Istoria ADN, funcțiile, structura, componentele



DNA (acid deoxiribonucleic) este biomolecul care conține toate informațiile necesare pentru a genera un organism și pentru a-și menține funcționarea. Este compus din unități numite nucleotide, formate la rândul lor dintr-o grupare fosfat, o moleculă de zahăr de cinci atomi de carbon și o bază azotată.

Există patru baze azotate: adenina (A), citozina (C), guanina (G) și timina (T). Adenina întotdeauna împerechează cu timină și guanină cu citozină. Mesajul conținut în lanțul de ADN este transformat într-un ARN mesager și acesta participă la sinteza proteinelor.

ADN-ul este o moleculă extrem de stabilă, încărcată negativ la pH fiziologic, care este asociată cu proteine ​​pozitive (histone) pentru a compacta eficient în nucleul celulelor eucariote. Un lanț lung de ADN, împreună cu diferite proteine ​​asociate formează un cromozom.

index

  • 1 Istorie
  • 2 Componente
  • 3 Structura
    • 3.1 Legea lui Chargaff
    • 3.2 Model dublu helix
  • 4 Organizarea
    • 4.1 Histone
    • 4.2 Nucleozomi și fibre de 30 nm
    • 4.3 Cromozomi
    • 4.4 Organizarea în prokaryotes
    • 4.5 Cantitatea de ADN
  • Formele structurale ale ADN
    • 5.1 ADN-A
    • 5.2 ADN-Z
  • 6 Funcții
    • 6.1 Replicarea, transcrierea și traducerea
    • 6.2 Codul genetic
  • 7 Proprietăți chimice și fizice
  • 8 Evoluție
  • 9 secvențierea ADN-ului
    • 9.1 Metoda Sanger
  • 10 secvențe de generație nouă
  • 11 Referințe

istorie

În anul 1953, americanul James Watson și britanicul Francis Crick au reușit să elucideze structura tridimensională a ADN, datorită lucrării în cristalografie realizată de Rosalind Franklin și Maurice Wilkins. Ei și-au bazat concluziile pe lucrările altor autori.

Expunând ADN-ul la raze X, se formează un model de difracție care poate fi utilizat pentru a deduce structura moleculei: o helix de două lanțuri antiparalente care se întorc spre dreapta, unde ambele lanțuri sunt legate prin legături de hidrogen între baze . Modelul obținut a fost după cum urmează:

Structura poate fi asumată urmând legile difracției Bragg: atunci când un obiect este interpus în mijlocul unui fascicul de raze X, acesta se reflectă, deoarece electronii obiectului interacționează cu raza.

La 25 aprilie 1953, rezultatele lui Watson și Crick au fost publicate în revista prestigioasă natura, într-un articol cu ​​două pagini intitulat "Structura moleculară a acizilor nucleici"Asta ar transforma complet domeniul biologiei.

Datorită acestei descoperiri, cercetătorii au primit Premiul Nobel pentru medicină în 1962, cu excepția lui Franklin care a murit înainte de naștere. În prezent, această descoperire este unul dintre marii exponenți ai succesului metodei științifice de a dobândi noi cunoștințe.

componente

Molecula ADN este compusă din nucleotide, unități formate dintr-un zahăr de cinci atomi de carbon atașat la o grupare fosfat și o bază azotată. Tipul de zahăr găsit în ADN este de tipul deoxyribose și, prin urmare, numele său, acid deoxiribonucleic.

Pentru a forma lanțul, nucleotidele sunt legate covalent printr-o legătură fosfodiesterică cu ajutorul unei grupări 3'-hidroxil (-OH) dintr-un zahăr și 5'-fosfofa din următoarea nucleotidă.

Nu confunda nucleotidele cu nucleozidele. Acesta din urmă se referă la partea nucleotidului format numai de pentoză (zahăr) și baza azotată.

ADN-ul este alcătuit din patru tipuri de baze azotate: adenina (A), citozina (C), guanina (G) și timina (T).

Bazele azotate sunt clasificate în două categorii: purine și pirimidine. Primul grup constă dintr-un inel de cinci atomi îmbinat cu un alt inel de șase, în timp ce pirimidinele sunt compuse dintr-un singur inel.

Dintre bazele menționate, adenina și guanina sunt derivate din purine. In contrast, grupul de pirimidine apartine timinei, citozinei si uracilului (prezente in molecula ARN).

structură

O moleculă de ADN este formată din două lanțuri de nucleotide. Acest "lanț" este cunoscut ca un fir de ADN.

Cele două toroane sunt îmbinate de punți de hidrogen între bazele complementare. Bazele azotate sunt legate covalent la un schelet de zaharuri și fosfați.

Fiecare nucleotidă situată într-o singură catenă poate fi cuplată cu o altă nucleotidă specifică a celeilalte catene, pentru a forma dubla helix cunoscută. Pentru a forma o structură eficientă, A se cuplează întotdeauna cu T prin intermediul a două legături de hidrogen, iar G cu C prin trei punți.

Legea lui Chargaff

Dacă studiem proporțiile bazelor azotate din ADN, vom constata că cantitatea lui A este identică cu cantitatea de T și aceeași cu G și C. Acest model este cunoscut sub numele de legea lui Chargaff.

Această pereche este favorabilă din punct de vedere energetic, deoarece permite păstrarea unei lățimi similare de-a lungul structurii, menținând o distanță similară de-a lungul moleculei scheletului de zahăr-fosfat. Rețineți că o bază a unui inel este cuplată cu un inel.

Modelul de helix dublu

Se propune ca dublul helix să fie compus din 10,4 nucleotide pe rând, separat de o distanță de centru de centru de 3,4 nanometri. Procesul de înfășurare dă naștere la formarea de caneluri în structură, fiind capabil să observe o canelură majoră și mică.

Canelurile apar deoarece legăturile glicozidice din perechile de bază nu sunt opuse între ele, în raport cu diametrul lor. În canelura minoră se află pirimidina O-2 și purina N-3, în timp ce canelura majoră este situată în regiunea opusă.

Dacă folosim analogia unei scări, treptele constau din perechile de bază complementare una față de cealaltă, în timp ce scheletul corespunde celor două șine de prindere.

Capetele moleculei ADN nu sunt aceleași, deci vorbim de o "polaritate". Unul dintre capetele sale, 3 ', poartă o grupă -OH, în timp ce capătul 5' are gruparea liberă de fosfat.

Cele două fire sunt situate într-un mod antiparalel, ceea ce înseamnă că ele sunt situate opus polarităților lor, după cum urmează:

În plus, secvența unuia dintre toroane trebuie să fie complementară partenerului său, dacă este o poziție A, în firul antiparallel trebuie să existe un T.

organizație

În fiecare celulă umană există aproximativ două metri de ADN care trebuie ambalate eficient.

Lanțul trebuie să fie compactat astfel încât să poată fi conținut într-un miez microscopic de 6 μm în diametru care ocupă numai 10% din volumul celular. Acest lucru este posibil datorită următoarelor niveluri de compactare:

histone

În eucariote există proteine ​​numite histone, care au capacitatea de a se lega de molecula ADN, fiind primul nivel de compactare a catenei. Histonele au sarcini pozitive pentru a putea interacționa cu încărcăturile negative ale ADN-ului, contribuit de fosfații.

Histoanele sunt proteine ​​importante pentru organismele eucariote care au fost practic invariabile în cursul evoluției - amintindu-ne că un indice de mutație scăzut indică faptul că presiunile selective asupra moleculei menționate sunt puternice. Un defect în histone ar putea duce la o compactare defectuoasă în ADN.

Histonele pot fi modificate biochimic și acest proces modifică nivelul de compactare a materialului genetic.

Când histonele sunt "hipoacetilate", cromatina este mai condensată, deoarece formele acetilate neutralizează încărcăturile pozitive ale lizinelor (aminoacizii încărcați pozitiv) în proteină.

Nucleozomi și fibre de 30 nm

Lanțul de ADN se înfășoară în jurul histonilor și formează structuri care seamănă cu margelele pe un șir de perle, numite nucleozomi. În centrul acestei structuri sunt două copii ale fiecărui tip de histonă: H2A, H2B, H3 și H4. Unirea dintre diferitele histone se numește "histone octamer".

Octamerul este înconjurat de 146 de perechi de baze, oferind mai puțin de două rotații. O celulă diploidă umană conține aproximativ 6,4 x 109 nucleotide care sunt organizate în 30 de milioane de nucleozomi.

Organizarea în nucleozomi permite compactarea ADN-ului în mai mult de o treime din lungimea inițială.

Într-un proces de extracție a materialului genetic în condiții fiziologice se observă că nucleozomii sunt aranjați într-o fibră de 30 nanometri.

cromozomi

Cromozomii sunt unitatea funcțională a moștenirii, a cărei funcție este de a transporta genele unui individ. O genă este un segment de ADN care conține informația pentru a sintetiza o proteină (sau o serie de proteine). Cu toate acestea, există, de asemenea, gene care codifică elemente de reglementare, cum ar fi ARN.

Toate celulele umane (cu excepția gameților și a eritrocitelor din sânge) au două copii ale fiecărui cromozom, unul moștenit de la tată și celălalt de la mamă.

Cromozomii sunt structuri compuse dintr-o porțiune liniară lungă de ADN asociată cu complexele de proteine ​​menționate mai sus. În mod normal, în eucariote, tot materialul genetic inclus în nucleu este împărțit într-o serie de cromozomi.

Organizarea în prokaryotes

Procarioții sunt organisme care nu au un nucleu. La aceste specii, materialul genetic este foarte înfășurat împreună cu proteine ​​alcaline cu greutate moleculară mică. În acest fel, ADN-ul este compactat și localizat într-o regiune centrală a bacteriilor.

Unii autori numesc de obicei această structură "cromozom bacterian", deși nu are aceleași caracteristici ale unui cromozom eucariot.

Cantitatea de ADN

Nu toate speciile de organisme conțin aceeași cantitate de ADN. De fapt, această valoare este foarte variabilă între specii și nu există o relație între cantitatea de ADN și complexitatea organismului. Această contradicție este cunoscută drept "paradoxul valorii C".

Argumentarea logică ar fi să înțelegem că cu cât organismul este mai complex, cu atât are mai mult ADN pe care îl posedă. Totuși, acest lucru nu este adevărat.

De exemplu, genomul peliculei lungi Protopterus aethiopicus are o dimensiune de 132 pg (ADN poate fi cuantificat în picograme = pg) în timp ce genomul uman cântărește numai 3,5 pg.

Amintiți-vă că nu toate ADN-ul unui organism codifică proteinele, o cantitate mare de acest lucru este legată de elementele de reglementare și de diferitele tipuri de ARN.

Formele structurale ale ADN

Modelul Watson și Crick, dedus din modelele de difracție cu raze X, este cunoscut ca helixul B-ADN și este modelul "tradițional" și cel mai cunoscut. Cu toate acestea, există alte două forme diferite, numite ADN-A și ADN-Z.

ADN-A

Varianta "A" se întoarce spre dreapta, la fel ca ADN-B, dar este mai scurtă și mai largă. Această formă apare atunci când umiditatea relativă scade.

ADN-A se rotește la fiecare 11 perechi de baze, canelura majoră fiind mai îngustă și mai adâncă decât B-ADN-ul. În ceea ce privește canelura minoră, aceasta este mai superficială și mai largă.

Z-ADN

A treia variantă este Z-ADN-ul. Este cea mai îngustă formă, formată dintr-un grup de hexanucleotide organizate într-un duplex de lanțuri antiparalel. Una dintre cele mai izbitoare trăsături ale acestei forme este aceea că se întoarce spre stânga, în timp ce celelalte două forme o fac spre dreapta.

Z-ADN-ul apare atunci când există secvențe scurte de pirimidine și purine care alternează între ele. Canalul principal este plat și canelura minoră este îngustă și mai adâncă, comparativ cu B-ADN.

Deși în condiții fiziologice molecula ADN-ului este în mare parte în forma sa B, existența celor două variante descrise expune flexibilitatea și dinamismul materialului genetic.

funcții

Molecula ADN conține toate informațiile și instrucțiunile necesare pentru construirea unui organism. Se numește setul complet de informații genetice în organisme genomului.

Mesajul este codificat de "alfabetul biologic": cele patru baze menționate anterior, A, T, G și C.

Mesajul poate duce la formarea de diferite tipuri de proteine ​​sau cod pentru un element de reglementare. Procesul prin care aceste baze pot transmite un mesaj este explicat mai jos:

Replicare, transcriere și traducere

Mesajul criptat în cele patru litere A, T, G și C dă ca rezultat un fenotip (nu toate secvențele de ADN codifică proteinele). Pentru a realiza acest lucru, ADN-ul trebuie să se replice în fiecare proces de diviziune celulară.

Replicarea ADN-ului este semiconservatoare: o catenă servește ca un șablon pentru formarea noii molecule fiice. Diferitele enzime catalizează replicarea, incluzând primaza ADN, helicază ADN, ligază ADN și topoizomerază.

Ulterior, mesajul - scris într-un limbaj al secvenței de bază - trebuie transmis unei molecule intermediare: ARN (acid ribonucleic). Acest proces se numește transcriere.

Pentru ca transcripția să aibă loc, trebuie să participe diferite enzime, incluzând ARN polimeraza.

Această enzimă este responsabilă pentru copierea mesajului ADN și transformarea acestuia într-o moleculă de ARN mesager. Cu alte cuvinte, scopul transcrierii este acela de a obține mesagerul.

În cele din urmă, mesajul este tradus în molecule ARN mesager, datorită ribozomilor.

Aceste structuri iau ARN-ul mesagerului și împreună cu mecanismele de translație formează proteina specificată.

Codul genetic

Mesajul este citit în "tripleți" sau grupuri de trei litere care specifică pentru un aminoacid - blocurile structurale ale proteinelor. Este posibil să se descifreze mesajul tripletelor, deoarece codul genetic a fost deja complet dezvăluit.

Traducerea începe întotdeauna cu metionina aminoacidului, care este codificată de tripletul inițial: AUG. "U" reprezintă baza uracilului și este caracteristică ARN și înlocuiește timina.

De exemplu, dacă ARN-ul mesager are următoarea secvență: AUG CCU CUU UUU UUA, acesta este tradus în următorii aminoacizi: metionină, prolină, leucină, fenilalanină și fenilalanină. Rețineți că este posibil ca două triplete - în acest caz UUU și UUA - să codifice același aminoacid: fenilalanină.

Pentru această proprietate, se spune că codul genetic este degenerat, deoarece un aminoacid este codificat de mai multe secvențe de tripleți, cu excepția metioninei aminoacide care dictează începutul traducerii.

Procesul este oprit cu triplete specifice de terminare sau oprire: UAA, UAG și UGA. Ele sunt cunoscute sub numele de ocru, chihlimbar si opal, respectiv. Atunci când ribozomul le detectează, ele nu mai pot adăuga mai mult aminoacizi în lanț.

Proprietăți chimice și fizice

Acizii nucleici sunt de natură acidă și sunt solubili în apă (hidrofil). Este posibil să se producă legături de hidrogen între grupările fosfat și grupele hidroxil ale pentozei cu apă. Este încărcat negativ la pH fiziologic.

Soluțiile ADN sunt foarte vâscoase, datorită capacității de rezistență la deformarea spiralei dubli, care este foarte rigidă. Viscozitatea scade dacă acidul nucleic este monocatenar.

Sunt molecule foarte stabile. În mod logic, această caracteristică trebuie să fie indispensabilă în structurile care transporta informațiile genetice. Comparativ cu ARN, ADN-ul este mult mai stabil deoarece îi lipsește o grupare hidroxil.

ADN-ul poate fi denaturat prin căldură, adică firele se separă atunci când molecula este expusă la temperaturi ridicate.

Cantitatea de căldură care trebuie aplicată depinde de procentul G-C al moleculei, deoarece aceste baze sunt unite prin trei legături de hidrogen, mărind rezistența la separare.

În ceea ce privește absorbția luminii, ele au un vârf la 260 nanometri, care crește dacă acidul nucleic este o singură catenă, deoarece acestea expun inelele nucleotidelor și acestea sunt responsabile de absorbție.

evoluție

Potrivit lui Lazcano et al. 1988 ADN-ul apare în etape de tranziție de la ARN, fiind unul dintre cele mai importante evenimente din istoria vieții.

Autorii propun trei etape: o primă perioadă în care au existat molecule similare cu acizii nucleici, mai târziu genomurile au fost formate din ARN și ca o ultimă etapă au apărut genomii de ADN dublu bandă.

Unele dovezi susțin teoria unei lumi primare bazată pe ARN. Mai întâi, sinteza proteinelor poate să apară în absența ADN-ului, dar nu și atunci când lipsește ARN-ul. În plus, au fost descoperite molecule de ARN cu proprietăți catalitice.

În ceea ce privește sinteza deoxiribonucleotidelor (prezente în ADN), vin întotdeauna din reducerea ribonucleotidelor (prezente în ARN).

Inovația evolutivă a unei molecule de ADN trebuie să fi necesitat prezența enzimelor care sintetizează precursorii ADN și care participă la retrotranscripția ARN.

Prin studierea enzimelor curente, se poate concluziona că aceste proteine ​​au evoluat de mai multe ori și că tranziția de la ARN la ADN este mai complexă decât se credea anterior, incluzând procesele de transfer și pierdere de gene și înlocuirea neortologică.

Secvențierea ADN-ului

Secvențierea ADN constă în elucidarea secvenței liniei ADN în termenii celor patru baze care o compun.

Cunoașterea acestei secvențe are o mare importanță în științele biologice. Poate fi folosit pentru a face diferența între două specii foarte asemănătoare din punct de vedere morfologic, pentru a detecta bolile, patologiile sau paraziții și chiar a avea o aplicabilitate criminalistică.

Secventierea lui Sanger a fost dezvoltata in anii 1900 si este tehnica traditionala de a clarifica o secventa. În ciuda vârstei sale, este o metodă valabilă pe scară largă utilizată de cercetători.

Metoda lui Sanger

Metoda utilizează ADN polimeraza, o enzimă foarte fiabilă care replică ADN-ul în celule, sintetizând un nou lanț ADN folosind o altă orientare pre-existentă. Enzima necesită a în primul rând sau grund pentru a începe sinteza. Primerul este o moleculă mică de ADN complementară moleculei pe care doriți să o secvențializați.

În reacție, se adaugă nucleotide care urmează să fie încorporate în noul fir al ADN-ului prin enzimă.

În plus față de nucleotidele "tradiționale", metoda include o serie de dideoxinucleotide pentru fiecare dintre baze. Ele diferă de nucleotidele standard în două caracteristici: ele nu permit în mod structural ADN polimerazei să adauge mai multe nucleotide la lanțul fiică și să aibă un marker fluorescent diferit pentru fiecare bază.

Rezultatul este o varietate de molecule ADN de lungime diferită, deoarece dideoxinucleotidele au fost încorporate în mod aleatoriu și au oprit procesul de replicare în diferite etape.

Această varietate de molecule poate fi separată în funcție de lungimea lor și identitatea nucleotidelor este citită prin intermediul emisiei de lumină a etichetei fluorescente.

Secvențierea generațiilor noi

Tehnicile de secvențiere dezvoltate în ultimii ani permit analiza masivă a milioane de probe simultan.

Printre cele mai remarcabile metode se numără piroservenirea, secvențierea prin sinteză, secvențierea prin legare și secvențierea următoarei generații de către Ion Torrent.

referințe

  1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J. și colab. (2002). Biologie moleculară a celulei. Ediția a 4-a. New York: Știința Garland. Structura și funcția ADN-ului. Disponibil la: ncbi.nlm.nih.gov/
  2. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J. și colab. (2002). Biologie moleculară a celulei. Ediția a 4-a. New York: Știința Garland. ADN-ul cromozomal și ambalajul acestuia în fibră cromatină. Disponibil la: ncbi.nlm.nih.gov
  3. Berg, J.M., Tymoczko, J.L., Stryer, L. (2002). Biochimie. Ediția a 5-a. New York: W H Freeman. Secțiunea 27.1, ADN-ul poate presupune diversitatea formelor structurale. Disponibil la: ncbi.nlm.nih.gov
  4. Fierro, A. (2001). Scurt istoric al descoperirii structurii ADN. Rev Med Medici Las Condes, 20, 71-75.
  5. Forterre, P., Filée, J. & Myllykallio, H. (2000-2013) Originea și evoluția mașinilor de replicare a ADN-ului și ADN-ului. în: Madame Curie Bioscience Bază de date [Internet]. Austin (TX): Landes Bioscience. Disponibil la: ncbi.nlm.nih.gov
  6. Lazcano, A., Guerrero, R., Margulis, L. și Oro, J. (1988). Tranziția evolutivă de la ARN la ADN în celulele timpurii. Oficial al evoluției moleculare, 27(4), 283-290.
  7. Lodish, H., Berk, A., Zipursky, S. L., și colab. (2000). Biologie celulară moleculară. Ediția a 4-a. New York: W. H. Freeman.Secțiunea 9.5, Organizarea ADN-ului celular în cromozomi. Disponibil la: ncbi.nlm.nih.gov/books
  8. Voet, D., Voet, J.G., & Pratt, C.W. (1999). Fundamental al biochimiei. nou York: John Willey și fiii.