DNA (kwas deoksyrybonukleinowy) jest informacją genetyczną znajdującą się w jądrach większości organizmów. Jest on ułożony w struktury zwane chromosomami. Struktura DNA została po raz pierwszy zidentyfikowana jako „podwójna helisa” przez Watsona i Cricka w 1953 roku. DNA składa się z 4 zasad: puryn, adeniny (A) i guaniny (G) oraz pirymidyn ,tyminy (T) i cytozyny (C). Tworzą one komplementarne pary bazowe A-T i G-C., DNA zawiera również grupę fosforanową połączoną z cukrem deoksyrybozowym. Grupa fosforanowa jest przyłączona do cukru poprzez wiązanie fosfodiestrowe. Ludzie mają 99,5% podobieństw do innych ludzi w ich DNA.
struktura DNA
DNA (kwas deoksyrybonukleinowy) jest łańcuchem monomerów (powtarzających się jednostek) zwanych „nukleotydami”. Nukleotyd składa się z: 2 ' cukru deoksyrybozy (pięciowęglowa pentoza podobna do cukru rybozy występującego w RNA., Jego wzór chemiczny to C5H10O4), Grupa fosforanowa (która tworzy wiązanie fosfodiestrowe: łączące ze sobą 2 cukry deoksyrybozy) i azotowa (jedna z a (adeniny), C ( cytozyny), G ( guaniny) lub T (tyminy), która tworzy boczny łańcuch rozgałęziający się z 1′ węgla 2` cukru deoksyrybozy).
region grupy cukrowo-fosforanowej deoksyrybozy jest uważany za „szkielet” nici DNA ze względu na jego przeznaczenie strukturalne, a Sekwencja zasad przenosi informacje o genach. W celu wytworzenia dwuniciowej struktury DNA zachodzą interakcje między uzupełniającymi się zasadami., Komplementarne pary zasad w DNA oddziałują ze sobą poprzez wiązania wodorowe: interakcje A-T składają się z 2 międzycząsteczkowych wiązań wodorowych, podczas gdy interakcje G-C składają się z 3 międzycząsteczkowych wiązań wodorowych. Pomiędzy tymi bazami znajdują się oddziaływania hydrofobowe znane jako siły van der Waala. Interakcje te tworzą mosty między dwoma łańcuchami DNA, tworząc w ten sposób dwuniciową strukturę w kształcie drabiny. Każda nić działa jako szablon dla drugiej w replikacji DNA., DNA jest kopiowane do mRNA (messenger RNA), który przenosi informacje z oryginalnej nici szablonu DNA do udziału w syntezie białek. Proces kopiowania DNA do mRNA nazywany jest transkrypcją. Transkrybowany mRNA jest następnie tłumaczony na polipeptyd w procesie zwanym translacją przez tRNA.
w podwójnej helisie DNA nici szkieletu są bliżej siebie po jednej stronie helisy niż po drugiej. Prowadzi to do powstania rowków większych i mniejszych., Rowek główny jest znacznie szerszy niż mały rowek, a to oznacza, że specyficzne interakcje DNA-białka mogą mieć miejsce na rowku głównym, ponieważ kręgosłup nie jest w drodze. Specyficznymi nukleotydami, które znajdują się w głównym rowku, są grupy N7 i C6 puryn oraz grupy C4 I C5 pirymidyn, które przyjmują jony wodorowe z aminokwasów w białku, tworząc wiązania wodorowe.
ze względu na podwójną spiralną strukturę DNA, Zasady azotowe znajdują się wewnątrz struktury, tworząc hydrofobowe wnętrze., Ładunek ujemny z grup fosforanowych daje szkielet cukrowo-fosforanowy DNA ładunek ujemny, który odpycha nukleofile, w tym wodę. Dzięki temu DNA jest mniej podatne na atak nukleofilowy, dlatego DNA jest uważane za bardzo stabilną cząsteczkę. DNA jest znacznie bardziej stabilne niż RNA, ponieważ RNA jest tylko jednoniciowa – Zasady azotowe pozostają narażone na atak nukleofilów z jednej strony.
w 1953 roku, pomimo wielu innych teorii, James Watson i Francis Crick odkryli prawdziwą strukturę dwuniciowej cząsteczki DNA jako „podwójną helisę”., Zostało to rozwiązane w wyniku „stick-and-ball” modele stworzyli, wraz z wykorzystaniem pracy kolegów naukowców Rosalind Franklin i Maurice Wilkins na krystalografii rentgenowskiej. Fotografie dyfrakcyjne promieniowania rentgenowskiego uzyskane z włókien DNA przedstawiały unikalny kształt X, który ilustruje konstrukcję spiralną, chociaż wskazywały powtarzającą się strukturę o 3,4 Å na obrót helisy, każda podstawa jest obracana o 36 stopni od następnej. Średnica helisy wynosi 23,7 Å., Odkryli, że szkielet cukrowo-fosforanowy był na zewnątrz, a podstawy są umieszczone wewnątrz helisy.
powyższe informacje opisywały B-formę DNA. DNA występuje również w postaci A – i Z -. Kiedy DNA ulega odwodnieniu, można zaobserwować formę A. Jest również praworęczny, ale na zakręcie znajduje się 11 podstawek, a spirala jest szersza. Średnica wynosi 25,5 Å. Inną różnicą jest to, że nachylenie par bazowych zwiększa się o 18O, do 19O od prostopadłościanu do osi helisy.
forma Z różni się znacznie bardziej, ponieważ jest leworęczną podwójną helisą., Ta forma jest rzadko spotykana bez pomocy wysokich stężeń soli. Wiązania są zygzakowane, ponieważ wiązania są naprzemienne anty i syn (podczas gdy formy A i B są tylko anty). Forma Z jest węższa, ma średnicę tylko 18,4 Å, ale na parę bazową przypada wzrost o 3,8 Å. Uważa się, że przejścia między formami B i z DNA mogą być zaangażowane w regulację regulacji genów.
B-DNA jest najczęściej spotykany we wszystkich formach życia, jednak struktury a-helikalne i z-helikalne współwystępują w komórkach, tj., bardzo często obserwuje się cząsteczkę B-DNA i z-DNA, głównie w potwierdzeniu B-DNA.
DNA Indyjskiego muntjaca, który jest jeleniem azjatyckim, ma najdłuższą długość (około 3 miliardów nukleotydów) spośród wszystkich znanych cząsteczek DNA innych organizmów.
DNA jest naładowane ujemnie ze względu na ujemnie naładowane jony fosforanowe w szkielecie cukrowo-fosforanowym. Stąd może być stosowany do elektroforezy żelowej w celu identyfikacji różnych długości DNA., Ujemny ładunek szkieletu, wraz z grupami OH na cukrze dezoksyrybozowym, oznacza, że szkielet jest hydrofilowy, ponieważ woda może tworzyć z nim wiązania wodorowe. Centrum cząsteczki DNA jest hydrofobowe ze względu na brak ładunku w podstawach DNA. Hydrofilowa zewnętrzna i hydrofobowa wewnętrzna cząsteczka DNA oznacza, że jest rozpuszczalna w wodzie.
replikacja
dwuniciowy charakter DNA jest ważny dla metody replikacji „semi-conservative” replikacji DNA., W tym procesie helikaza enzymu DNA odwija podwójną helisę, zrywając wiązania wodorowe między uzupełniającymi się zasadami na każdej nici, odsłaniając 2 oddzielne nici. Na tych pasmach znajdują się odkryte zasady, które przyciągają uzupełniające się zasady na wolnych nukleotydach. Wolne nukleotydy są połączone ze sobą przez enzym polimerazę DNA. Trifosforan deoksyrybonukleotydu (dNTPs) dodaje się do grupy hydroksylowej 3′ na rosnącej nici przez grupę trifosforanową 5′ na przychodzącym dNTP w reakcji estryfikacji., Połączenie nukleotydów tworzy nową nić DNA, która jest identyczna z drugą podwójną nicią DNA, ponieważ wykorzystuje jedną z oryginalnych nici jako szablon do replikacji. Każda córka podwójna nić DNA składa się z nici macierzystej i nowo sythesised nić.
mimo że obie nici w cząsteczce DNA rodzicielskiego są kopiowane w celu utworzenia identycznych produktów, obie nici są kopiowane w nieco inny sposób od siebie. Wynika to z faktu, że DNA jest zawsze syntetyzowane w kierunku 5 'do 3′., Nić 3′ do 5′, znana jako nić wiodąca, jest kopiowana w sposób ciągły przez polimerazę DNA. Druga nić nazywana jest nicią opóźniającą, ponieważ jest powielana wolniej. Aby odtworzyć pasmo opóźniające, primery RNA są umieszczane w kilku punktach wzdłuż pasma opóźniającego przez enzym zwany primazą. Luki na opóźnionej nici między primerami RNA są replikowane przez polimerazę DNA, a krótkie fragmenty replikowanego DNA są znane jako fragmenty Okazaki. Jednakże, aby zakończyć replikację opóźnionej nici, primery RNA muszą zostać zastąpione sekwencjami DNA., Inna polimeraza DNA usuwa primery RNA i syntetyzuje fragmenty DNA w celu ich zastąpienia. Fragmenty Okazaki i zamienniki RNA Primera nadal nie są połączone, więc ligaza DNA wchodzi w ligatesę wszystkie fragmenty DNA razem.
teoria replikacji półkonserwatywnej okazała się poprawna w eksperymencie Messelsona-Stahla. W tym eksperymencie E. coli hodowano w pożywce zawierającej 15-N przez wiele pokoleń. Bakterie zostały następnie przeniesione do ośrodka zawierającego 14-N. po jednym cyklu replikacji DNA zostało wyekstrahowane z bakterii i odwirowane., Wirowanie oddzielało DNA przez gęstość, tworząc jedno pasmo wita H gęstości pomiędzy 15-N DNA i 14-N DNA. Pokazało to, że jedna nić pochodziła od rodzica (15-N), A jedna nić została nowo zsyntetyzowana z wolnych nukleotydów (14-N).