Δομή DNA | Μια αναλυτική εικόνα με όλες τις κρίσιμες πτυχές

Δομή DNA | Μια αναλυτική εικόνα με όλες τις κρίσιμες πτυχές

Περιεχόμενα

Δομή DNA: Βασικές επιλογές

  • Η αλυσίδα σακχάρων που συνδέονται με φωσφοδιεστερικούς δεσμούς θεωρείται η ραχοκοκαλιά του νουκλεϊκού οξέος. 
  • Αν και η ραχοκοκαλιά του φωσφορικού σακχάρου είναι συνεπής στο DNA και το RNA, οι νουκλεοτιδικές βάσεις ποικίλλουν από το ένα μονομερές στο άλλο. 
  • Οι νουκλεοτιδικές βάσεις προέρχονται από πουρίνη γουανίνη (G) και αδενίνη (Α), ενώ οι άλλες δύο από πυριμιδίνη ουρακίλη (U, RNA just) ή θυμίνη (T, DNA just) και cytosine (C).
  • Το Ν-1 μιας πυριμιδίνης ή το Ν-9 μιας πουρίνης συνδέεται με το C-1 σακχάρου.
  • Ένας κλώνος DNA έχει επίσης τερματικά ή άκρα παρόμοια με ένα πολυπεπτίδιο (καρβοξυ και αμινο τερματικά). Το ένα άκρο ή το τερματικό του κλώνου DNA έχει μια ελεύθερη 5 '- υδροξυλ (ή μια ομάδα 5'-υδροξυλ συνδεδεμένη σε μια φωσφορική ομάδα). Το αντίθετο τερματικό ή το άκρο έχει μια ομάδα 3 - υδροξυλίου. Κανένα από τα άκρα δεν συνδέεται με άλλο νουκλεοτίδιο. 
  • Η σύζευξη της νουκλεοτιδικής βάσης έχει ως αποτέλεσμα τη διευθέτηση του DNA σε μια ελικοειδή δομή δίκλωνου.
  • Ο Erwin Chargaff πρότεινε ότι οι αναλογίες γουανίνης προς κυτοσίνη και αδενίνης προς θυμίνης ήταν σχεδόν κάτι παρόμοιο σε όλα τα είδη που ελήφθησαν υπόψη. 
  • Η διαδικασία αναπαραγωγής αναφέρεται ως ημι-συντηρητικό για το DNA.
  • Η απλή δομή στελέχους βρόχου παρατηρείται όταν ένα νουκλεϊκό οξύ έχει συμπληρωματικές αλληλουχίες εντός του μορίου και σχηματίζει ζεύξη ενδομοριακής βάσης για σχηματισμό διπλών ελικοειδών δομών από ένα μόριο μορίου νουκλεϊκού οξέος.

Ποια είναι η δομή του DNA

Το σάκχαρο πεντόζης δεοξυριβόζη υπάρχει στη δομή του DNA (δεοξυριβονουκλεϊκό οξύ). Το πρόθεμά του δεοξυ αποδεικνύει ότι το άτομο 2 'άνθρακα του σακχάρου δεοξυριβόζης δεν έχει το άτομο οξυγόνου που υπάρχει με το μόριο άνθρακα 2' ριβόζης (το σάκχαρο σε ριβονουκλεϊκό οξύ ή RNA), όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Τα σάκχαρα πεντόζης σε νουκλεϊκά οξέα συνδέονται μεταξύ τους με δεσμούς φωσφοδιεστέρα.

Εικόνα: Δομή της ζάχαρης ριβόζης και δεοξυριβόζης που βρίσκονται στα RNA και DNA αντίστοιχα https://commons.wikimedia.org/wiki/File:The_difference_between_ribose_and_deoxyribose.png

Συγκεκριμένα, η ομάδα 3 'υδροξυλίου (3-ΟΗ) του σακχάρου ριβόζης ενός νουκλεοτιδίου σχηματίζει δεσμό εστέρα με το φωσφορικό άλας, αυτή η φωσφορική ομάδα συνδέεται επίσης με την ομάδα 5' ΟΗ του γειτονικού σακχάρου ριβόζης του γειτονικού νουκλεοτιδίου. Η αλυσίδα σακχάρων που συνδέεται με φωσφοδιεστερικούς δεσμούς θεωρείται ως η ραχοκοκαλιά του Νουκλεϊκού οξέος. 

Αν και η ραχοκοκαλιά του φωσφορικού σακχάρου είναι συνεπής στο DNA και το RNA, οι νουκλεοτιδικές βάσεις ποικίλλουν από το ένα μονομερές στο άλλο. 

Δύο από τις νουκλεοτιδικές βάσεις προέρχονται από πουρίνη γουανίνη (G) και αδενίνη (Α), ενώ οι άλλες δύο από πυριμιδίνη ουρακίλη (U, RNA just) ή θυμίνη (T, DNA just) και cytosine (C). Για να μάθετε περισσότερα για τα νουκλεοτίδια Κάνε κλικ εδώ

Μοριακή δομή του DNA

Κύριες δομικές γνώσεις: Τα νουκλεϊκά οξέα προσφέρουν 3-D λεπτομέρειες σχετικά με τη σύζευξη βάσεων νουκλεοτιδίων, τη δομή και διάφορες άλλες βασικές πτυχές του DNA και του RNA. 

Η μικρότερη μονάδα που αποτελείται από μια βάση προσαρτημένη σε ένα σάκχαρο πεντόζης αναφέρεται ως νουκλεοζίτη. Το RNA περιέχει τέσσερις τύπους μονάδων νουκλεοσιδίων, συγκεκριμένα:

κυτιδίνη, ουριδίνη, γουανοσίνη και αδενοσίνη, ενώ εκείνα στο DNA ονομάζονται δεοξυκυτιδίνη, δεοξυγουανοσίνη, δεοξυαδενοσίνη και θυμιδίνη (Ναι, θυμιδίνη, το έχετε ακούσει σωστά. Δεδομένου ότι δεν υπάρχει στο RNA, οπότε δεν χρειάζεται να γράψετε δεοξυ ως πρόθεμα) . 

Το Ν-1 μιας πυριμιδίνης ή το Ν-9 μιας πουρίνης συνδέεται με το C-1 σακχάρου. Η αζωτούχος βάση τοποθετείται πάνω από το επίπεδο του σακχάρου πεντόζης όταν ο σχεδιασμός θεωρείται από μια τυπική κατεύθυνση και προσανατολισμό. Αυτός ο τύπος διάταξης σύνδεσης Ν-γλυκοσιδικού αναφέρεται ως β. 

Ένα νουκλεοτίδιο είναι ένα νουκλεοζίτη που συνδέεται τουλάχιστον με μία φωσφορική ομάδα μέσω ενός εστέρα. Η πιο ευρέως αναγνωρισμένη θέση προσάρτησης εστεροποίησης και φωσφορικών ομάδων είναι συνήθως η ομάδα Ο-ΟΗ του σακχάρου πεντόζης. 

Το νουκλεοτίδιο δημιουργήθηκε όταν μια φωσφορική ομάδα συνδέεται με το C-5 σακχάρου που υπάρχει στο νουκλεοζίτη. Έτσι, είναι γνωστό ως 5 - νουκλεοτίδιο ή 5 - φωσφορικό νουκλεοζίτη. Ας πούμε, για παράδειγμα, το ATP ονομάζεται αδενοσίνη 5 - τριφωσφορική, και η 3 - dGMP είναι γνωστή ως δεοξυγουανοσίνη 3 - μονοφωσφορική. 

Αυτό το νουκλεοτίδιο είναι διαφορετικό από το ΑΤΡ στο ότι περιέχει γουανίνη αντί για αδενίνη. Περιέχει δεοξυριβόζη αντί για ριβόζη (φαίνεται από το πρόθεμα "d"). Περιλαμβάνει μία φωσφορική ομάδα αντί για τρεις. Έχει το φωσφορικό εστεροποιημένο στην ομάδα 3-ΟΗ αντί της θέσης 5 '.

Τα νουκλεοτίδια είναι μονομερή που συνδέονται μεταξύ τους για τη σύνθεση RNA και DNA. Οι μονάδες νουκλεοτιδίων που βρίσκονται στο DNA είναι τεσσάρων τύπων, και συγκεκριμένα:  

δεοξυκυτιδυλικό, δεοξυγουανυλικό, δεοξυαδενυλικό και δεοξυθυμιδυλικό (ή θυμιδυλικό). 

Σημαντική σημείωση: Το θυμιδυλικό περιέχει δεοξυριβόζη. Όμως, το πρόθεμα δεοξυ δεν προστίθεται επειδή τα νουκλεοτίδια θυμίνης δεν βρίσκονται ή βρίσκονται σημαντικά λιγότερο συχνά στο RNA. 

Οι συντομογραφίες όπως pACG ή pApCpG σημαίνουν ένα τρινουκλεοτίδιο DNA που περιλαμβάνει μονοφωσφορικό δεοξυαδενυλικό, μονοφωσφορικό δεοξυκυτιδυλικό και μονοφωσφορικό δεοξυγουανυλικό που συνδέεται με δεσμό φωσφοδιεστέρα, εδώ «ρ» σημαίνει φωσφορική ομάδα. 

Το άκρο 5 'θα έχει συνήθως ένα φωσφορικό άλας συνδεδεμένο με την ομάδα 5 - υδροξυλίου. 

Σημαντική σημείωση: Ένας κλώνος DNA έχει επίσης τερματικά ή άκρα παρόμοια με ένα πολυπεπτίδιο (καρβοξυ και αμινο τερματικά). 

Το ένα άκρο ή το τερματικό του κλώνου DNA έχει μια ελεύθερη 5 '- υδροξυλ (ή μια ομάδα 5'-υδροξυλίου συνδεδεμένη με μια φωσφορική ομάδα). Το αντίθετο τερματικό ή το άκρο έχει μια ομάδα 3 - υδροξυλίου. Κανένα από τα άκρα δεν συνδέεται με άλλο νουκλεοτίδιο. 

Κατά κανόνα αντίχειρα, η αλληλουχία νουκλεοτιδικών βάσεων νουκλεϊκού οξέος γράφεται με κατεύθυνση 5 ′ έως 3 ′. 

Επομένως, η αλληλουχία ACG δείχνει ότι η ελεύθερη 5'-υδροξυλομάδα υπάρχει στο δεοξυαδενυλικό, ενώ η ελεύθερη ομάδα 3--υδροξυλίου είναι ρεύμα στο δεοξυγουανυλικό. Λόγω αυτής της πολικότητας, τα ACG και GCA θεωρούνται ως διαφορετικά σύνολα ακολουθιών.

Ποιος ανακάλυψε τη δομή του DNA

Η παρουσία συμπληρωματικού ζευγαρώματος βάσεων βρέθηκε σε όλες τις μελέτες που συντονίστηκαν για την απόφαση του τρισδιάστατου σχεδιασμού του DNA. Οι Rosalind Franklin και Maurice Wilkins έλαβαν εικόνες περίθλασης ακτίνων Χ από κλώνους DNA.

Εικόνα: Εικόνα περίθλασης ακτίνων Χ του DNA https://commons.wikimedia.org/wiki/File:ABDNAxrgpj.jpg#/media/File:ABDNAxrgpj.jpg

Τα χαρακτηριστικά αυτών των μοτίβων περίθλασης έδειξαν ότι το DNA κατασκευάστηκε από δύο αλυσίδες που τυλίχθηκαν μεταξύ τους σε ένα τυπικό ελικοειδές σχέδιο. Από αυτό και πρόσθετες σχετικές πληροφορίες, οι James Watson και Francis Crick δημιούργησαν ένα πρωτεύον μοντέλο για το DNA που αντιπροσώπευε το σχέδιο περίθλασης και αποτέλεσε επίσης την πηγή μερικών εκπληκτικών γνώσεων γνώσης σχετικά με τις δομικές ιδιότητες του DNA. 

Δομή DNA
Σχήμα: Watson και Crick μοντέλο δομής DNA
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:DNA_scale_model.png

Τα κυριότερα σημεία του μοντέλου DNA Watson-Crick που ερμηνεύεται από τα σχέδια περίθλασης είναι: 

  1. Οι κλώνοι διπλού ελικοειδούς πολυνουκλεοτιδίου περιστρέφονται γύρω από έναν μόνο άξονα. Οι αλυσίδες πολυνουκλεοτιδίων κινούνται με αντι-παράλληλους τρόπους ή αντίθετες κατευθύνσεις. 
  2. Η ραχοκοκαλιά που αποτελείται από σάκχαρο και φωσφορικό άλας υπάρχει στην εξωτερική επιφάνεια του DNA και, με αυτόν τον τρόπο, η πουρίνη και η πυριμιδίνη τοποθετούνται εντός της διπλής έλικας του DNA. 
  3. Οι αζωτούχες βάσεις τοποθετούνται σχεδόν κάθετα στον ελικοειδή άξονα και οι επόμενες εντολές διαχωρίζονται με 3.4. Έτσι, μία στροφή της σπειροειδούς δομής ολοκληρώνεται μετά από κάθε 34 Å. Έτσι, δέκα βάσεις ανά στροφή μιας έλικας (34 Å ανά στροφή/3.4 Å ανά βάση). Ως εκ τούτου, μια στροφή 36 μοιρών ανά βάση (360 μοίρες για κάθε συνολική στροφή / 10 βάσεις για κάθε στροφή) υφίσταται μετά από κάθε επόμενη ενσωμάτωση βάσης. 
  4. 4. Η απόσταση μεταξύ των δύο κλώνων της διπλής έλικας DNA είναι 20 Å.

Δομή και αναπαραγωγή DNA

Το DNA και το RNA είναι μακρά (συνήθως γραμμικά) πολυμερή γενικά γνωστά ως νουκλεϊκά οξέα, τα οποία είναι υπεύθυνα για τη μεταφορά γενετικών (ή κληρονομικών) πληροφοριών στους απογόνους από τους γονείς. Αυτά τα βιο-μακρομόρια περιλαμβάνουν πολλά συνδεδεμένα νουκλεοτίδια, καθένα φτιαγμένο από σάκχαρο πεντόζης, φωσφορική ομάδα και αζωτούχο βάση. Τα σάκχαρα ριβόζης που συνδέονται με ομάδες φωσφορικών σχηματίζουν μια τυπική και κοινή ραχοκοκαλιά του DNA. Οι αζωτούχες βάσεις που υπάρχουν στο DNA είναι τεσσάρων βασικών τύπων. Οι κληρονομικές γενετικές πληροφορίες αποθηκεύονται σε μια νουκλεοτιδική αλληλουχία στον κλώνο πολυνουκλεοτιδίου (νουκλεϊκό οξύ).

Οι βάσεις έχουν μια εξαιρετική ιδιότητα: συνδυάζονται ρητά μεταξύ τους που σταθεροποιούνται και διευθετούνται από μη ομοιοπολικές αλληλεπιδράσεις όπως δεσμούς υδρογόνου. 

Η σύζευξη της νουκλεοτιδικής βάσης έχει ως αποτέλεσμα τη διευθέτηση του DNA σε μια ελικοειδή δομή δίκλωνου. Αυτά τα ζεύγη βάσεων νουκλεοτιδίων δίνουν τη δυνατότητα αναπαραγωγής της κληρονομικής (γενετικής) πληροφορίας που υπάρχει στον κλώνο νουκλεϊκού οξέος προτύπου στον πρόσφατα συντεθέντα κλώνο νουκλεϊκού οξέος. 

Σχήμα: Σχηματική αναπαράσταση της αντιγραφής του DNA
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:0323_DNA_Replication.jpg

Αν και το RNA πιθανώς λειτούργησε ως κληρονομικό υλικό πολύ νωρίτερα, σύμφωνα με την εξελικτική ιστορία, τα γονίδια πολλών ιών και κυττάρων αποτελούνται από DNA. Η DNA πολυμεράση είναι υπεύθυνη για τη σύνθεση (αναπαραγωγή) του DNA. Αυτά τα άψογα ρητά ένζυμα αντιγράφουν αλληλουχίες νουκλεοτιδίων από πρότυπα DNA με ρυθμό λάθους κάτω από 1 από τα 100 εκατομμύρια βάσεις νουκλεοτιδίων.

Διπλή έλικα δομή του DNA

Η δομή των νουκλεϊκών οξέων αντιπροσωπεύει την ικανότητά τους να μεταδίδουν γενετικές πληροφορίες ως μια διάταξη βάσεων νουκλεοτιδίων κατά μήκος μιας αλυσίδας νουκλεϊκού οξέος. Μια άλλη ιδιότητα του νουκλεϊκού οξέος είναι η αντιγραφή, δηλαδή η 

Σύνθεση δύο αντιγράφων νουκλεϊκού οξέος από ένα αντίγραφο χρησιμοποιώντας ως πρότυπο. Αυτά τα χαρακτηριστικά εξαρτώνται από τους τύπους βάσεων νουκλεοτιδίων που βρίσκονται στα νουκλεϊκά οξέα για να σχηματίσουν συμπληρωματικό ζεύγος βάσεων για τη σύνθεση ελικοειδούς σχεδιασμού που περιλαμβάνει δύο κλώνους. Έτσι, η δομή διπλής έλικας DNA προάγει την αντιγραφή του κληρονομικού υλικού.

Πώς είναι μια εξαιρετικά τακτική κατασκευή έτοιμη να φιλοξενήσει μια αυτο-διεκδικητική ακολουθία βάσεων, λαμβάνοντας υπόψη τα διάφορα σχήματα και μεγέθη των πυριμιδινών και των πουρινών; Προσπαθώντας να απαντήσει σε αυτήν την ερώτηση, οι Watson και Crick διαπίστωσαν ότι η γουανίνη μπορεί να συνδυαστεί με κυτοσίνη και η αδενίνη μπορεί να ζευγαρωθεί με θυμίνη σε πλαίσιο ζευγών βάσεων που έχει παρόμοιο σχήμα. 

Εικόνα: Σύζευξη αζωτούχων βάσεων στο DNA https://commons.wikimedia.org/wiki/File:DNA_chemical_structure.svg

Αυτά τα ζεύγη βάσεων νουκλεοτιδίων συγκρατούνται μαζί από μη ομοιοπολικές δυνάμεις που είναι δεσμοί υδρογόνου. Αυτό το σχέδιο αντιστοίχισης βάσεων υποστηρίχθηκε από προηγούμενες έρευνες για τη βασική σύνθεση του DNA από διάφορα είδη. 

Το 1950, ο Erwin Chargaff πρότεινε ότι οι αναλογίες γουανίνης προς κυτοσίνη και αδενίνης προς θυμίνη ήταν σχεδόν κάτι παρόμοιο σε όλα τα είδη που λαμβάνονται υπόψη. 

Η σημασία αυτών των ισοδυναμιών δεν ήταν εμφανής έως ότου δόθηκε το μοντέλο Watson-Crick όταν αποδείχθηκε σαφές ότι αφορούν μια θεμελιώδη πτυχή της δομής του DNA. 

Ο διαχωρισμός περίπου 3.4 'μεταξύ των ακόλουθων ζευγών βάσεων είναι πολύ εμφανής στο σχέδιο περίθλασης του διπλού ελικοειδούς DNA. 

Η συσσώρευση βάσεων νουκλεοτιδίων παρέχει επιπλέον σταθερότητα στη δομή DNA με διπλό τρόπο.

Κατ 'αρχάς, τα γειτονικά ζεύγη βάσεων έλκονται το ένα προς το άλλο μέσω των δυνάμεων του van der Waals. Ωστόσο, οι δυνάμεις Van der Waals είναι ελάχιστες, σε τέτοιο βαθμό που αυτές οι συσχετίσεις συνεισφέρουν από 0.5 έως 1.0 kcal ανά άτομο ανά γραμμομόριο. 

Στην διπλή έλικα του DNA, σε κάθε περίπτωση, αμέτρητα άτομα επηρεάζουν τις δυνάμεις του van der Waals και η καθαρή πρόσκρουση που προστίθεται σε αυτά τα άτομα είναι σημαντική. Επιπλέον, η διπλή έλικα του DNA σταθεροποιείται επίσης από τις υδρόφοβες αλληλεπιδράσεις με αποτέλεσμα την έκθεση πολικών ομάδων στην επιφάνεια της διπλής έλικας του DNA και υδρόφοβων ομάδων στο εσωτερικό της δομής. 

Η στοίβαξη βάσης σε DNA προτιμάται από τη συμμόρφωση με τους άκαμπτους πενταμελείς δακτυλίους που υπάρχουν στον σκελετό φωσφορικού σακχάρου. Η άκαμπτη φύση των σακχάρων επηρεάζει τόσο τις μονόκλωνες όσο και τις δίκλωνες δομές του DNA.

Διαρθρωτικές διαφορές μεταξύ DNA και RNA

Το RNA, παρόμοιο με το DNA, είναι ένα μακρύ και μη διακλαδισμένο πολυμερές που περιλαμβάνει νουκλεοτίδια συνδεδεμένα με 3 '5' φωσφοδιεστερικούς δεσμούς. 

Ο ομοιοπολικός σχεδιασμός του RNA έρχεται σε αντίθεση με αυτόν του DNA από δύο απόψεις. Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως και όπως φαίνεται από το όνομά του, οι υπομονάδες σακχάρου στο RNA είναι Ribose σε αντίθεση με τις δεοξυριβόζες. Δεύτερον, το Ribose περιέχει μια ομάδα 2 'OH, η οποία δεν υπάρχει στην δεοξυριβόζη. 

Εικόνα: Εικόνα για την απεικόνιση της Διαρθρωτικής Διαφοράς μεταξύ DNA και RNA
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Difference_DNA_RNA-EN.svg

Ως αποτέλεσμα, μαζί με τον τυπικό σύνδεσμο φωσφοδιεστέρα 3 '5', είναι εφικτός ένας άλλος σύνδεσμος φωσφοδιεστέρα 2 '5' για το RNA. Αυτή η σύνδεση φωσφοδιεστερικού 2 '5' είναι σημαντική στην αποβολή ιντρονίων και στη σύνδεση εξονίων για τη διευθέτηση ώριμου mRNA. 

Η άλλη αντίθεση είναι ότι μία από τις τέσσερις βάσεις νουκλεοτιδίων που βρίσκονται στο RNA είναι η ουρακίλη (U) και όχι η θυμίνη (Τ). 

Σημαντική σημείωση: Κάθε σύνδεση φωσφοδιεστέρα έχει αρνητικό φορτίο. Αυτό το αρνητικό φορτίο αποκρούει τα πυρηνόφιλα είδη, για παράδειγμα, 

ιόντα υδροξειδίου; Στη συνέχεια, οι δεσμοί φωσφοδιεστέρα είναι πολύ λιγότερο αντιδραστικοί έναντι της υδρολυτικής προσβολής από τους άλλους εστέρες όπως οι εστέρες του καρβοξυλικού οξέος. 

Αυτή η απόφραξη είναι κρίσιμη για τη διατήρηση της ακεραιότητας των γενετικών πληροφοριών που είναι αποθηκευμένες στα νουκλεϊκά οξέα. Επιπλέον, η δέσμη 2 '- υδροξυλίου στο DNA ενισχύει περαιτέρω την προστασία της από την υδρόλυση. 

Η ανώτερη σταθερότητα του DNA αντιπροσωπεύει πιθανώς τη χρήση του αντί του RNA ως γενετικό υλικό σε κάθε κύτταρο και την πλειοψηφία των ιών.

Ένα νουκλεϊκό οξύ αποτελείται από τέσσερα είδη βάσεων που συνδέονται με έναν σκελετό ζάχαρης-φωσφορικών

Το RNA και το DNA είναι κατάλληλα για να λειτουργήσουν ως μεταφορείς γενετικών πληροφοριών χρησιμοποιώντας ομοιοπολικές κατασκευές τους. Αυτά τα μακρομόρια (πολυμερή) αναπτύσσονται από άκρο σε άκρο συνδέσεις των μονομερών μονάδων τους. Κάθε μονομερής μονάδα (νουκλεοτίδιο) μέσα στο πολυμερές (νουκλεϊκό οξύ: DNA ή RNA) περιλαμβάνει τρία θεμελιώδη συστατικά: μια αζωτούχα βάση, ένα σάκχαρο πεντόζης και μια φωσφορική ομάδα. Η διάταξη των βάσεων απεικονίζει εξαιρετικά ένα νουκλεϊκό οξύ και αντιμετωπίζει μια γραμμική μορφή γενετικών πληροφοριών.

Τα γονίδια μεταφράζουν τον τύπο των πρωτεϊνών που απαιτούνται από τα κύτταρα. Ωστόσο, το DNA δεν είναι το άμεσο πρότυπο για τη σύνθεση πρωτεϊνών. 

Το άμεσο πρότυπο για τη σύνθεση πρωτεΐνης είναι το RNA (ριβονουκλεϊκό οξύ). Συγκεκριμένα, μια κατηγορία RNA, γνωστή ως το αγγελιοφόρο RNA (mRNA), δρα ως φορέας πληροφοριών για τη σύνθεση πρωτεϊνών. Άλλα RNA, όπως ριβοσωματικό RNA (rRNA) και RNA μεταφοράς (tRNA), παίζουν επίσης ουσιαστικό ρόλο στη σύνθεση πρωτεϊνών. Οι πολυμεράσες RNA συνθέτουν όλους τους τύπους κυτταρικού RNA για τη λήψη οδηγιών από πρότυπα DNA. Το mRNA παράγεται ως απόκριση σε γεγονότα μεταγραφής, ενώ αυτό το mRNA δρα ως πρότυπο για μετάφραση, το οποίο τελικά οδηγεί στο σχηματισμό πρωτεϊνών.

Αυτή η εξέλιξη των γενετικών πληροφοριών εξαρτάται αποκλειστικά από τον γενετικό κώδικα, ο οποίος χαρακτηρίζει τη σύνδεση μεταξύ της αλληλουχίας νουκλεοτιδικών βάσεων στο DNA (ή στο μεταγραφόμενο mRNA) και της αλληλουχίας αμινοξέων σε μια πρωτεΐνη. 

Ο γενετικός κώδικας είναι σχεδόν πανομοιότυπος σε όλες τις μορφές ζωής: μια ομαδοποίηση τριών βάσεων, που ονομάζεται κωδικόνιο, καθορίζει ένα αμινοξύ. Τα κωδικόνια στο mRNA διαλέγονται διαδοχικά από μόρια tRNA, τα οποία δρουν ως μόριο προσαρμογής κατά τη διάρκεια της σύνθεσης πρωτεΐνης σε ριβοσώματα. 

Τα ριβοσώματα είναι οι σύνθετοι συνδυασμοί των rRNA και περίπου 50 άλλων τύπων πρωτεϊνών. 

Το τελευταίο θέμα που πρέπει να ληφθεί υπόψη είναι η διακοπείσα ιδιότητα των περισσότερων γονιδίων που βρίσκονται στα ευκαρυωτικά. παρουσιάζουν εξόνια και ιντρόνια, τα οποία δρουν ως ψηφιδωτά αλληλουχιών νουκλεϊκών οξέων. Τόσο τα εξόνια όσο και τα ιντρόνια μεταγράφονται μέσω DNA. Ωστόσο, τα ιντρόνια απομακρύνονται από ώριμα μόρια mRNA. Έτσι, η παρουσία ιντρονίων και εξονίων έχει κρίσιμη σημασία στην εξέλιξη των πρωτεϊνών.

Γενετική ικανότητα μεταφοράς DNA

Ένα εντυπωσιακό χαρακτηριστικό ενός κλώνου ή θραύσματος DNA είναι το μήκος του. Ένας κλώνος DNA πρέπει να περιλαμβάνει πολυάριθμα νουκλεοτίδια για τη μεταφορά των γενετικών πληροφοριών ζωτικής σημασίας για τον οργανισμό. Για παράδειγμα, το DNA του 

Πολυϊός, ο οποίος μπορεί να προκαλέσει κακοήθεια σε αρκετούς μικροοργανισμούς, το DNA του έχει μήκος έως και 5100 νουκλεοτίδια. 

Μπορούμε να υπολογίσουμε τις γενετικές πληροφορίες που μεταφέρουν την ικανότητα των νουκλεϊκών οξέων με συνοδευτικό τρόπο. 

Κάθε θέση σε μια διπλή έλικα DNA είναι ένα ζεύγος νουκλεοτιδικών βάσεων, που το συνδέει με δύο δυαδικά ψηφία πληροφοριών (22 = 4). 

εάν, μια αλυσίδα νουκλεϊκών οξέων έχει 5100 νουκλεοτίδια, σχετίζεται με 2 × 5100 = 10,200 bit πληροφοριών 

ή 1275 byte πληροφοριών ως (1 byte = 8 bit)

Το γονιδίωμα του Ε. Coli είναι ένα μόριο DNA με τη μορφή ενός κυκλικού χρωμοσωμικού. Περιλαμβάνει δύο αλυσίδες 4.6 εκατομμυρίων νουκλεοτιδίων που σχετίζονται με 9.2 εκατομμύρια bit, ή 1.15 megabytes, δεδομένων. 

Το DNA στα ανώτερα σπονδυλωτά είναι πολύ μεγαλύτερα μόρια. Για παράδειγμα, το ανθρώπινο γονιδίωμα περιλαμβάνει περίπου 3 δισεκατομμύρια νουκλεοτίδια, χωρισμένα μεταξύ 24 χρωμοσωμάτων [22 αυτοσωμάτων, x και y αλλοσωμάτων (χρωμοσώματα φύλου)] διαφόρων μεγεθών. 

Ένα από τα πιο σημαντικά γνωστά μόρια DNA είναι ένα ασιατικό ελάφι (το ινδικό muntjak). Το γονιδίωμά του είναι τόσο εκτεταμένο όσο το ανθρώπινο γονιδίωμα, αλλά υπάρχει μόνο σε τρία χρωμοσώματα. 

Το μεγαλύτερο από αυτά τα χρωμοσώματα έχει περισσότερα από 1 δισεκατομμύριο νουκλεοτίδια. Εάν ένα τέτοιο σωματίδιο DNA μπορούσε να επεκταθεί πλήρως, θα εκτείνονταν περισσότερο από 1 πόδι σε μήκος. Μερικά φυτά περιέχουν επίσης σημαντικά μεγαλύτερα σωματίδια DNA.

Μετάδοση γενετικών πληροφοριών

Η διπλή ελικοειδής δομή του DNA και η παρουσία ζευγών νουκλεοτιδικών βάσεων απεικονίζουν τη διαδικασία αντιγραφής του γενετικού υλικού. Η νουκλεοτιδική αλληλουχία βάσης ενός κλώνου της διπλής έλικας DNA αποφασίζει την ακολουθία βάσης νουκλεοτιδίου του άλλου κλώνου. το ζεύγος βάσεων του συμπληρωματικού κλώνου γίνεται σύμφωνα με τον κανόνα του Chargaff. Με αυτόν τον τρόπο, 

Ο διαχωρισμός των κλώνων της διπλής έλικας DNA λειτουργεί ως πρότυπο για τη σύνθεση δύο νέων κλώνων. Αυτοί οι νεοσυσταθέντες κλώνοι έχουν την ίδια ακολουθία με εκείνη του γονικού DNA επειδή και οι δύο κλώνοι υφίστανται αντιγραφή.

Στη συνέχεια, καθώς το DNA συντίθεται (αναπαράγεται), μία από τις αλυσίδες κάθε θυγατρικού DNA θα είναι από το μητρικό DNA και μια άλλη αλυσίδα συντίθεται πρόσφατα. Ένας ημισυντηρητικός μηχανισμός αντιγραφής DNA επιτυγχάνει αυτή τη διάδοση των γονικών κλώνων DNA. 

Οι Franklin Stahl και Matthew Meselson έκαναν μια εισαγωγική δοκιμή αυτής της θεωρίας το 1958. Πρώτον, σημείωσαν το γονικό DNA με 15Ν, ένα βαρύτερο ισότοπο αζώτου, έτσι ώστε το συντεθειμένο DNA να γίνει πυκνότερο από το κανονικό DNA. Στη συνέχεια, το επισημασμένο DNA παρήχθη από Ε. Οοϋ, αναπτύσσοντας σε ένα μέσο που περιείχε 15ΝΗ4ΟΙ ως τη μόνη πηγή αζώτου. Αφού ολοκληρώθηκε το στάδιο αντιγραφής χρησιμοποιώντας το βαρύτερο άζωτο, τα κύτταρα Ε. Οοϋ μετακινήθηκαν στη συνέχεια σε ένα μέσο που περιείχε 14Ν, το τυπικό ισότοπο του αζώτου. 

Μια γενική ερώτηση σε κάθε μυαλό αυτή τη στιγμή είναι: Ποια είναι η διάδοση των 14Ν και 15Ν στα σωματίδια του DNA μετά από επακόλουθους κύκλους αντιγραφής; 

Η διάταξη των 14Ν και 15Ν αποκαλύφθηκε με τη στρατηγική της φυγοκέντρησης ή της καθίζησης της βαθμίδας πυκνότητας. Πρώτον, μια μικρή ποσότητα DNA διαλυτοποιήθηκε σε πυκνό διάλυμα χλωριούχου καισίου πυκνότητας (1.7 g cm3) κοντά στο πάχος του DNA. 

Αυτό το διάλυμα αργότερα φυγοκεντρήθηκε και εξισορροπήθηκε. Η εξισορρόπηση και η διάχυση σχημάτισαν μια κλίση της συγκέντρωσης χλωριούχου καισίου στον σωλήνα φυγοκέντρησης, η οποία κατέληξε στο σχηματισμό κλίσης πυκνότητας (1.66 - 1.76 g cm3).

Τα θραύσματα DNA κινούνται (υπό την επίδραση της φυγοκεντρικής δύναμης) σύμφωνα με τις αντίστοιχες πυκνότητές τους στον σωλήνα φυγοκέντρησης που περιέχει βαθμίδα πυκνότητας χλωριούχου καισίου.

Το DNA συσσωρεύτηκε και σχημάτισε μια στενή λωρίδα που αναγνωρίστηκε από την εγγενή ιδιότητά του να απορροφά υπεριώδες φως. Το υβρίδιο των 14Ν DNA και 15N DNA κλώνων έδειξε μια διακριτή ζώνη δεδομένου ότι έχει πυκνότητα μεταξύ του 14N duplex και 15 N duplex. 

Το DNA ελήφθη από τα κύτταρα Ε. Coli σε διαφορετικούς χρόνους μετά από μετακίνηση από ένα 15Ν σε ένα μέσο ανάπτυξης που περιείχε 14Ν και στη συνέχεια φυγοκεντρήθηκε. 

Η διερεύνηση των δειγμάτων DNA έδειξε ότι μία μόνο ζώνη υβριδικού DNA παρατηρήθηκε μετά από μία γενιά. Η ζώνη βρέθηκε κάπου μεταξύ των ζωνών πυκνότητας 14N DNA και 15N DNA. Η απουσία της ζώνης 15Ν DNA αντικατοπτρίζει ότι το γονικό DNA δεν διατηρήθηκε πλήρως κατά τη διάρκεια της αντιγραφής. 

Επιπλέον, η απουσία ζώνης DNA 14Ν υποδηλώνει ότι όλο το θυγατρικό DNA αποτελείται από ένα κλώνο DNA 15Ν. Αυτός ο λόγος πρέπει να είναι μισός, επειδή η πυκνότητα της υβριδικής ζώνης DNA ήταν κάπου μεταξύ των πυκνοτήτων του DNA 14Ν και του DNA 15Ν. 

Μετά από δύο διαιρέσεις σε βακτήρια, υπήρχε ισοδύναμη ποσότητα ταινιών DNA. Το ένα ήταν η ζώνη του υβριδικού DNA και η δεύτερη ζώνη ήταν 14Ν DNA. Οι Stahl και Meselson ερμήνευσαν από αυτές τις έρευνες «ότι λαμβάνει χώρα ίση διαίρεση αζώτου στο μόριο DNA και κάθε θυγατρικό μόριο λαμβάνει ένα κλώνο DNA με 14 N και άλλο με 15N. Έτσι, η διαδικασία αντιγραφής αναφέρεται ως ημισυντηρητική για το DNA.

Τα αποτελέσματα των πειραμάτων των Meselson και Stahl ακολουθούν το μοντέλο αναπαραγωγής DNA που πρότειναν οι Watson και Crick.

Εικόνα: Πειραματικός σχεδιασμός του πειράματος Meselson και Stahl
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:OSC_Microbio_11_02_MesStahl.jpg

Τριτοβάθμια δομή του DNA

Μερικά μόρια DNA είναι κυκλικά και υπερ-περιτυλιγμένα

Το DNA στα ανθρώπινα χρωμοσώματα έχει γραμμική δομή. Ωστόσο, μελέτες όπως η ηλεκτρονική μικροσκοπία αποκάλυψαν ότι κυκλικά μόρια DNA βρίσκονται επίσης σε ορισμένους οργανισμούς. 

Σημαντική σημείωση: Η λέξη κυκλική χρησιμοποιείται για να αναφέρει τη συνέχεια του μορίου DNA, όχι για τη μορφολογική του εμφάνιση.

Το μόριο DNA που υπάρχει στο κυτταρικό περιβάλλον βρίσκεται συνήθως σε ελάχιστο και συμπαγές σχήμα.

Σημείωση:  Ένα πλήρως τεντωμένο χρωμόσωμα του Ε. Coli έχει περίπου 1000 φορές τη διάμετρο του. 

Ένα άλλο μοναδικό χαρακτηριστικό ήρθε στο φως όταν το DNA μετατρέπεται σε κυκλική μορφή από γραμμικό. Ο ελικοειδής άξονας στρίβει για να παράγει μια υπερ-έλικα 

Ένα μόριο κυκλικού DNA χωρίς υπερελικές στροφές αναφέρεται ως χαλαρό μόριο κυκλικού DNA. 

Το Supercoiling είναι ένα βιολογικό φαινόμενο που συμβαίνει για τους ακόλουθους δύο λόγους:

- Το υπερ-τυλιγμένο DNA είναι πολύ πιο συμπαγές από το χαλαρό DNA. 

- Δεύτερον, το supercoiling ρυθμίζει τις δυνατότητες ξετυλίγματος και αλληλεπίδρασης της διπλής έλικας DNA.

Δομική ανάλυση μονόκλωνου DNA

Μονοκλωνικά μόρια νουκλεϊκών οξέων συνήθως εμφανίζουν ενδομοριακή επικάλυψη για υιοθέτηση διαφορετικών δομών. Έτσι, κατά τη διάρκεια της εξέλιξης, τα νουκλεϊκά οξέα προσαρμόστηκαν διάφορες δομές και διαμορφώσεις για τη μετάδοσή τους και αποθηκεύτηκαν τις γενετικές πληροφορίες, ειδικά τα μόρια RNA. 

Αυτές οι επιβεβαιώσεις και οι δομές είναι επίσης απαραίτητες για ανώτερους οργανισμούς, όπως τα ριβοσώματα, τα οποία είναι μια πολύπλοκη σύνδεση RNA και πρωτεϊνών και παίζουν καθοριστικό ρόλο στη σύνθεση πρωτεϊνών. 

Συχνά παρατηρείται ότι μια απλή δομή στελέχους βρόχου παρατηρείται όταν ένα νουκλεϊκό οξύ έχει συμπληρωματικές αλληλουχίες εντός του μορίου και σχηματίζει ζεύξη ενδομοριακών βάσεων για σχηματισμό διπλών ελικοειδών δομών από ένα μόριο μορίου νουκλεϊκού οξέος.

Γενικά, αυτές οι διπλές ελικοειδείς δομές κατασκευάζονται σύμφωνα με το σχέδιο ζεύξης βάσεων Watson-Crick. Ωστόσο, αυτές οι δομές περιέχουν επίσης μερικές ασυναγώνιστες βάσεις (εμφανίζονται ως διογκωμένη περιοχή) και αναντιστοιχίες ζεύγη βάσεων.

Αυτή η αναντιστοιχία επηρεάζει τη λειτουργία και την αναδίπλωση υψηλότερης τάξης της διπλής έλικας DNA προκαλώντας αποκλίσεις από την τυπική δομή και αποσταθεροποιώντας την τοπική δομή των νουκλεϊκών οξέων.

Τα μονόκλωνα νουκλεϊκά οξέα μπορούν να επιτύχουν πολύ πιο περίπλοκες δομές από τους βρόχους των στελεχών αλληλεπιδρώντας με τις βάσεις που βρίσκονται μακριά η μια από την άλλη. Για το σκοπό αυτό, τουλάχιστον τρεις βάσεις μπορούν να συσχετιστούν με τη σταθεροποίηση αυτών των δομών. 

Εικόνα: Δομή βλαστού βρόχου που βρίσκεται γενικά στα νουκλεϊκά οξέα
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Stem-loop.svg

Σε τέτοιες περιπτώσεις, οι δέκτες και οι δότες δεσμών υδρογόνου που συμμετέχουν γενικά στο ζεύγος βάσεων Watson-Crick μπορούν επίσης να συμμετέχουν στη σύνδεση υδρογόνου σε μη τυπικά ζεύγη βάσεων. Επιπλέον, ιόντα ισχυρών μετάλλων όπως το μαγνήσιο (Mg2 +) συμμετέχουν ενεργά στη σταθεροποίηση αυτών των δομών.

συμπεράσματα

σε αυτό το άρθρο έχουμε συζητήσει λεπτομερώς για τη δομή του DNA για να αποκτήσουμε καλύτερες γνώσεις για τη σύνθεση και τη δομή του DNA και του RNA. Για να μάθετε περισσότερα σχετικά με τη δομή υψηλότερης τάξης Κάνε κλικ εδώ

Σχετικά με τον Δρ. Abdullah Arsalan

Είμαι ο Αμπντουλάχ Αρσλάν, Ολοκλήρωσε το διδακτορικό μου στη Βιοτεχνολογία. Έχω 7 χρόνια ερευνητικής εμπειρίας. Έχω δημοσιεύσει έως τώρα 6 δημοσιεύσεις στα περιοδικά διεθνούς φήμης με μέσο συντελεστή αντίκτυπου 4.5 και λίγα ακόμη είναι υπό εξέταση. Έχω παρουσιάσει ερευνητικές εργασίες σε διάφορα εθνικά και διεθνή συνέδρια. Το αντικείμενο που ενδιαφέρομαι είναι η βιοτεχνολογία και η βιοχημεία με ιδιαίτερη έμφαση στη χημεία πρωτεϊνών, την ενζυμολογία, την ανοσολογία, τις βιοφυσικές τεχνικές και τη μοριακή βιολογία.

Ας συνδεθούμε μέσω του LinkedIn (https://www.linkedin.com/in/abdullah-arsalan-a97a0a88/) ή του μελετητή Google (https://scholar.google.co.in/citations?user=AeZVWO4AAAAJ&hl=el).

Αφήστε ένα σχόλιο

Η διεύθυνση email σας δεν θα δημοσιευθεί. Τα υποχρεωτικά πεδία σημειώνονται *

Lambda Geeks