DNA: TARIH, IŞLEVLER, YAPI, BILEŞENLER - BIYOLOJI - 2025

DNA (deoksiribonükleik asit) biyomolekül her bir gövde oluşturmak ve çalışmasını sağlamak için gerekli olan bilgileri ihtiva etmektedir. Sırasıyla bir fosfat grubu, beş karbonlu bir şeker molekülü ve bir nitrojenli bazdan oluşan nükleotid adı verilen birimlerden oluşur.

Dört azotlu baz vardır: adenin (A), sitozin (C), guanin (G) ve timin (T). Adenin her zaman timin ve guanin ile sitozin ile eşleşir. DNA zincirinin içerdiği mesaj, haberci bir RNA'ya dönüştürülür ve bu, proteinlerin sentezine katılır.

DNA, ökaryotik hücrelerin çekirdeğinde verimli bir şekilde sıkıştırmak için pozitif proteinlerle (histonlar) birleşen, fizyolojik pH'ta negatif yüklü, son derece kararlı bir moleküldür. Uzun bir DNA zinciri, çeşitli ilişkili proteinlerle birlikte bir kromozom oluşturur.

Tarih

1953'te, Amerikalı James Watson ve İngiliz Francis Crick, Rosalind Franklin ve Maurice Wilkins tarafından gerçekleştirilen kristalografi çalışmaları sayesinde DNA'nın üç boyutlu yapısını aydınlatmayı başardılar. Sonuçlarını diğer yazarların çalışmalarına da dayandırdılar.

DNA, X ışınlarına maruz kaldığında, molekülün yapısını anlamak için kullanılabilecek bir kırınım modeli oluşur: sağa doğru dönen iki antiparalel zincirin, her iki zincirin de bazlar arasındaki hidrojen bağlarıyla birleştirildiği bir sarmal. . Elde edilen model şuydu:

Yapı, Bragg'in kırınım yasalarına göre varsayılabilir: bir nesne bir X-ışını ışınının ortasına yerleştirildiğinde, nesnenin elektronları ışınla etkileşime girdiğinden yansır.

25 Nisan 1953'te Watson ve Crick'in sonuçları prestijli Nature dergisinde, biyoloji alanında tamamen devrim yaratacak olan "Nükleik asitlerin moleküler yapısı" başlıklı yalnızca iki sayfalık bir makalede yayınlandı.

Bu keşif sayesinde araştırmacılar, doğumdan önce ölen Franklin haricinde, 1962'de Nobel Tıp Ödülü'nü aldı. Şu anda bu keşif, bilimsel yöntemin yeni bilgi edinme başarısının en büyük temsilcilerinden biridir.

Bileşenler

DNA molekülü, nükleotidlerden, bir fosfat grubuna bağlı beş karbonlu şekerden ve bir nitrojenli bazdan oluşan birimlerden oluşur. DNA'da bulunan şeker türü deoksiriboz türüdür ve dolayısıyla adı deoksiribonükleik asittir.

Zinciri oluşturmak için nükleotidler, bir şekerden bir 3'-hidroksil grubu (-OH) ve bir sonraki nükleotidin 5'-fosfafosu aracılığıyla bir fosfodiester tipi bağ ile kovalent olarak bağlanır.

Nükleotidler, nükleositlerle karıştırılmamalıdır. İkincisi, nükleotidin yalnızca pentoz (şeker) ve azotlu baz tarafından oluşturulan kısmını ifade eder.

DNA dört tip azotlu bazdan oluşur: adenin (A), sitozin (C), guanin (G) ve timin (T).

Azot bazları iki kategoriye ayrılır: pürinler ve pirimidinler. Birinci grup, başka bir altı halkaya bağlı beş atomlu bir halkadan oluşurken, pirimidinler yalnızca bir halkadan oluşur.

Bahsedilen bazlardan adenin ve guanin, pürin türevleridir. Buna karşılık timin, sitozin ve urasil (RNA molekülünde bulunur) pirimidin grubuna aittir.

yapı

Bir DNA molekülü, iki nükleotid zincirinden oluşur. Bu "zincir", bir DNA zinciri olarak bilinir.

İki şerit, tamamlayıcı bazlar arasındaki hidrojen bağlarıyla bağlanır. Azot bazları, şeker ve fosfatların omurgasına kovalent olarak bağlıdır.

Bir iplikçik üzerinde bulunan her bir nükleotid, iyi bilinen çift sarmal oluşturmak için diğer iplikteki başka bir spesifik nükleotid ile birleştirilebilir. Verimli bir yapı oluşturmak için, A, her zaman iki hidrojen bağı aracılığıyla T ile ve G, C ile üç bağ aracılığıyla eşleşir.

Chargaff Yasası

DNA'daki azotlu bazların oranlarını incelersek, A miktarının T miktarıyla aynı olduğunu ve G ve C ile aynı olduğunu bulacağız. Bu model Chargaff yasası olarak bilinir.

Bu eşleşme, şeker-fosfat omurga molekülü boyunca benzer bir mesafeyi koruyarak yapı boyunca benzer bir genişliğin korunmasına izin verdiği için enerji açısından elverişlidir. Bir halkanın tabanının bir halkayla eşleştiğine dikkat edin.

Çift sarmal modeli

Çift sarmalın, merkezden merkeze 3.4 nanometrelik bir mesafe ile ayrılmış, tur başına 10.4 nükleotitten oluşması önerilmektedir. Haddeleme işlemi, daha büyük ve daha küçük bir oluk gözlemleyebilmek için yapıda olukların oluşmasına neden olur.

Oluklar, baz çiftlerindeki glikosidik bağların çaplarına göre birbirine zıt olmadığından ortaya çıkar. Pirimidin O-2 ve purin N-3, küçük olukta bulunurken, ana oluk zıt bölgede bulunur.

Bir merdiven benzetmesini kullanırsak, basamaklar birbirini tamamlayan baz çiftlerinden oluşurken, iskelet iki tutunma rayına karşılık gelir.

DNA molekülünün uçları aynı değildir, bu yüzden bir "kutupluluk" dan söz ediyoruz. Uçlarından biri olan 3 'bir -OH grubu taşırken 5' ucu serbest fosfat grubuna sahiptir.

İki şerit paralel bir şekilde yerleştirilmiştir, bu, kutuplarına göre ters yönde yerleştirildikleri anlamına gelir, aşağıdaki gibi:

Ek olarak, iplikçiklerden birinin sekansı, partnerine tamamlayıcı olmalıdır, eğer bir pozisyon ise A, antiparalel iplikçinde bir T olmalıdır.

organizasyon

Her insan hücresinde, verimli bir şekilde paketlenmesi gereken yaklaşık iki metrelik DNA vardır.

İplik, hücre hacminin yalnızca% 10'unu kaplayan 6 μm çapındaki mikroskobik bir çekirdek içinde tutulabilmesi için sıkıştırılmalıdır. Bu, aşağıdaki sıkıştırma seviyeleri sayesinde mümkündür:

Histonlar

Ökaryotlarda, ipliğin ilk sıkıştırma seviyesi olan DNA molekülüne bağlanma yeteneğine sahip olan histon adı verilen proteinler vardır. Histonlar, fosfatlar tarafından sağlanan negatif DNA yükleriyle etkileşime girebilmek için pozitif yüklere sahiptir.

Histonlar ökaryotik organizmalar için o kadar önemli proteinlerdir ki, evrim sırasında neredeyse hiç değişmemişlerdir - düşük mutasyon oranlarının bu molekül üzerindeki seçici baskının güçlü olduğunu gösterdiğini hatırlamak. Histonlardaki bir kusur, DNA'da hatalı sıkıştırmaya neden olabilir.

Histonlar biyokimyasal olarak değiştirilebilir ve bu işlem, genetik materyalin sıkıştırma seviyesini değiştirir.

Histonlar "hipoasetillendiğinde" kromatin daha yoğunlaşır, çünkü asetillenmiş formlar proteindeki lizinlerin (pozitif yüklü amino asitler) pozitif yüklerini nötralize eder.

Nükleozomlar ve 30 nm fiber

DNA ipliği histonların etrafını sarar ve nükleozom adı verilen inci bir kolye üzerindeki boncuklara benzeyen yapılar oluşturur. Bu yapının merkezinde her histon tipinin iki kopyası vardır: H2A, H2B, H3 ve H4. Farklı histonların birleşimine "histon oktameri" denir.

Oktamer, iki kattan daha az daire çizen yaklaşık 146 baz çifti ile çevrilidir. Bir insan diploid hücre, yaklaşık 6.4 x 10 içerir ⁹ 30 milyon nükleozomlar halinde düzenlenir nükleotidler.

Nükleozomlar halinde organizasyon, DNA'nın orijinal uzunluğunun üçte birinden fazlasına sıkıştırılmasına izin verir.

Fizyolojik koşullar altında genetik materyalin ekstraksiyonu sürecinde, nükleozomların 30 nanometrelik bir fiberde düzenlendiği gözlendi.

kromozomlar

Kromozomlar, işlevi bir bireyin genlerini taşımak olan kalıtımın işlevsel birimidir. Bir gen, bir proteini (veya bir dizi proteini) sentezlemek için bilgi içeren bir DNA segmentidir. Bununla birlikte, RNA gibi düzenleyici unsurları kodlayan genler de vardır.

Tüm insan hücreleri (gametler ve kan hücreleri hariç), biri babadan, diğeri anneden miras alınan her bir kromozomun iki kopyasına sahiptir.

Kromozomlar, yukarıda bahsedilen protein kompleksleriyle ilişkili uzun doğrusal bir DNA parçasından oluşan yapılardır. Normalde ökaryotlarda, çekirdekte bulunan tüm genetik materyal bir dizi kromozoma bölünür.

Prokaryotlarda organizasyon

Prokaryotlar, çekirdeksiz organizmalardır. Bu türlerde, genetik materyal, düşük moleküler ağırlıklı alkalin proteinlerle yüksek oranda birbirine sarılır. Bu şekilde DNA sıkıştırılır ve bakteride merkezi bir bölgede bulunur.

Ökaryotik bir kromozomla aynı özelliklere sahip olmasa da, bazı yazarlar bu yapıya genellikle "bakteriyel kromozom" adını verir.

DNA miktarı

Tüm organizma türleri aynı miktarda DNA içermez. Gerçekte, bu değer türler arasında oldukça değişkendir ve DNA miktarı ile organizmanın karmaşıklığı arasında bir ilişki yoktur. Bu çelişki "C-değeri paradoksu" olarak bilinir.

Mantıksal mantık, organizma ne kadar karmaşıksa, o kadar çok DNA'ya sahip olduğunu sezmek olacaktır. Ancak bu, doğada doğru değildir.

Örneğin, akciğer balığı Protopterus aethiopicus'un genomu 132 pg büyüklüğündedir (DNA pikogramlar = pg olarak ölçülebilir), insan genomu ise yalnızca 3,5 pg ağırlığındadır.

Bir organizmanın tüm DNA'sının proteinleri kodlamadığı unutulmamalıdır, bunun büyük bir kısmı düzenleyici unsurlar ve farklı RNA türleri ile ilgilidir.

Yapısal DNA formları

X ışını kırınım modellerinden türetilen Watson and Crick modeli, B-DNA sarmalı olarak bilinir ve "geleneksel" ve en iyi bilinen modeldir. Bununla birlikte, A-DNA ve Z-DNA adı verilen iki farklı form daha vardır.

DNA - A

"A" varyantı, tıpkı B-DNA gibi sağa döner, ancak daha kısa ve daha geniştir. Bu form, bağıl nem azaldığında ortaya çıkar.

A-DNA her 11 baz çiftinde bir döner, ana oluk B-DNA'dan daha dar ve daha derindir. Küçük olukla ilgili olarak, bu daha yüzeysel ve geniştir.

DNA - Z

Üçüncü varyant Z-DNA'dır. Bir antiparalel zincir çiftinde organize edilmiş bir grup heksanükleotit tarafından oluşturulan en dar formdur. Bu şeklin en göze çarpan özelliklerinden biri sola dönerken diğer iki yolu sağa dönmesidir.

Z-DNA, birbiriyle değişen kısa pirimidin ve purin dizileri olduğunda ortaya çıkar. B-DNA'ya kıyasla ana sulkus düz ve minör dar ve daha derindir.

Fizyolojik koşullar altında DNA molekülü çoğunlukla B formunda olmasına rağmen, açıklanan iki varyantın varlığı, genetik materyalin esnekliğini ve dinamizmini ortaya çıkarır.

Özellikleri

DNA molekülü, bir organizmanın inşası için gerekli tüm bilgileri ve talimatları içerir. Organizmalardaki tüm genetik bilgi setine genom denir.

Mesaj "biyolojik alfabe" ile kodlanmıştır: daha önce bahsedilen dört baz, A, T, G ve C.

Mesaj, çeşitli tipte proteinlerin oluşumuna veya bazı düzenleyici unsurlar için kod oluşmasına yol açabilir. Bu veritabanlarının bir mesaj iletebileceği süreç aşağıda açıklanmıştır:

Çoğaltma, transkripsiyon ve çeviri

Dört harf A, T, G ve C ile şifrelenen mesaj bir fenotiple sonuçlanır (tüm DNA dizileri proteinleri kodlamaz). Bunu başarmak için, DNA her hücre bölünmesi sürecinde kendini kopyalamalıdır.

DNA replikasyonu yarı muhafazakardır: bir iplikçik, yeni yavru molekülün oluşumu için bir şablon görevi görür. DNA primaz, DNA helikaz, DNA ligaz ve topoizomeraz dahil olmak üzere bir dizi enzim tarafından katalize edilen replikasyon.

Daha sonra, bir baz dizisi dilinde yazılan mesaj bir ara moleküle iletilmelidir: RNA (ribonükleik asit). Bu sürece transkripsiyon denir.

Transkripsiyonun gerçekleşmesi için, RNA polimeraz dahil olmak üzere farklı enzimlerin katılması gerekir.

Bu enzim, DNA'nın mesajını kopyalamaktan ve onu haberci bir RNA molekülüne dönüştürmekten sorumludur. Başka bir deyişle, transkripsiyonun amacı haberciyi elde etmektir.

Son olarak, mesajın haberci RNA moleküllerine çevrilmesi ribozomlar sayesinde gerçekleşir.

Bu yapılar haberci RNA'yı alır ve çeviri mekanizmasıyla birlikte belirtilen proteini oluşturur.

Genetik kod

Mesaj, proteinlerin yapı taşları olan bir amino asidi belirten "üçlüler" veya üç harfli gruplar halinde okunur. Genetik kod zaten tam olarak ortaya çıktığı için üçüzlerin mesajını deşifre etmek mümkündür.

Çeviri her zaman, başlangıç ​​üçlüsü olan AUG ile kodlanan amino asit metiyonin ile başlar. "U", baz urasili temsil eder ve RNA'nın karakteristiğidir ve timinin yerini alır.

Örneğin, haberci RNA aşağıdaki diziye sahipse: AUG CCU CUU UUU UUA, şu amino asitlere çevrilir: metiyonin, prolin, lösin, fenilalanin ve fenilalanin. İki üçlü (bu durumda UUU ve UUA) aynı amino asidi kodlayabilir: fenilalanin.

Bu özelliğinden dolayı, bir amino asidin, translasyonun başlangıcını belirleyen amino asit metiyonin dışında birden fazla üçlü dizisi tarafından kodlandığı için genetik kodun dejenere olduğu söylenir.

İşlem, belirli durdurma veya durdurma üçlüleriyle durdurulur: UAA, UAG ve UGA. Sırasıyla koyu sarı, kehribar ve opal adlarıyla bilinirler. Ribozom onları tespit ettiğinde artık zincire daha fazla amino asit ekleyemez.

Kimyasal ve fiziksel özellikler

Nükleik asitler doğaları gereği asidiktir ve suda çözünürler (hidrofilik). Su ile fosfat grupları ve pentozların hidroksil grupları arasında hidrojen bağlarının oluşumu meydana gelebilir. Fizyolojik pH'ta negatif yüklüdür.

Çift sarmalın çok sert olan deformasyon direnci kapasitesi nedeniyle, DNA çözümleri oldukça viskozdur. Nükleik asit tek sarmallıysa viskozite azalır.

Oldukça kararlı moleküllerdir. Mantıken genetik bilgi taşıyan yapılarda bu özellik vazgeçilmez olmalıdır. RNA ile karşılaştırıldığında DNA çok daha kararlıdır çünkü bir hidroksil grubundan yoksundur.

DNA ısıyla denatüre edilebilir, yani molekül yüksek sıcaklıklara maruz kaldığında iplikler ayrılır.

Uygulanması gereken ısı miktarı molekülün G - C yüzdesine bağlıdır, çünkü bu bazlar üç hidrojen bağıyla birbirine bağlanarak ayrılma direncini arttırır.

Işık absorpsiyonu ile ilgili olarak, 260 nanometrede bir zirveye sahiptirler, bu, nükleik asit tek sarmallıysa artar, çünkü nükleotid halkaları açığa çıkar ve bunlar absorpsiyondan sorumludur.

Evrim

Lazcano ve ark. 1988 DNA, yaşam tarihinin en önemli olaylarından biri olan RNA'dan geçiş aşamalarında ortaya çıktı.

Yazarlar üç aşama önermektedir: nükleik asitlere benzer moleküllerin bulunduğu ilk dönem, daha sonra genomlar RNA'dan yapılmıştır ve son aşama olarak çift bantlı DNA genomları ortaya çıkmıştır.

Bazı kanıtlar, RNA'ya dayalı birincil dünya teorisini desteklemektedir. Birincisi, protein sentezi DNA yokluğunda gerçekleşebilir, ancak RNA eksik olduğunda gerçekleşmez. Ayrıca, katalitik özelliklere sahip RNA molekülleri keşfedilmiştir.

Deoksiribonükleotitlerin (DNA'da bulunan) senteziyle ilgili olarak, bunlar her zaman ribonükleotitlerin (RNA'da mevcut) indirgenmesinden gelir.

Bir DNA molekülünün evrimsel yeniliği, DNA öncüllerini sentezleyen ve RNA'nın ters transkripsiyonuna katılan enzimlerin varlığını gerektirmiş olmalıdır.

Mevcut enzimleri inceleyerek, bu proteinlerin birkaç kez evrimleştiği ve RNA'dan DNA'ya geçişin, genlerin transferi ve kaybı ve ortolog olmayan değiştirmeler dahil olmak üzere daha önce inanılandan daha karmaşık olduğu sonucuna varılabilir.

DNA dizilimi

DNA dizileme, DNA zincirinin dizisini, onu oluşturan dört baz açısından açıklamayı içerir.

Bu sekansın bilgisi, biyolojik bilimlerde son derece önemlidir. Morfolojik olarak çok benzer iki tür arasında ayrım yapmak, hastalıkları, patolojileri veya parazitleri tespit etmek için kullanılabilir ve hatta adli bir uygulanabilirliği vardır.

Sanger sıralaması 1900'lerde geliştirilmiştir ve bir diziyi açıklığa kavuşturmak için geleneksel bir tekniktir. Yaşına rağmen geçerli bir yöntemdir ve araştırmacılar tarafından yaygın olarak kullanılmaktadır.

Sanger yöntemi

Yöntem, hücrelerde DNA'yı kopyalayan oldukça güvenilir bir enzim olan DNA polimerazı kullanır ve önceden var olanı bir kılavuz olarak kullanarak yeni bir DNA ipliği sentezler. Enzim, sentezi başlatmak için bir primer gerektirir. Primer, dizilenecek moleküle tamamlayıcı olan küçük bir DNA molekülüdür.

Reaksiyonda, enzim tarafından yeni DNA zincirine eklenecek nükleotidler eklenir.

"Geleneksel" nükleotitlere ek olarak, yöntem, her bir baz için bir dizi dideoksinükleotit içerir. Standart nükleotidlerden iki özellik bakımından farklılık gösterirler: yapısal olarak, DNA polimerazın yavru ipliğe daha fazla nükleotid eklemesine izin vermezler ve her baz için farklı bir floresan marköre sahiptirler.

Sonuç, dideoksinükleotidler rastgele dahil edildiğinden ve farklı aşamalarda replikasyon sürecini durdurduğundan, farklı uzunluklarda çeşitli DNA molekülleridir.

Bu çeşitlilikteki moleküller uzunluklarına göre ayrılabilir ve nükleotidlerin kimliği, flüoresan etiketten gelen ışığın yayılmasıyla okunur.

Yeni nesil sıralama

Son yıllarda geliştirilen sıralama teknikleri, aynı anda milyonlarca numunenin büyük çapta analizine izin vermektedir.

En göze çarpan yöntemler arasında piroz dizileme, sentez yoluyla dizileme, ligasyonla dizileme ve Ion Torrent tarafından yeni nesil dizileme bulunmaktadır.

Referanslar

1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., vd. (2002). Hücrenin moleküler biyolojisi. 4. baskı. New York: Garland Bilimi. DNA'nın Yapısı ve İşlevi. Mevcut: ncbi.nlm.nih.gov/
2. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., vd. (2002). Hücrenin moleküler biyolojisi. 4. baskı. New York: Garland Bilimi. Kromozomal DNA ve Kromatin Lifte Ambalajı. Şu adresten ulaşılabilir: ncbi.nlm.nih.gov
3. Berg, JM, Tymoczko, JL, Stryer, L. (2002). Biyokimya. 5. baskı. New York: WH Freeman. Bölüm 27.1, DNA Çeşitli Yapısal Formlar Alabilir. Şu adresten ulaşılabilir: ncbi.nlm.nih.gov
4. Fierro, A. (2001). DNA yapısının keşfinin kısa tarihi. Rev Méd Clínica Las Condes, 20, 71-75.
5. Forterre, P., Filée, J. & Myllykallio, H. (2000-2013) Kökeni ve DNA ve DNA Çoğaltma Makinelerinin Evrimi. In: Madame Curie Bioscience Veritabanı. Austin (TX): Landes Bioscience. Şu adresten ulaşılabilir: ncbi.nlm.nih.gov
6. Lazcano, A., Guerrero, R., Margulis, L. ve Oro, J. (1988). Erken hücrelerde RNA'dan DNA'ya evrimsel geçiş. Moleküler evrim dergisi, 27 (4), 283-290.
7. Lodish, H., Berk, A., Zipursky, SL, vd. (2000). Moleküler Hücre Biyolojisi. 4. baskı. New York: WH Freeman. Kısım 9.5, Hücresel DNA'nın Kromozomlara Düzenlenmesi. Mevcut: ncbi.nlm.nih.gov/books
8. Voet, D., Voet, JG ve Pratt, CW (1999). Biyokimyanın temelidir. New York: John Willey and Sons.