bekannt. Wenn das Ribosom sie erkennt, können sie der Kette keine weiteren Aminosäuren mehr zufügen.

Chemische und physikalische Eigenschaften

Die Nukleinsäuren sind saurer Natur und sind in Wasser löslich (hydrophil). Die Bildung von Wasserstoffbrücken zwischen den Phosphatgruppen und den Hydroxylgruppen von Pentosen mit Wasser kann auftreten. Es ist bei physiologischem pH negativ geladen.

Die DNA-Lösungen sind aufgrund der Widerstandsfähigkeit gegenüber der Verformung der Doppelhelix, die sehr starr ist, hochviskos. Die Viskosität nimmt ab, wenn die Nukleinsäure einzelsträngig ist.

Sie sind hochstabile Moleküle. Logischerweise muss dieses Merkmal in den Strukturen, die die genetische Information tragen, unverzichtbar sein. Im Vergleich zu RNA ist DNA viel stabiler, da ihr eine Hydroxylgruppe fehlt.

Die DNA kann durch Hitze denaturiert werden, das heißt, die Stränge trennen sich, wenn das Molekül hohen Temperaturen ausgesetzt wird.

Die Menge an Wärme, die aufgebracht werden muss, hängt von dem G-C-Prozentsatz des Moleküls ab, da diese Basen durch drei Wasserstoffbindungen verbunden sind, was die Beständigkeit gegenüber Trennung erhöht.

Was die Absorption von Licht anbelangt, haben sie einen Peak bei 260 Nanometern, der zunimmt, wenn die Nucleinsäure ein einzelner Strang ist, da sie die Ringe der Nucleotide freilegen und diese für die Absorption verantwortlich sind.

Entwicklung

Laut Lazcano et al. 1988 DNA entsteht in Phasen des Übergangs von der RNA und ist eines der wichtigsten Ereignisse in der Geschichte des Lebens.

Die Autoren schlagen drei Stufen vor: eine erste Periode, in der es ähnliche Moleküle zu den Nukleinsäuren gab, später wurden die Genome aus RNA gebildet und als letzter Schritt erschienen die Genome der DNA-Doppelbande.

Einige Beweise stützen die Theorie einer auf RNA basierenden Primärwelt. Erstens kann die Synthese von Proteinen in Abwesenheit von DNA stattfinden, aber nicht, wenn RNA fehlt. Darüber hinaus wurden RNA-Moleküle mit katalytischen Eigenschaften entdeckt.

Wie für die Synthese von Desoxyribonukleotid (in DNA vorhanden) kommen immer aus der Reduktion von Ribonukleotiden (in RNA vorhanden).

Die evolutionäre Innovation eines DNA-Moleküls muss die Anwesenheit von Enzymen erfordert haben, die DNA-Vorläufer synthetisieren und an der Retrotranskription von RNA beteiligt sind.

Durch Untersuchung der aktuellen Enzyme kann gefolgert werden, dass diese Proteine ​​sich mehrfach entwickelt haben und dass der Übergang von RNA zu DNA komplexer ist als bisher angenommen, einschließlich der Prozesse von Gentransfer und Verlust und nicht-orthologener Ersetzungen.

DNA-Sequenzierung

Die DNA-Sequenzierung besteht darin, die Sequenz des DNA-Stranges anhand der vier Basen, aus denen er besteht, aufzuklären.

Die Kenntnis dieser Reihenfolge ist in den biologischen Wissenschaften von großer Bedeutung. Es kann verwendet werden, um zwischen zwei morphologisch sehr ähnlichen Arten zu unterscheiden, um Krankheiten, Pathologien oder Parasiten zu entdecken und sogar eine forensische Anwendbarkeit zu besitzen.

Die Sequenzierung von Sanger wurde in den 1900er Jahren entwickelt und ist die traditionelle Technik, um eine Sequenz zu klären. Trotz seines Alters ist es eine gültige Methode, die von Forschern weit verbreitet ist.

Sangers Methode

Die Methode verwendet DNA-Polymerase, ein hoch zuverlässiges Enzym, das DNA in Zellen repliziert und eine neue DNA-Kette unter Verwendung einer anderen bereits bestehenden Richtlinie synthetisiert. Das Enzym benötigt a zuerst oder Primer, um die Synthese zu starten. Der Primer ist ein kleines DNA-Molekül, das zu dem Molekül, das Sie sequenzieren wollen, komplementär ist.

Bei der Reaktion werden Nukleotide hinzugefügt, die durch das Enzym in den neuen DNA-Strang eingebaut werden sollen.

Zusätzlich zu den "traditionellen" Nukleotiden umfasst das Verfahren eine Reihe von Didesoxynukleotiden für jede der Basen. Sie unterscheiden sich von den Standardnukleotiden in zwei Charakteristiken: Sie erlauben strukturell nicht, dass die DNA-Polymerase mehr Nukleotide zu der Tochterkette hinzufügt, und weisen für jede Base einen unterschiedlichen Fluoreszenzmarker auf.

Das Ergebnis ist eine Vielzahl von DNA-Molekülen unterschiedlicher Länge, da die Dideoxynukleotide statistisch inkorporiert wurden und den Replikationsprozess in unterschiedlichen Stadien abbrachen.

Diese Vielzahl von Molekülen kann nach ihrer Länge getrennt werden und die Identität der Nukleotide wird mittels der Lichtemission der Fluoreszenzmarkierung abgelesen.

Neue Generation Sequenzierung

Die in den letzten Jahren entwickelten Sequenzierungstechniken erlauben die massive Analyse von Millionen von Proben gleichzeitig.

Zu den herausragendsten Methoden zählen die Pyrosequenzierung, Sequenzierung durch Synthese, Sequenzierung durch Ligation und Next-Generation-Sequenzierung durch Ion Torrent.

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