Kwas dezoksyrybonukleinowy (DNA): model, skład chemiczny i eksperymenty transformacyjne

Przeczytaj ten artykuł, aby dowiedzieć się więcej o modelach, składzie chemicznym i doświadczeniach transformacji DNA!

Kwas dezoksyrybonukleinowy (DNA):

DNA znajduje się w komórkach wszystkich żywych organizmów, z wyjątkiem niektórych wirusów roślinnych. W bakteriofagach i wirusach istnieje centralny rdzeń DNA zamknięty w płaszczu białkowym. W bakteriach oraz w mitochondriach i plastydach komórek eukariotycznych DNA jest koliste i leży nagie w cytoplazmie.

W jądrach komórek eukariotycznych DNA występuje w postaci długich spiralnie zwiniętych i nie-rozgałęzionych nici, chromosomów. W chromosomach DNA występuje w połączeniu z białkami tworzącymi nukleoproteiny, materiał chromatyny. Kilka linii pośrednich dowodów dawno zasugerowało, że DNA zawiera informację genetyczną o żywych organizmach.

Najważniejsze wyniki uzyskane za pomocą kilku różnych procedur eksperymentalnych wykazały, że większość DNA znajduje się w chromosomach, podczas gdy RNA i białka są bardziej obfite w cytoplazmie. Co więcej, istnieje dokładna korelacja między ilością DNA na komórkę a liczbą zestawów chromosomów na komórkę.

Większość komórek somatycznych organizmów diploidalnych, na przykład, zawiera dokładnie dwa razy więcej DNA niż haploidalne komórki zarodkowe lub gamety tego samego gatunku. Wreszcie, skład molekularny DNA we wszystkich różnych komórkach organizmów jest taki sam (z rzadkimi wyjątkami), podczas gdy skład RNA i białek zmienia się zarówno jakościowo, jak i ilościowo, z jednego rodzaju komórek na inny. Chociaż te korelacje silnie sugerują, że DNA jest materiałem genetycznym, w żaden sposób tego nie udowodnią. Bezpośrednie dowody wykazały, że informacja genetyczna jest kodowana w DNA.

Eksperymenty transformacyjne:

Eksperymenty transformacyjne zostały początkowo przeprowadzone przez Fryderyka Griffitha w 1928 roku. Wstrzyknięto myszom mieszaninę dwóch szczepów pneumokoków (Diplococcus pneumoniae). Jeden z tych dwóch szczepów, S III był zjadliwy, a drugi szczep R II nie był wirulentny. Ciepło zabiło wirulentny szczep SIII, gdy wstrzyknięto go indywidualnie, nie spowodowało śmierci, co wskazuje, że infekcyjność po zabiciu ciepła jest tracona.

Myszy, którym wstrzyknięto mieszaninę RII (żywa) i S III (zabite ciepłem) zmarły i wirulentne pneumokoki można było izolować od tych myszy. Stwierdzono, że część składowa martwych komórek SIII (zasada transformacji) musi przekształcić żywe komórki RII w S III.

OT Avery, CM MacLeod i M. McCarty powtórzyli eksperymenty Griffitha w systemie in vitro i stworzyli pierwszy bezpośredni dowód na to, że materiał genetyczny jest raczej DNA niż białkiem lub RNA. Wykazali, że składnikiem komórki odpowiedzialnej za zjawisko transformacji bakterii Diplococcus pneumoniae jest DNA. Eksperymenty te obejmowały zastosowanie enzymów degradujących DNA, RNA lub białko.

W oddzielnych doświadczeniach wysoce oczyszczony DNA z komórek S III traktowano:

(1) Deoksyrybonukleaza (DNAaza), która rozkłada DNA,

(2) Rybonukleaza (RNAaza), która rozkłada RNA lub

(3) Proteazy (które rozkładają białka), a następnie testowane pod kątem ich zdolności do transformowania komórek RII do SIII. Tylko DNAaza nie miała wpływu na czynności transformacyjne preparatu DNA, całkowicie wyeliminowała wszelką aktywność transformującą. Te eksperymenty wskazywały więc, że DNA, a nie białka lub RNA, jest materiałem genetycznym.

Dodatkowe dowody wskazujące, że DNA jest materiałem genetycznym, zostały wykazane przez AD Hershey i MJ Chase w bakteriofagu T2.

Skład chemiczny DNA:

Analizy chemiczne wykazały, że DNA składa się z trzech różnych rodzajów cząsteczek.

1. Kwas fosforowy (H3PO4) ma trzy grupy reaktywne (-OH), z których dwie uczestniczą w tworzeniu szkieletu fosforanu cukrowego DNA.

2. Cukier pentozowy:

DNA zawiera 2'-deoksy-D-rybozę (lub po prostu deoksyrybozę), która jest przyczyną nazwy kwasu nukleinowego deoksyrybozy.

3. Bazy organiczne:

Organiczne zasady to związki heterocykliczne zawierające azot w swoich pierścieniach; dlatego są one również nazywane zasadami azotowymi. DNA zazwyczaj zawiera cztery różne zasady zwane adenirią (A), guaniną (G), tyminą (T) i cytozyną (C).

Te cztery zasady są pogrupowane w dwie klasy na podstawie ich struktury chemicznej:

(1) pirymidyna (T i C) i

(2) purynę (A, G).

W DNA znaleziono cztery różne nukleozydy. To są:

(i) deoksycytydyna

(ii) deoxythy-midine,

(iii) deoksyadenozyna i

(iv) deoksyguanozyna.

Podobnie cztery nukleotydy w DNA to:

(i) kwas deoksycytydylowy lub dezoksytycydanowy,

(ii) kwas deoksytymidylowy lub deoksytymidylan,

(iii) kwas dezoksyadenylowy lub dezoksyadenylan i

(iv) kwas deoksyguanylowy lub deoksyguanylan.

Po przeanalizowaniu składu DNA z wielu różnych organizmów przez E. Chargaffa i współpracowników (1950) zaobserwowano, że (i) niezależnie od źródła, składniki purynowe i pirymidynowe występują w równych ilościach w cząsteczce, (ii) ilość adeniny (A) jest równoważna ilości tyminy (T) i cytozyny (C) jest równoważna ilości guaniny (G) i (iii) stosunek zasad A + T / G + C jest stały dla konkretnego gatunki.

Model podwójnej helisy Watsona i Cricka:

Struktura DNA została po raz pierwszy wydedukowana przez JD Watsona i FH Crick w 1953 roku. Na podstawie danych Chargaffa, dyfrakcji rentgenowskiej Wilkin'a i Franklina i wniosków z ich własnych budynków modelowych, Watson i Crick zaproponowali, że DNA istnieje jako podwójna helisa w którym dwa łańcuchy polinukleotydowe są zwinięte wokół siebie w spirali.

Każdy łańcuch polinukleotydowy składa się z sekwencji nukleotydów połączonych ze sobą wiązaniami fosfodiestrowymi, tworząc przylegające reszty dezoksyrybozy. Dwie nici polinukleotydowe są utrzymywane razem w konfiguracji helikalnej przez wiązanie wodorowe między zasadami w przeciwnych niciach, powstałe pary zasad są ułożone między dwoma łańcuchami prostopadle do osi cząsteczki, podobnie jak stopnie spiralnej drabiny.

Parowanie zasad jest specyficzne, adenina jest zawsze sparowana z tyminą, a guanina zawsze jest sparowana z cytozyną. Zatem wszystkie pary zasad składają się z jednej purynowej i jednej pirymidynowej. Specyfika parowania podstawowego wynika z zdolności wiązania wodorowego zasad w ich normalnych konfiguracjach.

W swoich najczęściej spotykanych konfiguracjach strukturalnych adenina i tymina tworzą dwa wiązania wodorowe, a guanina i cytozyna tworzą trzy wiązania wodorowe. Analogiczne wiązanie wodorowe między cytozyną i adeniną nie jest na ogół możliwe.

Gdy znana jest sekwencja zasad w jednej nici podwójnej helisy DNA, sekwencja zasad w drugiej nici jest również automatycznie znana z powodu specyficznego parowania zasad. Dwie nici podwójnej helisy są zatem uważane za komplementarne (nie identyczne); to właśnie ta właściwość, komplementarność dwóch nici, sprawia, że ​​DNA wyjątkowo nadaje się do przechowywania i przekazywania informacji genetycznej.

Pary zasad w DNA są ułożone w stos o rozstawie 3.4A ° z 10 parami zasad na obrót (360 °) podwójnej helisy. Cukrowo-fosforanowe szkielety dwóch komplementarnych nici są antyrównoległe; to znaczy, że mają przeciwną chemiczną polaryzację.

Gdy porusza się jednokierunkowo wzdłuż podwójnej helisy DNA, wiązania fosfodiestrowe w jednej nici przechodzą z 3 'węgla z jednego nukleotydu do 5' węgla sąsiedniego nukleotydu, podczas gdy te w komplementarnej nici przechodzą z węgla 5 'do węgla 3' .

Forma DNA A, B i Z:

Ogromna większość cząsteczek DNA obecnych w wodnych protoplazmach żywych komórek prawie na pewno istnieje w opisanej powyżej podwójnej helisie Watsona-Cricka. Nazywa się to B-formą DNA i pokazuje praworęczne zwijanie. Zawiera 10, 4 pary zasad na turę (zamiast 10 wymienionych powyżej). Odwodniony DNA występuje w postaci A, która jest również spiralą prawostronną, ale ma 11 par zasad na obrót.

Pewne sekwencje DNA występują w formie Z, która pokazuje zwijanie na lewą rękę, zawiera 12 par zasad na obrót. W Z-DNA szkielet cukrowo-fosforanowy podąża za zygzakowatą ścieżką nadając mu nazwę Z-DNA lub formę Z.

Specyficzne segmenty cząsteczki DNA mogą podlegać zmianom konformacyjnym z postaci B do postaci Z i na odwrót; zmiany te mogą być spowodowane przez niektóre specyficzne białka regulatorowe. Postuluje się, że DNA formy Z odgrywa rolę w regulacji genów.

Dowody na poparcie podwójnej spiralnej struktury DNA:

Podwójna helikalna struktura DNA podana przez Wastona i Cricka jest poparta następującymi dowodami.

1. MHF Wilkins i jego koledzy badali DNA metodą krystalografii rentgenowskiej i wspierali podwójną strukturę helikalną.

2. Kornberg i jego współpracownicy próbowali syntetyzować DNA w środowisku wolnym od DNA w obecności enzymatycznej polimerazy DNA i nukleotydów, bloków DNA. Stwierdzili, że w podłożu bez DNA ze wszystkimi niezbędnymi związkami synteza DNA nie występuje. Dopiero gdy niektóre DNA zostało dodane jako primer do tej samej pożywki, rozpoczęła się synteza DNA.