היסטוריה, מבנה, רכיבים

ה דנ"א (חומצה deoxyribonucleic) הוא biomolecule המכיל את כל המידע הדרוש כדי ליצור אורגניזם ולשמור על תפקודו. הוא מורכב מיחידות הנקראות נוקליאוטידים, שנוצרו בתור קבוצת פוספט, מולקולת סוכר של חמישה פחמנים ובסיס חנקני.

ישנם ארבעה בסיסים ניטרוגניים: אדנין (A), ציטוזין (C), גואנין (G) ו תימין (T). Adenine תמיד זוגות עם תימין ו guanine עם ציטוזין. המסר הכלול בחוט הדנ"א הופך לרנ"א של שליח ומשתתף בסינתזה של חלבונים.

DNA הוא מולקולה יציבה מאוד, טעונה שלילית ב pH פיזיולוגי, אשר מזוהה עם חלבונים חיוביים (היסטונים) כדי קומפקטית ביעילות בגרעין של תאים אוקריוטים. גדיל ארוך של דנ"א, יחד עם חלבונים הקשורים שונים יוצר כרומוזום.

אינדקס

• 1 היסטוריה
• 2 רכיבים
• 3 מבנה
  • 3.1 חוק הארגף
  • 3.2 מודל סליל כפול
• 4 ארגון
  • 4.1 היסטונים
  • 4.2 נוקלאוזומים וסיבים 30 ננומטר
  • 4.3 כרומוזומים
  • 4.4 ארגון פרוקריוטים
  • 4.5 כמות DNA
• 5 צורות מבניות של דנ"א
  • 5.1 DNA-A
  • 5.2 ADN-Z
• 6 פונקציות
  • 6.1 שכפול, תעתיק ותרגום
  • 6.2 הקוד הגנטי
• תכונות כימיות ופיסיקליות
• 8 אבולוציה
• 9 דנ"א רצף
  • 9.1 שיטת סאנגר
• 10 רצף הדור החדש
• 11 הפניות

היסטוריה

בשנת 1953 הצליחו האמריקאים ג'יימס ווטסון ופרנסיס קריק הבריטי להבהיר את המבנה התלת-מימדי של הדנ"א, הודות לעבודת הקריסטלוגרפיה שביצעה רוזלינד פרנקלין ומוריס וילקינס. הם גם ביססו את מסקנותיהם על יצירותיהם של סופרים אחרים.

חשיפת הדנ"א לצילומי רנטגן מהווה תבנית עקיפה שניתן להשתמש בה כדי להסיק את מבנה המולקולה: סליל של שתי שרשרות אנטי-מקבילות הפונות ימינה, כאשר שתי השרשראות קשורות בקשרי מימן בין הבסיסים . הדפוס שהתקבל היה כדלקמן:

המבנה ניתן להניח בעקבות חוקי עקיפה בראג: כאשר אובייקט הוא interposed באמצע קרן של צילומי רנטגן, זה משתקף, שכן האלקטרונים של האובייקט אינטראקציה עם קרן.

ב- 25 באפריל 1953 פורסמו בכתבי העת היוקרתיים תוצאותיהם של ווטסון וקריק הטבע, במאמר בן שני עמודים שכותרתו "מבנה מולקולרי של חומצות גרעין", זה היה לגמרי מהפכה בתחום הביולוגיה.

הודות לגילוי זה, החוקרים קיבלו את פרס נובל ברפואה בשנת 1962, למעט פרנקלין שמת לפני הלידה. כיום גילוי זה הוא אחד המעריכים הגדולים של ההצלחה של השיטה המדעית לרכוש ידע חדש.

רכיבים

מולקולת הדנ"א מורכבת מנוקליאוטידים, יחידות שנוצרו על ידי סוכר של חמישה פחמנים המחוברים לקבוצת פוספט ובסיס חנקני. סוג הסוכר שנמצא בדנ"א הוא מסוג deoxyribose ומכאן שמו, חומצה deoxyribonucleic.

כדי ליצור את השרשרת, נוקליאוטידים מקושרים קוולנטית על ידי קשר phosphodiester באמצעות קבוצה 3'-hydroxyl (-OH) מסוכר אחד ואת 5'-phosphafo מן הנוקליאוטידים הבאים.

אל תבלבלו נוקליאוטידים עם נוקלאוזידים. האחרון מתייחס לחלק של נוקליאוטידים נוצר רק על ידי pentose (סוכר) ואת הבסיס החנקני.

DNA מורכב מארבעה סוגי בסיסים חנקניים: אדנין (A), ציטוזין (C), גואנין (G) ותימין (T).

בסיסים הניטרוגניים מסווגים לשתי קטגוריות: purines ו pyrimidines. הקבוצה הראשונה מורכבת טבעת של חמישה אטומים הצטרפו טבעת נוספת של שש, בעוד pyrimidines מורכבים טבעת אחת.

מבין הבסיסים שהוזכרו, אדנין וגואנין הם נגזרות של פורינים. לעומת זאת, הקבוצה של pyrimidines שייכים תימין, ציטוזין ו uracil (נוכח המולקולה RNA).

מבנה

מולקולת דנ"א מורכבת משתי רשתות נוקליאוטידים. "שרשרת" זו ידועה כחוט דנ"א.

לשני הגדילים מצטרפים קשרי מימן בין הבסיסים המשלימים. הבסיסים החנקניים קשורים באופן קוולנטי לשלד של סוכרים ופוספטים.

כל נוקליאוטיד הממוקם בגדיל אחד יכול להיות מצמידים עם נוקליאוטיד ספציפי אחר של גדיל אחרים, כדי ליצור את הסליל הכפול ידוע. על מנת ליצור מבנה יעיל, תמיד זוגות עם T באמצעות שני גשרי מימן, ו- G עם C על ידי שלושה גשרים.

חוק הארגאף

אם אנחנו לומדים את הפרופורציות של בסיסים חנקניים ב DNA, אנו מוצאים כי סכום A הוא זהה למספר של T ואותו עם G ו- C. דפוס זה נקרא חוקי שרגף.

זיווג זה אנרגטי חיובי, מכיוון שהיא משמרת ברוחב דומה לאורך המבנה, שמירה דומה לאורך כל המולקולה של מרחק שדרה הסוכר-פוספט. שימו לב טבעת בסיס עוסקת טבעת של.

דגם של הסליל הכפול

מוצע כי הסליל הכפול מורכב 10.4 נוקליאוטידים לכל תור, מופרדים על ידי מרחק למרכז אל מרכז של 3.4 ננומטר. תהליך מתגלגל מעורר את היווצרות של חריצים במבנה, להיות מסוגל להבחין גדול חריץ קטין.

החריצים נובעים משום שהקשרים הגליקוזידים בזוגות הבסיס אינם זה מול זה, ביחס לקוטרם. ב חריץ קטין הוא pyrimidine O-2 ו purine N-3, בעוד החריץ העיקרי ממוקם באזור ההפוך.

אם נשתמש באנלוגיה של מדרגות, המדרגות מורכבות זוגות בסיסי משלימים אחד עם השני, בעוד השלד מתאים לשתי המסילות מרתקות.

הקצוות של מולקולת הדנ"א אינם זהים, לכן אנו מדברים על "קוטביות". אחד הקצוות שלה, 3 ', נושאת קבוצה -OH, ואילו בסוף 5' יש את קבוצת פוספט חינם.

שני הגדילים ממוקמים מקבילים, כלומר הם ממוקמים מול קוטביות שלהם, כדלקמן:

בנוסף, רצף של אחד החוטים חייב להיות משלים את בת זוגו, אם היא עמדה A נמצא, בחוט המקביל חייב להיות T.

ארגון

בכל תא אנושי יש בערך שני מטרים של DNA שיש לארוז ביעילות.

גדיל חייב להיות דחוס כך שניתן יהיה להכיל בליבה מיקרוסקופית 6 מיקרומטר בקוטר התופס רק 10% נפח התא. זה אפשרי הודות לרמות הבאות של דחיסה:

היסטונים

ב אוקריוטים יש חלבונים הנקראים היסטונים, אשר יש את היכולת לקשור את מולקולת ה- DNA, להיות הרמה הראשונה של דחיסה של גדיל. היסטונים יש חיובי חיובי כדי להיות מסוגלים לתקשר עם החיובים השליליים של ה- DNA, תרמו על ידי פוספטים.

היסטונים הם חלבונים חשובים כל כך לאורגניזמים אאוקריוטים שהיו כמעט בלתי משתנים במהלך האבולוציה - נזכרים ששיעור נמוך של מוטציות מצביע על כך שהלחצים הסלקטיביים על המולקולה הזו חזקים. פגם בהיסטונים עלול לגרום לדחיסת DNA פגומה.

היסטונים ניתנים לשינוי ביוכימי ותהליך זה משנה את רמת הדחיסה של החומר הגנטי.

כאשר היסטונים הם "היפו" הכרומטין הוא מרוכז יותר כצורות acetylated לנטרל את המטענים החיוביים של lysines (חומצות אמינו בעלי מטען חשמלי חיובי) של חלבון.

Nucleosomes ו 30 ננומטר סיבים

חוטי הדנ"א מגולגלים בהיסטונים ובצורות דמויי חרוזים של שרשרת פנינים, הנקראים נוקלאוזומים. בלב המבנה הזה שני עותקים של כל סוג של היסטונים: H2A, H2B, H3 ו- H4. האיגוד של ההיסטונים השונים נקרא "אוקטמר ההיסטון".

אוקטמר מוקף על ידי 146 זוגות בסיסים, נותן פחות משני סיבובים. תא דיפלואידי אנושי מכיל כ 6.4 x 10⁹ נוקליאוטידים המאורגנים ב -30 מיליון נוקלאוזומים.

הארגון בגרעינים מאפשר לדחוס את ה- DNA ביותר משליש מאורכו המקורי.

בתהליך של החילוץ של החומר הגנטי בתנאים פיזיולוגיים הוא ציין כי נוקלאוזומים מסודרים בסיב של 30 ננומטר.

כרומוזומים

הכרומוזומים הם יחידה תפקודית של ירושה, שתפקידה הוא לשאת את הגנים של הפרט. גן הוא קטע של דנ"א המכיל את המידע כדי לסנתז חלבון (או סדרה של חלבונים). עם זאת, ישנם גם גנים קוד עבור אלמנטים רגולטוריים, כגון RNA.

כל התאים בגוף האדם (למעט הגמטות אריתרוציטים דם) יש שני עותקים של כל כרומוזום, אחד ירש מהאב ואחד מהאם.

כרומוזומים הם מבנים המורכבים מחלק ליניארי ארוך של דנ"א הקשור במכלול החלבון שהוזכר לעיל. בדרך כלל באוקריוטים, כל החומר הגנטי הכלול בגרעין מחולק לסדרת כרומוזומים.

ארגון בפרוקריוטים

פרוקריוטים הם אורגניזמים שאין להם גרעין. במינים אלה, החומר הגנטי הוא מפותל מאוד יחד עם חלבונים נמוך משקל מולקולרי משקל. בדרך זו, ה- DNA הוא דחוס ממוקם באזור מרכזי של החיידק.

מחברים מסוימים בדרך כלל לכנות את המבנה הזה "כרומוזום חיידקי", למרות שזה לא מציג את אותם המאפיינים של כרומוזום eukaryotic.

כמות הדנ"א

לא כל המינים של אורגניזמים מכילים כמות זהה של DNA. למעשה, ערך זה משתנה מאוד בין המינים ואין קשר בין כמות ה- DNA לבין המורכבות של האורגניזם. סתירה זו מכונה "פרדוקס ערכי C".

ההיגיון ההגיוני יהיה לחשוב כי ככל שהאורגניזם מורכב יותר, כך יש לו יותר דנ"א. אולם זה לא נכון בטבע.

לדוגמה, את הגנום של הריאות פרוטופוס אטיופיקוס יש לו גודל של 132 pg (DNA ניתן לכמת picograms = pg) בעוד הגנום האנושי שוקל רק 3.5 pg.

זכור כי לא כל ה- DNA של אורגניזם קודי חלבונים, כמות גדולה של זה קשור אלמנטים רגולטוריים סוגים שונים של RNA.

צורות מבניות של דנ"א

המודל של ווטסון וקריק, המושתת על דפוסי עקיפה של רנטגן, ידוע כסליל ה- B-DNA והוא המודל המסורתי והמוכר ביותר. עם זאת, ישנן שתי צורות שונות אחרות, המכונה DNA-A ו- DNA-Z.

DNA-A

וריאנט "A" מסתובב ימינה, בדיוק כמו DNA-B, אבל הוא קצר יותר. טופס זה מופיע כאשר הלחות היחסית יורדת.

ה- DNA-A מסתובב כל 11 זוגות הבסיס, החריץ העיקרי הוא צר יותר ועמוק יותר B-DNA. לגבי החריץ הקטן, זה יותר שטחי ורחב.

ADN-Z

הגרסה השלישית היא ה- Z-DNA. זהו הצורה הצרה ביותר, שנוצרה על ידי קבוצה של hexanucleotides מאורגן דופלקס של שרשרות אנטי. אחד המאפיינים הבולטים של צורה זו הוא שהיא פונה שמאלה, בעוד שתי צורות אחרות לעשות את זה בצד ימין.

Z-DNA מופיע כאשר יש רצפים קצרים של pyrimidines לסירוגין ו purines. החריץ הגדול יותר שטוח והקטן יותר ויותר, בהשוואה ל- B-DNA.

למרות שבמצבים פיזיולוגיים מולקולת הדנ"א היא בעיקר בצורת B שלה, קיומם של שני הווריאנטים המתוארים חושף את הגמישות והדינמיות של החומר הגנטי.

פונקציות

מולקולת הדנ"א מכילה את כל המידע וההוראות הדרושים לבניית האורגניזם. מערכת שלמה של מידע גנטי באורגניזמים נקרא גנום.

ההודעה מקודדת על ידי "האלפבית הביולוגי": ארבעת הבסיסים שהוזכרו קודם לכן, A, T, G ו- C.

המסר יכול להוביל להיווצרות של סוגים שונים של חלבונים או קידוד עבור אלמנט רגולטורי כלשהו. התהליך שבו בסיסים אלה יכולים להעביר מסר, מוסבר להלן:

שכפול, תעתיק ותרגום

ההודעה מוצפנת בארבע האותיות A, T, G ו- C נותנת כתוצאה מהפנוטיפ (לא כל קוד רצף הדנ"א עבור חלבונים). כדי להשיג זאת, הדנ"א חייב לשכפל את עצמו בכל תהליך של חלוקת התא.

שכפול הדנ"א הוא סמי-שמרני: גדיל משמש כתבנית להיווצרות מולקולת הבת החדשה. אנזימים שונים מזרזים שכפול, כולל פרימאז DNA, DNA helicase, ligase דנ"א ו topoisomerase.

לאחר מכן, המסר - שנכתב בשפה בסיסית רצף - חייב להיות מועבר מולקולה מתווך: RNA (חומצה ribonucleic). תהליך זה נקרא שעתוק.

כדי שעתוק יתרחש, אנזימים שונים חייבים להשתתף, כולל פולימראז RNA.

אנזים זה אחראי להעתקת מסר ה- DNA ולהפיכתו למולקולת RNA של שליח. במילים אחרות, מטרת תעתיק היא להשיג את השליח.

לבסוף, המסר מתורגם למולקולות RNA של שליח, הודות לריבוזומים.

מבנים אלה לוקחים את רנ"א השליח ויחד עם מכונות התרגום הטופס החלבון שצוין.

הקוד הגנטי

ההודעה נקראת "משולשים" או קבוצות של שלושה אותיות אשר לציין עבור חומצת אמינו - אבני הבניין של החלבונים. אפשר לפענח את המסר של השלושיות, משום שהקוד הגנטי כבר נחשף לחלוטין.

התרגום תמיד מתחיל עם חומצת האמינו מתיונין, אשר מקודדים על ידי שלישיה להתחיל: AUG. "U" מייצג את הבסיס uracil והוא אופייני של RNA ו supplants thymine.

לדוגמה, אם RNA שליח יש את הרצף הבא: AUG CCU CUU UUU UUA, הוא מתורגם חומצות האמינו הבאות: מתיונין, proline, leucine, פנילאלנין, פנילנין. שים לב כי זה אפשרי כי שתי שלישיות - במקרה זה UUU ו UUA - קוד עבור חומצת אמינו זהה: פנילאלנין.

עבור נכס זה, הוא אמר כי הקוד הגנטי הוא מנוון, שכן חומצת אמינו מקודדים על ידי רצף אחד או יותר של שלוש, למעט חומצה אמינית מתיונין המכתיב את תחילת התרגום.

התהליך הוא נעצר עם סיום ספציפי או להפסיק שלישיות: UAA, UAG ו UGA. הם ידועים תחת שמות של אוקר, ענבר אופל, בהתאמה. כאשר הריבוזום מזהה אותם, הם כבר לא יכולים להוסיף עוד חומצות אמינו לשרשרת.

תכונות כימיות ופיסיקליות

חומצות גרעין הן חומציות בטבע והן מסיסות במים (הידרופיליות). היווצרות של קשרי מימן בין קבוצות פוספט לבין קבוצות hydroxyl של pentoses עם מים יכול להתרחש. זה טעון שלילית pH פיזיולוגי.

פתרונות ה- DNA הם צמיגים מאוד, בשל יכולת ההתנגדות לעיוות של הסליל הכפול, שהוא נוקשה מאוד. צמיגות יורדת אם חומצה גרעין הוא אחד תקועים.

הם מולקולות יציבות מאוד. באופן הגיוני, תכונה זו חייבת להיות הכרחית במבנים הנושאים את המידע הגנטי. בהשוואה ל- RNA, ה- DNA הוא הרבה יותר יציב משום שהוא חסר קבוצת הידרוקסיל.

DNA יכול להיות denatured ידי חום, כלומר, את הגדילים נפרדים כאשר המולקולה נחשפת לטמפרטורות גבוהות.

כמות החום שיש להחיל תלויה באחוז ה- G-C של המולקולה, משום שבסיסים אלו מצטרפים לשלוש קשרי מימן, המגבירים את ההתנגדות להפרדה.

באשר לקליטה של ​​האור, יש להם שיא ב 260 ננומטר, אשר מגביר אם החומצה הגרעינית הוא יחיד תקועים, שכן הם חושפים את הטבעות של נוקליאוטידים אלה אחראים על הקליטה.

אבולוציה

לדברי לאזקאנו et al. 1988 דנ"א עולה בשלבים של מעבר מ RNA, להיות אחד האירועים החשובים ביותר בהיסטוריה של החיים.

המחברים מציעים שלושה שלבים: תקופה ראשונה שבה היו מולקולות דומות לחומצות גרעין, מאוחר יותר הגנומים נוצרו מ- RNA וכשלב אחרון הופיעו גנומי הדנ"א.

עדויות מסוימות תומכות בתיאוריה של עולם ראשוני המבוסס על רנ"א. ראשית, סינתזת החלבון יכולה להתרחש בהעדר DNA, אבל לא כאשר רנ"א חסר. בנוסף, מולקולות RNA עם תכונות קטליטי התגלו.

באשר לסינתזה של deoxyribonucleotide (נוכח בדנ"א) הם תמיד באים מהפחתת הריבונוקליוטידים (נוכחים ב- RNA).

החידוש האבולוציוני של מולקולת דנ"א חייב בוודאי את נוכחותם של אנזימים הממזגים את מבשרי הדנ"א ומשתתפים בפרוטוקול רטרו-טרנספורמציה של רנ"א.

על ידי חקר האנזימים הנוכחיים, ניתן להסיק כי חלבונים אלה התפתחו מספר פעמים וכי המעבר מ- RNA ל- DNA הוא מורכב יותר ממה שחשבו קודם לכן, כולל תהליכים של העברת גנים ואובדן תחליפים לא אורתולוגיים..

רצף DNA

רצף דנ"א מורכב מבהיר את רצף של גדיל ה- DNA במונחים של ארבעת הבסיסים המרכיבים אותו.

הידע של רצף זה הוא בעל חשיבות רבה במדעי הביולוגיה. זה יכול לשמש להפלות בין שני מינים דומים מאוד מבחינה מורפולוגית, כדי לזהות מחלות, פתולוגיות או טפילים ואפילו בעל תחולת משפטית.

רצף של סנגר פותחה בשנת 1900 והיא טכניקה מסורתית כדי להבהיר רצף. למרות הגיל, היא שיטה תקפה בשימוש נרחב על ידי חוקרים.

השיטה של ​​סנגר

השיטה משתמשת ב- DNA פולימראז, אנזים אמין מאוד המשכפל DNA בתאים, מסנתז שרשרת DNA חדשה באמצעות קו מנחה קיים מראש. האנזים דורש הראשון או פריימר כדי להתחיל את הסינתזה. הפריימר הוא מולקולה קטנה של דנ"א המשלימה את המולקולה שאתה רוצה רצף.

בתגובה, נוקליאוטידים אשר הולכים להיות משולבים לתוך החוט החדש של ה- DNA על ידי האנזים מתווספים.

בנוסף לנוקליאוטידים "המסורתיים", השיטה כוללת סדרה של dideoxynototides עבור כל אחד מהבסיסים. הם נבדלים נוקליאוטידים סטנדרטיים בשני מאפיינים: מבחינה מבנית הם לא מאפשרים את הפולימרז DNA להוסיף נוקליאוטידים יותר לרשת הבת יש סמן ניאון שונה עבור כל בסיס.

התוצאה היא מגוון של מולקולות דנ"א באורך שונה, שכן dideoxynotides אורגנו באופן אקראי ועצר את תהליך השכפול בשלבים שונים.

מגוון זה של המולקולות יכול להיות מופרדים על פי אורך שלהם ואת הזהות של נוקליאוטידים הוא קרא דרך פליטת האור מן התווית ניאון..

הדור החדש רצף

טכניקות רצף שפותחה בשנים האחרונות מאפשרים ניתוח מסיבי של מיליוני דגימות בו זמנית.

בין השיטות הבולטות ביותר הוא pyrosequencing, רצף על ידי סינתזה, רצף על ידי קשירת ו רצף הדור הבא על ידי Ion Torrent..

הפניות

1. אלברטס, ב, ג 'ונסון, א, לואיס, ג', ואח '. (2002). ביולוגיה מולקולרית של התא. מהדורה 4. ניו יורק: מדע גרלנד. מבנה ותפקוד הדנ"א. זמין בכתובת: ncbi.nlm.nih.gov/
2. אלברטס, ב, ג 'ונסון, א, לואיס, ג', ואח '. (2002). ביולוגיה מולקולרית של התא. מהדורה 4. ניו יורק: מדע גרלנד. כרומוזומלית דנ"א ואריזותיה בכבד הכרומטין. זמין ב: ncbi.nlm.nih.gov
3. ברג, ג'יי.אם, טימוצ'קו, ג'יי.אל., סטרייר, ל. (2002). ביוכימיה מהדורה 5. ניו יורק: פרימן. סעיף 27.1, DNA יכול לנחש מגוון של צורות מבנית. זמין ב: ncbi.nlm.nih.gov
4. Fierro, A. (2001). היסטוריה קצרה של גילוי מבנה הדנ"א. מרפ"ק לאס קונדס, 20, 71-75.
5. Forterre, P., Filée, J. & Myllykallio, H. (2000-2013) מקור ואבולוציה של DNA ו- DNA שכפול Machineries. In מדאם קירי מסד הנתונים [אינטרנט] אוסטין (TX): לנדס Bioscience. זמין ב: ncbi.nlm.nih.gov
6. Lazcano, A., Guerrero, R., Margulis, L., & Oro, J. (1988). המעבר האבולוציוני מ- RNA ל- DNA בתאים המוקדמים. כתב עת של אבולוציה מולקולרית, 27(4), 283-290.
7. לודש, ח ', ברק, א', ציפורסקי, ש. (2000). ביולוגיה תא מולקולרית. מהדורה 4. ניו יורק: ו 'פרימן. סעיף 9.5, ארגון דנ"א נייד לכרומוזומים. זמין בכתובת: ncbi.nlm.nih.gov/books
8. וואט, ד ', וואט, ג', ג ', פראט, C. W. (1999). יסוד ביוכימי. חדש יורק: ג'ון ווילי ובניו.