Razumevanje DNA, značilnosti, strukture, funkcij, lastnosti in komponent
Definicija DNK
DNA je nukleinska kislina, ki se nahaja v jedru celic in služi za shranjevanje vseh informacij o živih bitjih v obliki genskega materiala. DNK določa tudi podedovane lastnosti organizmov. Z uporabo DNK lahko dobimo toliko koristi. Še posebej v zadevah, povezanih z genetiko.
DNA je sestavljena iz zaporedja nukleotidov. Nukleotid je kombinacija fosfatne skupine, pentoznega sladkorja in dušikove baze. Nukleozid je kombinacija pentoznega sladkorja in dušikove baze. Vsak nukleotid vsebuje deoksiribozno sladkorno skupino s 5 atomi ogljika, fosfatno skupino in dušikovo bazo. Vsi nukleotidi v DNK vsebujejo isto sladkorno in fosfatno skupino in se zato imenujejo "hrbtenica DNK". Dušikove baze DNA so vedno seznanjene med purinskimi in pirimidinskimi skupinami. Purinske baze so adenin (A) in gvanin (G), pirimidinske baze pa citozin (C) in timin (T). V DNK se G pari s C in A s T.
DNA z dušikovimi baznimi pari je prava oblika genov. Na splošno en gen vsebuje od deset do sto tisoč baznih parov. DNK uravnava življenje celic in telesa živega bitja s postopkom razmnoževanja (podvajanja) in transkripcije (tiskanja). Replikacija je koristna za celično delitev in razmnoževanje, medtem ko je transkripcija koristna za sintezo beljakovin. S sintezo beljakovin nastajajo različne snovi in organele, ki uravnavajo telo in vplivajo na naravo živih bitij.
Preberite tudi članke, ki so lahko povezani: Funkcije rekombinantne DNA v bioloških znanostih
Zgodovina DNK
DNK je prvič očistil leta 1868 švicarski znanstvenik Friedrich Miescher iz Tubingena v Nemčiji in ji dal ime nuklein po lokaciji v celičnem jedru. Raziskave vloge DNK v celicah pa so se začele šele v začetku 20. stoletja, skupaj z odkritjem Mendelovih genetskih postulatov. DNA in beljakovine veljata za najverjetnejši molekuli kot nosilki genskih lastnosti, ki temeljijo na tej teoriji.
Dva eksperimenta v desetletju 40. let sta dokazala funkcijo DNK kot genskega materiala. V študiji Averyja in njegovih sodelavcev se izvlečki iz ene bakterijske celice niso spremenili v drugo bakterijsko celico, razen če je DNA v ekstraktu ostala nedotaknjena. Poskusi Hersheyja in Chasea so isto dokazali z uporabo radioaktivnih sledilcev.
Takrat je bila nerazrešena skrivnost: "kakšna je struktura DNK, da lahko služi kot genski material". Na to vprašanje sta odgovorila Francis Crick in njegov kolega James Watson na podlagi rezultatov rentgenske difrakcije na DNK Mauricea Wilkinsa in Rosalind Franklin.
Leta 1953 sta James Watson in Francis Crick DNK opredelila kot polimer, sestavljen iz 4 baz nukleinskih kislin, dveh purinskih skupin: adenina in gvanina; in še dva iz skupine pirimidinov: citozin in timin. Štiri nukleobaze so povezane z glukoznim fosfatom.
Maurice Wilkins in Rosalind Franklin sta ugotovila, da je molekula DNA v obliki vijačnice, ki se vrti vsakih 3,4 nm. razdalja med molekulami nukleobaze je 0,34 nm, zato lahko ugotovimo, da je v vsaki rotaciji 10 molekul nukleobaze DNK. Ko smo vedeli, da je premer vijačnice DNA približno 2 nm, so odkrili, da DNA ne sestoji iz 1 verige, temveč iz 2 vijačnih verig.
Crick, Watson in Wilkins so za to odkritje leta 1962 prejeli Nobelovo nagrado za medicino. Franklin, ki je bil takrat mrtev, te nagrade ni mogel dobiti.
Razvoj znanosti in tehnologije o celicah je ljudi pripeljal do novih znanj. Napredek pri razumevanju celic se je razvil okoli petdesetih let 20. stoletja. Takrat sta Ames Atson in Francis Crick na podlagi razpoložljivih dokazov lahko razložila strukturo DNA na kromosomih. Na podlagi dokazov o rentgenski difrakciji so ugotovili, da je struktura DNA podobna zviti lestvi ali dvojni heli.
Preberite tudi članke, ki so lahko povezani: Semkonzervativna replikacija DNA - opredelitev, komponente, model, disperzija, strokovnjaki
Funkcija DNA
Na splošno obstajajo tri funkcije DNA, in sicer:
- Nosilec genetskih informacij
DNA kot kemična oblika genov je nosilec genskih informacij živih bitij. DNK vsebuje navodila za oblikovanje značilnosti in lastnosti živih bitij. -
Igrajte vlogo pri samopodvajanju in podedovanju lastnosti
Ker DNK vsebuje vse informacije o naravi živih bitij, mora imeti tudi informacije za samopodvajanje (razmnoževanje). Replikacija DNK omogoča način prenosa DNA iz ene celice v drugo. -
Izražanje genskih informacij
Geni prenašajo informacije, da tvorijo določene beljakovine. Ta proces poteka prek mehanizma sinteze beljakovin. Proces tvorbe beljakovin poteka s postopkom transkripcije DNA v RNA in translacijo RNA, da se tvori polipeptidna veriga. -
Odkrivanje različnih bolezni
Številne bolezni je mogoče odkriti s testiranjem DNK. Kot so rak prostate, alzheimerjeva bolezen itd. DNK testi lahko odkrijejo tudi plešavost in degenerativne bolezni (dedne). Tako se lahko spopademo s čim prej. -
Pomoč policiji
DNA se uporablja pri forenzičnih dejavnostih, in sicer pri uporabi znanstvenih konceptov v pravu. DNK je zelo koristna za prepoznavanje žrtev in osumljencev na prizoriščih zločinov. Forenzični dokazi so najnatančnejši pravni dokazi. DNK prstni odvzem ali DNK prstni odtis v forenzični analizi, ki policiji olajša lovljenje kriminalcev -
Iščem družino
Ko dvomimo o svojih starših, ali so naši biološki starši ali ne, lahko to ugotovimo s testiranjem DNK. Poleg tega lahko prepoznamo tudi telesa, ki niso prepoznana, tako da je znano, kdo zamenja njihove družine ali dojenčke. -
Genetska manipulacija
S čiščenjem DNK organizma lahko z njim manipuliramo in ustvarimo isti organizem ali pa ga zmešamo z drugo DNK, da proizvedemo želeni organizem. Običajno ga uporabljamo na rastlinah za pridelavo vrhunskih semen. DNA za kmetijstvo transgenih rastlin ali rastlin, katerih DNA je zasnovana tako, da lahko dajo večje donose visoke ali imajo želene lastnosti, na primer odpornost proti herbicidom, ali lahko živijo na kopnem, ki je suha
Preberite tudi članke, ki so lahko povezani: Pojasnilo uravnavanja ravni sladkorja v krvi v telesu
Značilnosti DNK
DNK vsebuje genetsko kodo, ki ima vlogo nadzora nad delovanjem organizma. Tu je povzetek nekaterih značilnosti DNK:
- Vsebuje fosfatno (P) skupino, deoksiribozni sladkor in dušikovo bazo
- Po Chargaffovem zakonu: vsota (A-T) + vsota (G-C) = 100%
- Dušikove baze so vezane z vodikovimi vezmi
- Kot med C1 in N timinom: 50 °
- Kot med C1 in N Adeninom: 51 °
- Kot med C1 in N Citozinom: 52 °
- Kot med C1 in N Guanine: 54 °
- Razdalja H vezi med A-T: Ne. 6 s št. 4 = 2,85; Ne 1 s št. 3 = 2,90
- Razdalja H vezi med G-C: Ne. 6 s št. 4 = 2,83; Ne 1 s št. 3 = 2,86; Ne 2 s št. 2 = 2,84.
- Razdalja vezi med atomi sladkorja C1 v osnovi N A-T: 11,1 °
- Razdalja vezi med atomi sladkorja C1 v osnovi N G-C: 10,8 °
- Deoksiribozni sladkorni skelet in fosfatna skupina sta na zunanji strani, N-baza pa na notranji strani vijačnice.
- Premer = 20 (angstrom)
- Razdalja med osnovnimi pari N = 3,4
- Vrtenje vrtenja = 36 °
- Molekulska teža: 660 daltonov (D)
Preberite tudi članke, ki so lahko povezani: Definicija in delovanje krvne plazme po mnenju biologov
Struktura DNA
Zaradi kemijske strukture DNA je zelo primerna za shranjevanje bioloških informacij vseh živih bitij. Hrbtenica DNA je odporna na kemično cepitev in obe verigi dvoverižne strukture DNA shranjujeta enake biološke podatke. Zato se bodo biološke informacije ponovile, ko bosta ločeni dve verigi DNA. Večina DNA (več kot 98% pri ljudeh) je nekodirajoča, kar pomeni, da ne kodira beljakovinskih funkcij.
DNA je polinukleotidna makromolekula, sestavljena iz ponavljajočih se nukleotidnih polimerov, razporejenih v dvojnikih, ki tvorijo dvojno vijačno DNA in zvite v desno. Vsak nukleotid je sestavljen iz treh molekularnih skupin, in sicer:
- 5-ogljikov sladkor (2-deoksiriboza)
- Dušikove baze sestavljajo: purinske skupine, in sicer adenin (Adenin = A) in gvanin (guanini = G), pirimidinske skupine, in sicer citozin (citozin = C) in timin (timin = T)
- Fosfatna skupina
Sledi razporeditev kemijskih struktur komponent, ki tvorijo DNA:
Tako purini kot pirimidini so povezani z deoksiribozo in tvorijo molekulo, imenovano nukleozid ali deoksiribonukleozid, ki je osnovni predhodnik za sintezo DNA.
Predhodnik je začetni element pri tvorbi deoksiribonukleozidnih spojin, povezanih s fosfatno skupino. DNA je sestavljena iz štirih vrst nukleotidnih monomerov. Štiri dušikove nukleotidne baze v DNA po številu niso enake.
V vsaki molekuli DNA je količina adenina (A) vedno enaka količini timina (T). Podobno je količina gvanina (G) in citozina (C) vedno enaka. Ta pojav se imenuje Chargaffovo pravilo. Adenin (A) se vedno pari s timinom (T) in tvori dve vodikovi vezi (A = T), medtem ko se citozin (C) vedno pari z gvaninom (G) in tvori 3 vodikove vezi (C = G).
DNA je makromolekula, katere primarna struktura je dvoverižni polinukleotid. Ta zgradba je primerjana z lestvijo. Prečke so dušikove baze z vezmi A-T in G-C. Dve "hrbtenici" sta ribozni sladkor. Mononukleotidi so med seboj kemično povezani s fosfodiesterskimi vezmi.
Preberite tudi članke, ki so lahko povezani: Opredelitev tipov funkcij in značilnosti belih krvnih celic (levkocitov)
Replikacija DNA
Sposobnost razmnoževanja je pomembna značilnost živih bitij. To lahko opazimo na molekularni ravni, in sicer razmnoževanje genskega materiala z replikacijo. Ta postopek zahteva deoksiribonukleotidne surovine, encime in nukleotide. Postopek replikacije DNA bo ustvaril isto novo verigo DNA. DNA lahko s postopkom transkripcije ustvari tudi nove verige RNA.
Razmnoževanje se začne z razvijanjem tuljave in ločitvijo verige z encimom helikaze, da nastaneta dva enojna pasova. Oba pasova delujeta kot novi vzorci DNA s pomočjo encimov DNA polimeraze. Upoštevati morate, da obstaja ena lastnost dvojnega helija DNA, ki vpliva na replikacijo, in sicer da sta obe verigi DNA antiparalelni. To pomeni, da sta sladkorno-fosfatni vezi obeh pasov v nasprotni smeri.
Replikacija je dogodek sinteze DNA. Ko se celica deli z mitozo, ima vsaka celica, ki je posledica delitve, polno in enako DNA kot njena matična. Replikacijo DNA lahko razdelimo na:
1. konzervativni model,
torej dve stari verigi DNA ostajata nespremenjeni in služita kot predlogi za dve novi verigi DNA. ali V skladu s konzervativnim modelom replikacije vsi dvojni spiralni trakovi DNA služijo kot predloge. Ta postopek tvori pas DNA.
2. polkonzervativni model,
torej sta dve stari verigi DNA ločeni in nova veriga se sintetizira po principu komplementacije na vsakem od starih verig DNA. Ta model replikacije DNA sta predlagala Atson in Crick kmalu po tem, ko sta predlagala model dvojne heli DNA. Ta model pojasnjuje, da potem, ko se trakovi razpletejo v posamezne trakove, vsak trak deluje kot kalup. Vsak posamezni pas oblikuje svoj partnerski pas, tako da nastaneta dva nova dvojna heli pasova.
3. disperzivni model,
tj. nekateri deli obeh starih verig DNA se uporabljajo kot predloge za sintezo novih verig DNA. Po tem modelu se spiralni trak (dvojni heli) pretrga, nato pa fragmenti DNA tvorijo dve novi verigi. Stari koščki DNA bodo povezani z novo DNA na obeh verigah dvojne vijačnice. Od treh hipotez so znanstveniki pri razlagi replikacije DNK širše sprejeli hipokonservativno hipotezo. Številne študije so okrepile tudi polkonzervativno hipotezo kot mehanizem za replikacijo DNA.
Od treh modelov replikacije je polkonzervativni model pravi model za postopek replikacije DNA, ki se nanaša na prokariontske in evkariontske organizme. Razlika med prokariontsko in evkariontsko replikacijo je vrsta in število vključenih encimov ter hitrost in obseg replikacije kompleksnosti replikacije DNA. Pri evkariontskih organizmih se replikacijski dogodki pojavijo pred mitotično delitvijo, natančneje v fazi sinteze v cikel.
Preberite tudi članke, ki so lahko povezani: Opredelitev smrtonosnih genov in njihovih vrst
Komponente DNK
DNA je molekula, ki nosi genski material, ki se nahaja v jedru vsake žive celice, vključno z virusi. DNA je nukleinska kislina, sestavljena iz beljakovin in ogljikovih hidratov. DNK je zelo pomembna za živa bitja, ker nosi genetske informacije, ki določajo naravo ali obliko živih bitij.
Obstaja šest komponent, ki sestavljajo zaporedje DNA, razporejeno v strukturo dvojne vijačnice. Tu je šest komponent, ki tvorijo zaporedje DNA. Oglejmo si prvo:
-
Deoksiriboza
2-deoksiriboza ali deoksi sladkor je monosaharid z molekulsko formulo H- (C = O) - (CH2) - (CHOH) 3-H. Ta sladkor ima pet ogljikov in je ribozni sladkor, ki mu manjka en atom kisika. Deoksiriboza se veže na fosfatno skupino in dušikovo bazo (citozin, timin, adenin ali gvanin). -
Skupina fosfatov
Fosfat je anorganski element z molekulsko formulo PO43-. Ta element deluje kot vmesni agent. -
Citozin
Citozin (citozin) je ena od štirih dušikovih baz. V genu je citozin označen s črko C. V DNK se citozin veže na gvanin in tvori tri vodikove vezi (črtkana črta). -
Timin
Timin (timin) je ena od štirih dušikovih baz. Timin se imenuje tudi 5-metiluracil. V RNA je timin nadomeščen z uracilom. V DNK se timin kombinira z adeninom in tvori dve vodikovi vezi. V genu je timin označen s črko T. -
Adenin
Adenin (adenin) je ena od štirih dušikovih baz. Poleg tega, da je komponenta DNK, je adenin tudi del ATP (adenozin trifosfata), ki je bogat z energijo. V genu je adenin označen s črko A. -
Guanine
Gvanin (gvanin) je ena od štirih dušikovih baz. V DNK se gvanin veže na citozin in tvori tri vodikove vezi. V genu je gvanin označen s črko G.
Fizikalne in kemijske lastnosti DNA
DNA je polimer nukleotidov. Nukleotidi v DNA so med seboj povezani s fosfodiesterskimi vezmi, ki so vezi, ki se pojavijo med kationom ogljika enega nukleotida je sestavljen iz pantoznega sladkorja (deoksiriboze), enega fosfata in ene baze dušik.
Dušikova baza je vezana na prvi ogljik deoksiriboznega sladkorja, fosfat pa na peti ogljik istega sladkorja. Dušikove baze, ki tvorijo nukleotide, so razvrščene v 2, in sicer:
- Purini so dušikove baze, katerih struktura je v obliki dveh obročev. Sem spadajo: adenin in gvanin.
- Primidini so dušikove baze, katerih struktura je obroč. Sem spadajo: citozin in timin.
Chargaffov zakon:
Chargaff je preučeval relativni delež purinov in purimidinov v DNK številnih organizmov. Rezultati so pokazali, da je v DNK katerega koli organizma število A = T in C = G. Z uporabo rentgenske difrakcije je znano, da ima DNA vijačno ureditev.
Watson in Crick:
Watson in Crick sta odkrila, da je DNK v obliki dvojne vijačnice. Vsaka molekula DNA je sestavljena iz dveh polinukleotidnih verig, razporejenih protit vzporedno, da tvorijo dvojno vijačno strukturo.
- Dve polinukleotidni verigi sta razporejeni v naviti dvojni vijačnici.
- Sladkorna in fosfatna veriga tvorita zunanje okostje vijačnice.
- Dušikove baze, pritrjene na sladkor, štrlijo v središče vijačnice.
- Razdalja med dvema pramenoma je 1,1 nm, ki jo zapolni dušikova baza
- Razdalja med dvema osnovama je 3,4 A
- Vsak zavoj v vijačnici vsebuje 10 osnov
- Vsak zavoj v vijačnici ima razdaljo 34 A
- Dve verigi (polinukleotidne verige) sta vzporedni, kar pomeni, da ima veriga smer, ki je nasprotna partnerski verigi. Na primer, veriga se konča s 5 fosfatno skupino, medtem ko se parna veriga konča s 3 OH (hidroksilno) skupino.
- Dve polinukleotidni verigi se dopolnjujeta, kar pomeni, da vrstni red nukleotidov v verigi določa zaporedje nukleotidov v drugi verigi.
- Med eno dušikovo bazo in njeno partnersko bazo sta povezani z vodikovimi vezmi.
*) Dve vodikovi vezi med A in T
*) Tri vodikove vezi med C in G - Dušikova baza se lahko seznani samo s T, medtem ko C z G
- Število možnih zaporedij baz je neskončno, različna zaporedja kodirajo različne informacije.
Prepis DNK
Transkripcija DNA je postopek tvorjenja RNA iz DNA kot predloge. Proces transkripcije proizvaja mRNA, rRNA in tRNA. Tvorbo RNA izvaja encim RNA polimeraza. Postopek prepisa je sestavljen iz treh stopenj, in sicer:
-
Začetek: encim RNA polimeraza kopira gen, tako da se vezava RNA polimeraze zgodi na določenem mestu, in sicer tik pred genom, ki ga je treba prepisati. Kraj, kjer se gen (DNA) sreča z RNA polimerazo, se imenuje promotor. Nato RNA polimeraza odpre dvojno vijačnico DNA. Ena od verig DNA služi kot predloga. Promotorska nukleotida v evkariontih sta 5′-GNNCAATCT-3 ′ in 5′-TATAAAT-3 ′. Simbol N označuje nukleotid (lahko A, T, G, C). Pri prokariontih sta promotorski sekvenci 5′-TTGACA-3 ′ in 5′-TATAAT-3 ′.
-
Raztezek: Encim RNA polimeraza potuje vzdolž molekule DNA, odpira dvojno vijačnico in naniza ribonukleotide na 3 ′ konec rastoče RNA.
-
Prenehanje: nastopi na določenem mestu. Za postopek zaključevanja transkripcije je značilna disociacija encima RNA polimeraze iz DNA in RNA se sprosti.
mRNA v evkariontih se spremeni pred translacijo, medtem ko je v prokariontih, na primer pri bakterijah, mRNA končna transkripcija genov. Na novo prepisani 5 ′ konec mRNA je pppNpN, kjer je N sladkorno-bazična komponenta nukleotida, p fosfat. Zrela mRNA ima 7mGpppNpN strukturo, kjer je 7mG nukleotid, ki vsebuje 7 metil gvanina, dodanega po transkripciji. Na 3 ′ koncu je pNpNpA (pA) npA. Ta poli A rep je bil dodan s pomočjo poli (A) polimeraze. toda mRNA, ki kodira histone, nima poli A.
Rezultati transkripcije so tisti, ki imajo introne (segmenti DNK, ki ne kodirajo bioloških informacij) in jih je treba odstraniti ter imajo eksone, in sicer segmente, ki nosijo biološke informacije. Introni se odstranijo s postopkom, imenovanim spajanje. Postopek spajanja poteka v jedru.
Spajanje se začne s premorom na koncu 5 ', nato se prosti 5 konec pritrdi nekje na intronu in tvorijo laso podobno strukturo, ki nastane zaradi vezi 5′-2′fosfodiester. Poleg tega je mesto rezanja na koncu 3 odklopljeno, tako da se oba eksona združita.
rRNA in tRNA sta končni produkt transkripcijskega procesa, medtem ko bo mRNA prevedena.
tRNA je adapter molekula, ki bere nukleotidno zaporedje v mRNA in ga pretvori v aminokisline.
Struktura molekule tRNA je kot list detelje, ki je sestavljen iz 5 komponent, in sicer:
- Akceptorska roka je mesto za pritrditev aminokislin.
- Roka D ali DHU: vsebuje dihidruracil pirimidin,
- Antikodonska roka: ima antikodon, katerega osnova je komplementarna bazi mRNA
- Dodatna roka
- TUU rokav: vsebuje T, U in C
- Prevajanje
Pri prokariontih, ki so sestavljeni iz ene komore, se postopka transkripcije in translacije odvijata skupaj. Prevajanje je postopek prevajanja kodonov v mRNA v polipeptide. V procesu prevajanja je genska koda pomembno pravilo. V genetski kodi se nukleotidno zaporedje mRNA izvaja v treh skupinah. Vsaka skupina treh se imenuje kodon. V prevodu kodon prepozna roka antikodona, prisotna na tRNA.
Prevajalski mehanizem je:
-
Iniciacija. Ta postopek se začne s pritrditvijo majhne ribosomske podenote na mRNA. Pritrditev se zgodi na določenem mestu, in sicer pri 5′-AGGAGGU-3 ′, pri evkariontih pa v strukturi pokrovčka (7mGpppNpN). Nato se ribosom premakne proti 3 ′, dokler ne doseže AUG kodona. Ta kodon je začetni kodon. Aminokislina, ki jo nosi začetna tRNA, je metionin. Metionin je aminokislina, ki jo kodira AUG. Pri bakterijah se metionin pretvori v Nformil metionin. Kombinirana struktura mRNA, majhne ribosomske podenote in tRNA-Nformil metionina se imenuje iniciacijski kompleks. Pri evkariontih se iniciacijski kompleks tvori na bolj zapleten način, ki vključuje veliko proteinov iniciacijskega faktorja.
-
raztezek. Naslednja faza je pritrditev velike podenote na majhno podenoto, kar ima za posledico dve ločeni mesti. Prvo mesto je mesto P (peptidil), ki ga zaseda tRNA-Nformil metionin. Drugo mesto je mesto A (aminoacil), ki se nahaja na drugem kodonu in je prazno. Proces raztezanja se pojavi, ko tRNA s pravilnim antikodonom in aminokislino vstopi na mesto A. Posledično se na ribosomu zapolnita obe mesti, nato med obema aminokislinama nastane peptidna vez. Nato se sprosti vez tRNA z N-formil metioninom, tako da sta dve verižni aminokislini na mestu A. Nato se ribosomi premaknejo tako, da so aminokisline tRNA na mestu P, mesto A pa prazno. Poleg tega bo tRNA s pravilnim antikodonom s tretjim kodonom vstopila na mesto A in postopek se nadaljuje kot prej.
-
Prekinitev. Postopek prevajanja se ustavi, ko mesto A doseže končni kodon, in sicer UAA, UAG, UGA. Ti kodoni nimajo tRNA, ki nosi ustrezen antikodon. Nato na mesto A vnesite faktor sproščanja (RF) in sprostite polipeptidno verigo, ki je nastala iz zadnje tRNA. Nato se ribosomi spremenijo v majhne in velike podenote.