DNA: GESCHIEDENIS, FUNCTIES, STRUCTUUR, COMPONENTEN - BIOLOGIE - 2026

Het DNA (deoxyribonucleïnezuur) is het biomolecuul dat alle informatie bevat die nodig is om een ​​lichaam te genereren en zijn werking te behouden. Het bestaat uit eenheden die nucleotiden worden genoemd, die op hun beurt bestaan ​​uit een fosfaatgroep, een suikermolecuul met vijf koolstofatomen en een stikstofbase.

Er zijn vier stikstofhoudende basen: adenine (A), cytosine (C), guanine (G) en thymine (T). Adenine paren altijd met thymine en guanine met cytosine. De boodschap in de DNA-streng wordt omgezet in een boodschapper-RNA en dit neemt deel aan de synthese van eiwitten.

DNA is een extreem stabiel molecuul, negatief geladen bij fysiologische pH, dat zich associeert met positieve eiwitten (histonen) om efficiënt samen te persen in de kern van eukaryote cellen. Een lange DNA-keten vormt samen met verschillende bijbehorende eiwitten een chromosoom.

Geschiedenis

In 1953 slaagden de Amerikaan James Watson en de Brit Francis Crick erin om de driedimensionale structuur van het DNA op te helderen, dankzij het kristallografische werk van Rosalind Franklin en Maurice Wilkins. Ze baseerden hun conclusies ook op het werk van andere auteurs.

Wanneer DNA wordt blootgesteld aan röntgenstraling, wordt een diffractiepatroon gevormd dat kan worden gebruikt om de structuur van het molecuul af te leiden: een helix van twee antiparallelle ketens die naar rechts roteren, waarbij beide ketens zijn verbonden door waterstofbruggen tussen de basen. . Het verkregen patroon was het volgende:

De structuur kan worden aangenomen volgens de diffractiewetten van Bragg: wanneer een object in het midden van een röntgenbundel wordt geplaatst, wordt het gereflecteerd, aangezien de elektronen van het object een wisselwerking hebben met de bundel.

Op 25 april 1953 werden de resultaten van Watson en Crick gepubliceerd in het prestigieuze tijdschrift Nature, in een artikel van slechts twee pagina's met de titel "Moleculaire structuur van nucleïnezuren", wat een volledige revolutie zou betekenen op het gebied van de biologie.

Dankzij deze ontdekking ontvingen de onderzoekers in 1962 de Nobelprijs voor de geneeskunde, met uitzondering van Franklin die voor de bevalling stierf. Momenteel is deze ontdekking een van de grote exponenten van het succes van de wetenschappelijke methode om nieuwe kennis te verwerven.

Componenten

Het DNA-molecuul bestaat uit nucleotiden, eenheden die bestaan ​​uit een suiker met vijf koolstofatomen die is vastgemaakt aan een fosfaatgroep en een stikstofbase. Het type suiker dat in DNA wordt aangetroffen, is het deoxyribose-type en vandaar de naam deoxyribonucleïnezuur.

Om de keten te vormen, worden de nucleotiden covalent verbonden door een fosfodiëster-type binding via een 3'-hydroxylgroep (-OH) van een suiker en de 5'-fosfafo van het volgende nucleotide.

Nucleotiden moeten niet worden verward met nucleosiden. Dit laatste verwijst naar het deel van de nucleotide dat alleen wordt gevormd door pentose (suiker) en de stikstofbase.

DNA bestaat uit vier soorten stikstofhoudende basen: adenine (A), cytosine (C), guanine (G) en thymine (T).

Stikstofbasen worden ingedeeld in twee categorieën: purines en pyrimidines. De eerste groep bestaat uit een ring van vijf atomen bevestigd aan een andere ring van zes, terwijl de pyrimidines uit slechts één ring bestaan.

Van de genoemde basen zijn adenine en guanine derivaten van purines. Thymine, cytosine en uracil (aanwezig in het RNA-molecuul) daarentegen behoren tot de groep van pyrimidinen.

Structuur

Een DNA-molecuul bestaat uit twee ketens van nucleotiden. Deze "ketting" staat bekend als een DNA-streng.

De twee strengen zijn verbonden door waterstofbruggen tussen de complementaire basen. Stikstofbasen zijn covalent verbonden met een ruggengraat van suikers en fosfaten.

Elk nucleotide dat zich op de ene streng bevindt, kan worden gekoppeld met een ander specifiek nucleotide op de andere streng om de bekende dubbele helix te vormen. Om een ​​efficiënte structuur te vormen, koppelt A altijd met T door middel van twee waterstofbindingen en G met C door drie bindingen.

Wet van Chargaff

Als we de verhoudingen van stikstofhoudende basen in DNA bestuderen, zullen we ontdekken dat de hoeveelheid A identiek is aan de hoeveelheid T en hetzelfde met de G en de C. Dit patroon staat bekend als de wet van Chargaff.

Deze koppeling is energetisch gunstig, omdat hierdoor een vergelijkbare breedte kan worden behouden door de hele structuur, waarbij een vergelijkbare afstand wordt gehandhaafd langs het suiker-fosfaat-ruggengraatmolecuul. Merk op dat een basis van een ring past bij een van een ring.

Model met dubbele helix

Er wordt gesuggereerd dat de dubbele helix is ​​samengesteld uit 10,4 nucleotiden per omwenteling, gescheiden door een hart-op-hart afstand van 3,4 nanometer. Het walsproces geeft aanleiding tot de vorming van groeven in de constructie, waarbij zowel een grotere als een kleinere groef kan worden waargenomen.

De groeven ontstaan ​​doordat de glycosidebindingen in de basenparen wat betreft hun diameter niet tegenover elkaar liggen. Pyrimidine O-2 en purine N-3 worden gevonden in de kleine groef, terwijl de grote groef zich in het tegenovergestelde gebied bevindt.

Als we de analogie van een ladder gebruiken, bestaan ​​de sporten uit de paren complementaire bases aan elkaar, terwijl het skelet overeenkomt met de twee beugels.

De uiteinden van het DNA-molecuul zijn niet hetzelfde, daarom spreken we van een "polariteit". Een van zijn uiteinden, de 3 ', draagt ​​een -OH-groep, terwijl het 5'-uiteinde de vrije fosfaatgroep heeft.

De twee strengen zijn antiparallel geplaatst, wat betekent dat ze zich in tegengestelde richting bevinden met betrekking tot hun polariteit, als volgt:

Bovendien moet de volgorde van een van de strengen complementair zijn aan zijn partner, als het een positie is die A is, moet er in de antiparallelle streng een T. zijn.

Organisatie

In elke menselijke cel zit ongeveer twee meter DNA dat efficiënt verpakt moet worden.

De streng moet worden gecomprimeerd zodat deze kan worden opgenomen in een microscopisch kleine kern met een diameter van 6 μm die slechts 10% van het celvolume beslaat. Dit is mogelijk dankzij de volgende verdichtingsniveaus:

Histonen

In eukaryoten zijn er eiwitten die histonen worden genoemd en die het vermogen hebben om te binden aan het DNA-molecuul, het eerste niveau van verdichting van de streng. Histonen hebben positieve ladingen om te kunnen interageren met de negatieve ladingen van DNA, geleverd door fosfaten.

Histonen zijn eiwitten die zo belangrijk zijn voor eukaryote organismen dat ze in de loop van de evolutie praktisch onveranderd zijn gebleven - als we bedenken dat een laag aantal mutaties erop duidt dat de selectieve druk op dat molecuul sterk is. Een defect in histonen kan resulteren in defecte verdichting in DNA.

Histonen kunnen biochemisch worden gemodificeerd en dit proces wijzigt de mate van verdichting van het genetisch materiaal.

Wanneer histonen worden "gehypoacetyleerd", is de chromatine meer gecondenseerd, aangezien geacetyleerde vormen de positieve ladingen van lysines (positief geladen aminozuren) in het eiwit neutraliseren.

Nucleosomen en de 30 nm-vezel

De DNA-streng kronkelt in histonen en ze vormen structuren die lijken op de kralen aan een parelketting, nucleosomen genaamd. De kern van deze structuur zijn twee kopieën van elk type histon: H2A, H2B, H3 en H4. De vereniging van de verschillende histonen wordt een "histone octamer" genoemd.

De octameer is omgeven door ongeveer 146 basenparen, die minder dan twee keer cirkelen. Een menselijke diploïde cel bevat ongeveer 6,4 x ¹⁰⁹ nucleotiden die zijn georganiseerd in 30 miljoen nucleosomen.

Organisatie in nucleosomen zorgt ervoor dat DNA tot meer dan een derde van zijn oorspronkelijke lengte kan worden samengeperst.

Bij een extractieproces van genetisch materiaal onder fysiologische omstandigheden wordt waargenomen dat nucleosomen zijn gerangschikt in een vezel van 30 nanometer.

Chromosomen

Chromosomen zijn de functionele eenheid van erfelijkheid, waarvan de functie is om de genen van een individu te dragen. Een gen is een stuk DNA dat de informatie bevat om een ​​eiwit (of een reeks eiwitten) te synthetiseren. Er zijn echter ook genen die coderen voor regulerende elementen, zoals RNA.

Alle menselijke cellen (met uitzondering van gameten en rode bloedcellen) hebben twee exemplaren van elk chromosoom, de ene geërfd van de vader en de andere van de moeder.

Chromosomen zijn structuren die bestaan ​​uit een lang lineair stuk DNA dat is geassocieerd met de bovengenoemde eiwitcomplexen. Normaal gesproken is in eukaryoten al het genetische materiaal in de kern verdeeld in een reeks chromosomen.

Organisatie in prokaryoten

Prokaryoten zijn organismen die een kern missen. Bij deze soorten is het genetisch materiaal sterk samengerold met alkalische eiwitten met een laag molecuulgewicht. Op deze manier wordt het DNA gecomprimeerd en in een centraal gebied in de bacterie geplaatst.

Sommige auteurs noemen deze structuur vaak "bacterieel chromosoom", hoewel het niet dezelfde kenmerken heeft als een eukaryotisch chromosoom.

DNA-hoeveelheid

Niet alle soorten organismen bevatten dezelfde hoeveelheid DNA. In feite is deze waarde zeer variabel tussen soorten en is er geen verband tussen de hoeveelheid DNA en de complexiteit van het organisme. Deze tegenstelling staat bekend als de "C-waarde-paradox".

De logische redenering zou zijn om aan te nemen dat hoe complexer het organisme is, hoe meer DNA het heeft. Dit is echter niet waar in de natuur.

Het genoom van de longvis Protopterus aethiopicus is bijvoorbeeld 132 pg groot (DNA kan worden gekwantificeerd in picogrammen = pg) terwijl het menselijk genoom slechts 3,5 pg weegt.

Er moet aan worden herinnerd dat niet al het DNA van een organisme codeert voor eiwitten, een groot deel hiervan is gerelateerd aan regulerende elementen en aan de verschillende soorten RNA.

Structurele vormen van DNA

Het model van Watson en Crick, afgeleid uit röntgendiffractiepatronen, staat bekend als de B-DNA-helix en is het "traditionele" en meest bekende model. Er zijn echter twee andere verschillende vormen, genaamd A-DNA en Z-DNA.

DNA - A

De "A" -variant draait naar rechts, net als het B-DNA, maar is korter en breder. Deze vorm verschijnt wanneer de relatieve vochtigheid afneemt.

Het A-DNA roteert elke 11 basenparen, waarbij de hoofdgroef smaller en dieper is dan het B-DNA. Met betrekking tot de kleine groef is deze oppervlakkiger en breder.

DNA - Z

De derde variant is Z-DNA. Het is de smalste vorm, gevormd door een groep hexanucleotiden georganiseerd in een duplex van antiparallelle ketens. Een van de meest opvallende kenmerken van deze vorm is dat deze naar links draait, terwijl de andere twee manieren het naar rechts doen.

Z-DNA verschijnt wanneer er korte sequenties van pyrimidines en purines zijn die elkaar afwisselen. De grote sulcus is vlak en de kleine is smal en dieper, vergeleken met B-DNA.

Hoewel het DNA-molecuul onder fysiologische omstandigheden meestal in de B-vorm is, legt het bestaan ​​van de twee beschreven varianten de flexibiliteit en dynamiek van het genetisch materiaal bloot.

Kenmerken

Het DNA-molecuul bevat alle informatie en instructies die nodig zijn voor de constructie van een organisme. De volledige set genetische informatie in organismen wordt het genoom genoemd.

Het bericht wordt gecodeerd door het "biologische alfabet": de vier eerder genoemde bases, A, T, G en C.

De boodschap kan leiden tot de vorming van verschillende soorten eiwitten of coderen voor een regulerend element. Het proces waarmee deze databases een bericht kunnen bezorgen, wordt hieronder uitgelegd:

Replicatie, transcriptie en vertaling

Het bericht versleuteld in de vier letters A, T, G en C resulteert in een fenotype (niet alle DNA-sequenties coderen voor eiwitten). Om dit te bereiken, moet DNA zichzelf repliceren in elk proces van celdeling.

DNA-replicatie is semi-conservatief: één streng dient als sjabloon voor de vorming van het nieuwe dochtermolecuul. Replicatie gekatalyseerd door een aantal enzymen, waaronder DNA-primase, DNA-helicase, DNA-ligase en topoisomerase.

Vervolgens moet het bericht - geschreven in een basistaal - worden verzonden naar een tussenmolecuul: RNA (ribonucleïnezuur). Dit proces wordt transcriptie genoemd.

Om transcriptie te laten plaatsvinden, moeten verschillende enzymen deelnemen, waaronder RNA-polymerase.

Dit enzym is verantwoordelijk voor het kopiëren van de boodschap van DNA en het om te zetten in een boodschapper-RNA-molecuul. Met andere woorden, het doel van transcriptie is om de boodschapper te verkrijgen.

Ten slotte vindt de vertaling van de boodschap in boodschapper-RNA-moleculen plaats, dankzij de ribosomen.

Deze structuren nemen het boodschapper-RNA op en vormen samen met de translatiemachines het gespecificeerde eiwit.

De genetische code

Het bericht wordt gelezen in "drielingen" of groepen van drie letters die specificeren voor een aminozuur - de bouwstenen van eiwitten. Het is mogelijk om de boodschap van de drieling te ontcijferen, aangezien de genetische code al volledig is onthuld.

Vertaling begint altijd met het aminozuur methionine, dat wordt gecodeerd door het starttriplet: AUG. De "U" staat voor de basis uracil en is kenmerkend voor RNA en vervangt thymine.

Als het boodschapper-RNA bijvoorbeeld de volgende volgorde heeft: AUG CCU CUU UUU UUA, wordt het vertaald in de volgende aminozuren: methionine, proline, leucine, fenylalanine en fenylalanine. Merk op dat twee tripletten - in dit geval UUU en UUA - kunnen coderen voor hetzelfde aminozuur: fenylalanine.

Vanwege deze eigenschap wordt gezegd dat de genetische code gedegenereerd is, aangezien een aminozuur wordt gecodeerd door meer dan één reeks tripletten, behalve het aminozuur methionine, dat het begin van de translatie dicteert.

Het proces wordt gestopt met specifieke stop- of stop-tripletten: UAA, UAG en UGA. Ze staan ​​bekend onder de namen respectievelijk oker, amber en opaal. Wanneer het ribosoom ze detecteert, kunnen ze geen aminozuren meer aan de ketting toevoegen.

Chemische en fysische eigenschappen

Nucleïnezuren zijn zuur van aard en zijn oplosbaar in water (hydrofiel). De vorming van waterstofbruggen tussen de fosfaatgroepen en de hydroxylgroepen van pentosen met water kan optreden. Het is negatief geladen bij fysiologische pH.

DNA-oplossingen zijn zeer viskeus, vanwege de vervormingsweerstand van de dubbele helix, die erg stijf is. De viscositeit neemt af als het nucleïnezuur enkelstrengs is.

Het zijn zeer stabiele moleculen. Logischerwijs moet deze eigenschap onmisbaar zijn in de structuren die genetische informatie bevatten. In vergelijking met RNA is DNA veel stabieler omdat het een hydroxylgroep mist.

DNA kan door hitte worden gedenatureerd, dat wil zeggen dat de strengen scheiden wanneer het molecuul wordt blootgesteld aan hoge temperaturen.

De hoeveelheid warmte die moet worden toegepast, is afhankelijk van het G - C percentage van het molecuul, omdat deze basen zijn verbonden door drie waterstofbruggen, waardoor de weerstand tegen scheiding toeneemt.

Wat betreft de absorptie van licht hebben ze een piek van 260 nanometer, die toeneemt als het nucleïnezuur enkelstrengs is, aangezien de nucleotide-ringen worden blootgesteld en deze verantwoordelijk zijn voor de absorptie.

Evolutie

Volgens Lazcano et al. 1988 DNA komt in overgangsstadia tevoorschijn uit RNA, een van de belangrijkste gebeurtenissen in de geschiedenis van het leven.

De auteurs stellen drie fasen voor: een eerste periode waarin er moleculen waren die vergelijkbaar waren met nucleïnezuren, later bestonden de genomen uit RNA en als laatste stadium verschenen de dubbelband-DNA-genomen.

Enig bewijs ondersteunt de theorie van een primaire wereld op basis van RNA. Ten eerste kan eiwitsynthese plaatsvinden in afwezigheid van DNA, maar niet als RNA ontbreekt. Verder zijn er RNA-moleculen met katalytische eigenschappen ontdekt.

Wat betreft de synthese van deoxyribonucleotiden (aanwezig in DNA): ze komen altijd voort uit de reductie van ribonucleotiden (aanwezig in RNA).

De evolutionaire innovatie van een DNA-molecuul moet de aanwezigheid hebben vereist van enzymen die DNA-precursoren synthetiseren en deelnemen aan de omgekeerde transcriptie van RNA.

Door de huidige enzymen te bestuderen, kan worden geconcludeerd dat deze eiwitten verschillende keren zijn geëvolueerd en dat de overgang van RNA naar DNA complexer is dan eerder werd aangenomen, inclusief processen van overdracht en verlies van genen en niet-orthologe vervangingen.

DNA sequentie

DNA-sequentiebepaling bestaat uit het ophelderen van de sequentie van de DNA-streng in termen van de vier basen waaruit deze bestaat.

Kennis van deze sequentie is van het grootste belang in de biologische wetenschappen. Het kan worden gebruikt om onderscheid te maken tussen twee morfologisch zeer gelijkende soorten, om ziekten, pathologieën of parasieten op te sporen en heeft zelfs een forensische toepasbaarheid.

Sanger-sequencing is ontwikkeld in de jaren 1900 en is de traditionele techniek om een ​​reeks te verduidelijken. Ondanks zijn leeftijd is het een valide methode en wordt deze veel gebruikt door onderzoekers.

Sanger-methode

De methode maakt gebruik van DNA-polymerase, een zeer betrouwbaar enzym dat DNA repliceert in cellen en een nieuwe DNA-streng synthetiseert met behulp van een reeds bestaande als leidraad. Het enzym heeft een primer nodig om de synthese op gang te brengen. De primer is een klein DNA-molecuul dat complementair is aan het molecuul waarvan de sequentie moet worden bepaald.

Bij de reactie worden nucleotiden toegevoegd die door het enzym in de nieuwe DNA-streng worden opgenomen.

Naast de "traditionele" nucleotiden omvat de methode een reeks dideoxynucleotiden voor elk van de basen. Ze verschillen in twee kenmerken van standaardnucleotiden: structureel laten ze DNA-polymerase niet toe om meer nucleotiden aan de dochterstreng toe te voegen en ze hebben voor elke base een andere fluorescerende marker.

Het resultaat is een verscheidenheid aan DNA-moleculen van verschillende lengtes, aangezien de dideoxynucleotiden willekeurig werden opgenomen en het replicatieproces in verschillende stadia stopten.

Deze verscheidenheid aan moleculen kan worden gescheiden op basis van hun lengte en de identiteit van de nucleotiden wordt afgelezen door middel van de emissie van licht van het fluorescerende label.

Volgende generatie reeksen

De sequentietechnieken die de afgelopen jaren zijn ontwikkeld, maken een massale analyse van miljoenen monsters tegelijk mogelijk.

Tot de meest opmerkelijke methoden behoren pyrosequencing, sequencing door synthese, sequencing door ligatie en sequentiebepaling van de volgende generatie door Ion Torrent.

Referenties

1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., et al. (2002). Moleculaire biologie van de cel. 4e editie. New York: Garland Science. De structuur en functie van DNA. Beschikbaar op: ncbi.nlm.nih.gov/
2. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., et al. (2002). Moleculaire biologie van de cel. 4e editie. New York: Garland Science. Chromosomaal DNA en de verpakking ervan in de chromatinevezel. Beschikbaar op: ncbi.nlm.nih.gov
3. Berg, JM, Tymoczko, JL, Stryer, L. (2002). Biochemie. 5e editie. New York: WH Freeman. Paragraaf 27.1, DNA kan een verscheidenheid aan structurele vormen aannemen. Beschikbaar op: ncbi.nlm.nih.gov
4. Fierro, A. (2001). Korte geschiedenis van de ontdekking van de structuur van DNA. Rev Méd Clínica Las Condes, 20, 71-75.
5. Forterre, P., Filée, J. & Myllykallio, H. (2000-2013) Oorsprong en evolutie van DNA- en DNA-replicatiemachines. In: Madame Curie Bioscience Database. Austin (TX): Landes Bioscience. Beschikbaar op: ncbi.nlm.nih.gov
6. Lazcano, A., Guerrero, R., Margulis, L., & Oro, J. (1988). De evolutionaire overgang van RNA naar DNA in vroege cellen. Journal of moleculaire evolutie, 27 (4), 283-290.
7. Lodish, H., Berk, A., Zipursky, SL, et al. (2000). Moleculaire celbiologie. 4e editie. New York: WH Freeman. Paragraaf 9.5, Cellulair DNA in chromosomen organiseren. Beschikbaar op: ncbi.nlm.nih.gov/books
8. Voet, D., Voet, JG, & Pratt, CW (1999). Fundamenteel van biochemie. New York: John Willey and Sons.