DNA: GESCHICHTE, FUNKTIONEN, STRUKTUR, KOMPONENTEN - BIOLOGIE - 2025

Die DNA (Desoxyribonukleinsäure) ist das Biomolekül, das alle Informationen enthält, die zur Erzeugung eines Körpers und zur Aufrechterhaltung seines Betriebs erforderlich sind. Es besteht aus Einheiten, die als Nukleotide bezeichnet werden und wiederum aus einer Phosphatgruppe, einem Zuckermolekül mit fünf Kohlenstoffatomen und einer stickstoffhaltigen Base bestehen.

Es gibt vier stickstoffhaltige Basen: Adenin (A), Cytosin (C), Guanin (G) und Thymin (T). Adenin paart sich immer mit Thymin und Guanin mit Cytosin. Die im DNA-Strang enthaltene Nachricht wird in eine Messenger-RNA umgewandelt, die an der Proteinsynthese beteiligt ist.

DNA ist ein extrem stabiles Molekül, das bei physiologischem pH-Wert negativ geladen ist und sich mit positiven Proteinen (Histonen) verbindet, um im Kern eukaryotischer Zellen effizient zu kompaktieren. Eine lange DNA-Kette bildet zusammen mit verschiedenen assoziierten Proteinen ein Chromosom.

Geschichte

1953 gelang es dem Amerikaner James Watson und dem Briten Francis Crick, die dreidimensionale Struktur der DNA dank der kristallographischen Arbeiten von Rosalind Franklin und Maurice Wilkins aufzuklären. Sie stützten ihre Schlussfolgerungen auch auf die Arbeit anderer Autoren.

Wenn DNA Röntgenstrahlen ausgesetzt wird, entsteht ein Beugungsmuster, mit dem auf die Struktur des Moleküls geschlossen werden kann: eine Helix aus zwei antiparallelen Ketten, die sich nach rechts drehen, wobei beide Ketten durch Wasserstoffbrücken zwischen den Basen verbunden sind. . Das erhaltene Muster war das folgende:

Die Struktur kann nach den Braggschen Beugungsgesetzen angenommen werden: Wenn sich ein Objekt in der Mitte eines Röntgenstrahls befindet, wird es reflektiert, da die Elektronen des Objekts mit dem Strahl interagieren.

Am 25. April 1953 wurden die Ergebnisse von Watson und Crick in der renommierten Zeitschrift Nature in einem Artikel auf nur zwei Seiten mit dem Titel "Molekulare Struktur von Nukleinsäuren" veröffentlicht, der das Gebiet der Biologie vollständig revolutionieren würde.

Dank dieser Entdeckung erhielten die Forscher 1962 den Nobelpreis für Medizin, mit Ausnahme von Franklin, der vor der Entbindung starb. Derzeit ist diese Entdeckung einer der großen Vertreter des Erfolgs der wissenschaftlichen Methode, neues Wissen zu erwerben.

Komponenten

Das DNA-Molekül besteht aus Nukleotiden, Einheiten, die aus einem Zucker mit fünf Kohlenstoffatomen bestehen, der an eine Phosphatgruppe gebunden ist, und einer stickstoffhaltigen Base. Die in der DNA vorkommende Zuckerart ist der Desoxyribose-Typ und daher der Name Desoxyribonukleinsäure.

Um die Kette zu bilden, werden die Nukleotide durch eine Phosphodiester-Bindung über eine 3'-Hydroxylgruppe (-OH) aus einem Zucker und das 5'-Phosphapho des nächsten Nukleotids kovalent verbunden.

Nukleotide sollten nicht mit Nukleosiden verwechselt werden. Letzteres bezieht sich auf den Teil des Nukleotids, der nur aus Pentose (Zucker) und der stickstoffhaltigen Base gebildet wird.

Die DNA besteht aus vier Arten stickstoffhaltiger Basen: Adenin (A), Cytosin (C), Guanin (G) und Thymin (T).

Stickstoffbasen werden in zwei Kategorien eingeteilt: Purine und Pyrimidine. Die erste Gruppe besteht aus einem Ring aus fünf Atomen, die an einen anderen Ring aus sechs Atomen gebunden sind, während die Pyrimidine aus einem einzigen Ring bestehen.

Von den genannten Basen sind Adenin und Guanin Derivate von Purinen. Im Gegensatz dazu gehören Thymin, Cytosin und Uracil (im RNA-Molekül vorhanden) zur Gruppe der Pyrimidine.

Struktur

Ein DNA-Molekül besteht aus zwei Ketten von Nukleotiden. Diese "Kette" ist als DNA-Strang bekannt.

Die beiden Stränge sind durch Wasserstoffbrücken zwischen den komplementären Basen verbunden. Stickstoffbasen sind kovalent an ein Rückgrat aus Zuckern und Phosphaten gebunden.

Jedes auf einem Strang befindliche Nukleotid kann mit einem anderen spezifischen Nukleotid auf dem anderen Strang gekoppelt werden, um die bekannte Doppelhelix zu bilden. Um eine effiziente Struktur zu bilden, koppelt A immer mit T über zwei Wasserstoffbrücken und G mit C über drei Bindungen.

Chargaffs Gesetz

Wenn wir die Anteile stickstoffhaltiger Basen in der DNA untersuchen, werden wir feststellen, dass die Menge an A mit der Menge an T identisch ist und mit G und C identisch ist. Dieses Muster ist als Chargaff-Gesetz bekannt.

Diese Paarung ist energetisch günstig, da sie es ermöglicht, eine ähnliche Breite entlang der Struktur beizubehalten und einen ähnlichen Abstand entlang des Zucker-Phosphat-Grundgerüstmoleküls beizubehalten. Beachten Sie, dass eine Basis eines Rings mit einer eines Rings zusammenpasst.

Doppelhelix-Modell

Es wird vorgeschlagen, dass die Doppelhelix aus 10,4 Nukleotiden pro Umdrehung besteht, die durch einen Abstand von Mitte zu Mitte von 3,4 Nanometern voneinander getrennt sind. Der Walzprozess führt zur Bildung von Rillen in der Struktur, wobei eine größere und eine kleinere Rille beobachtet werden können.

Die Rillen entstehen, weil sich die glykosidischen Bindungen in den Basenpaaren hinsichtlich ihres Durchmessers nicht gegenüberliegen. Pyrimidin O-2 und Purin N-3 befinden sich in der Nebenrille, während sich die Hauptrille im gegenüberliegenden Bereich befindet.

Wenn wir die Analogie einer Leiter verwenden, bestehen die Sprossen aus den Paaren komplementärer Basen zueinander, während das Skelett den beiden Haltegriffen entspricht.

Die Enden des DNA-Moleküls sind nicht die gleichen, weshalb wir von einer „Polarität“ sprechen. Eines seiner Enden, das 3'-Ende, trägt eine -OH-Gruppe, während das 5'-Ende die freie Phosphatgruppe aufweist.

Die beiden Stränge sind antiparallel angeordnet, was bedeutet, dass sie in Bezug auf ihre Polarität wie folgt entgegengesetzt angeordnet sind:

Außerdem muss die Sequenz eines der Stränge zu seinem Partner komplementär sein. Wenn es sich um eine Position handelt, in der A vorhanden ist, muss im antiparallelen Strang ein T vorhanden sein.

Organisation

In jeder menschlichen Zelle befinden sich ungefähr zwei Meter DNA, die effizient verpackt werden müssen.

Der Strang muss so verdichtet werden, dass er in einem mikroskopischen Kern mit 6 μm Durchmesser enthalten ist, der nur 10% des Zellvolumens einnimmt. Dies ist dank folgender Verdichtungsstufen möglich:

Histone

In Eukaryoten gibt es Proteine, sogenannte Histone, die die Fähigkeit haben, an das DNA-Molekül zu binden, und die die erste Verdichtungsstufe des Strangs darstellen. Histone haben positive Ladungen, um mit den negativen Ladungen der DNA, die durch Phosphate bereitgestellt werden, interagieren zu können.

Histone sind Proteine, die für eukaryotische Organismen so wichtig sind, dass sie im Verlauf der Evolution praktisch unverändert geblieben sind. Dabei ist zu berücksichtigen, dass eine geringe Mutationsrate darauf hinweist, dass der selektive Druck auf dieses Molekül stark ist. Ein Defekt der Histone könnte zu einer fehlerhaften Verdichtung der DNA führen.

Histone können biochemisch modifiziert werden und dieser Prozess verändert den Verdichtungsgrad des genetischen Materials.

Wenn Histone "hypoacetyliert" werden, wird das Chromatin stärker kondensiert, da acetylierte Formen die positiven Ladungen von Lysinen (positiv geladenen Aminosäuren) im Protein neutralisieren.

Nukleosomen und die 30 nm Faser

Der DNA-Strang verwandelt sich in Histone und bildet Strukturen, die den Perlen einer Perlenkette ähneln, die als Nukleosomen bezeichnet werden. Das Herzstück dieser Struktur sind zwei Kopien jedes Histontyps: H2A, H2B, H3 und H4. Die Vereinigung der verschiedenen Histone wird als "Histonoctamer" bezeichnet.

Das Oktamer ist von etwa 146 Basenpaaren umgeben, die weniger als zweimal kreisen. Eine humane diploide Zelle enthält ungefähr 6,4 × 10 ⁹ Nukleotide, die in 30 Millionen Nukleosomen organisiert sind.

Durch die Organisation in Nukleosomen kann die DNA auf mehr als ein Drittel ihrer ursprünglichen Länge verdichtet werden.

Bei einem Prozess der Extraktion von genetischem Material unter physiologischen Bedingungen wird beobachtet, dass Nukleosomen in einer 30-Nanometer-Faser angeordnet sind.

Chromosomen

Chromosomen sind die funktionelle Einheit der Vererbung, deren Funktion darin besteht, die Gene eines Individuums zu tragen. Ein Gen ist ein DNA-Segment, das die Informationen zur Synthese eines Proteins (oder einer Reihe von Proteinen) enthält. Es gibt jedoch auch Gene, die für regulatorische Elemente wie RNA kodieren.

Alle menschlichen Zellen (mit Ausnahme von Gameten und Blutzellen) haben zwei Kopien jedes Chromosoms, eine vom Vater und die andere von der Mutter.

Chromosomen sind Strukturen, die aus einem langen linearen DNA-Stück bestehen, das mit den oben genannten Proteinkomplexen assoziiert ist. Normalerweise wird bei Eukaryoten das gesamte im Kern enthaltene genetische Material in eine Reihe von Chromosomen unterteilt.

Organisation in Prokaryoten

Prokaryoten sind Organismen, denen ein Kern fehlt. Bei diesen Spezies ist das genetische Material zusammen mit alkalischen Proteinen mit niedrigem Molekulargewicht stark gewickelt. Auf diese Weise wird die DNA verdichtet und befindet sich in einer zentralen Region in den Bakterien.

Einige Autoren nennen diese Struktur oft ein "bakterielles Chromosom", obwohl sie nicht die gleichen Eigenschaften wie ein eukaryotisches Chromosom aufweist.

DNA-Menge

Nicht alle Arten von Organismen enthalten die gleiche Menge an DNA. Tatsächlich ist dieser Wert zwischen den Arten sehr unterschiedlich und es gibt keine Beziehung zwischen der DNA-Menge und der Komplexität des Organismus. Dieser Widerspruch ist als "C-Wert-Paradoxon" bekannt.

Die logische Überlegung wäre zu verstehen, dass je komplexer der Organismus ist, desto mehr DNA hat er. Dies trifft jedoch in der Natur nicht zu.

Zum Beispiel ist das Genom des Lungenfisches Protopterus aethiopicus 132 pg groß (DNA kann in Pikogramm = pg quantifiziert werden), während das menschliche Genom nur 3,5 pg wiegt.

Es muss daran erinnert werden, dass nicht die gesamte DNA eines Organismus für Proteine ​​kodiert, ein großer Teil davon hängt mit regulatorischen Elementen und den verschiedenen Arten von RNA zusammen.

Strukturformen der DNA

Das Watson- und Crick-Modell, das aus Röntgenbeugungsmustern abgeleitet wurde, ist als B-DNA-Helix bekannt und das „traditionelle“ und bekannteste Modell. Es gibt jedoch zwei andere verschiedene Formen, A-DNA und Z-DNA.

DNA - A.

Die "A" -Variante dreht sich genau wie die B-DNA nach rechts, ist jedoch kürzer und breiter. Diese Form tritt auf, wenn die relative Luftfeuchtigkeit abnimmt.

Die A-DNA dreht sich alle 11 Basenpaare, wobei die Hauptrille schmaler und tiefer als die B-DNA ist. In Bezug auf die kleine Rille ist dies oberflächlicher und breiter.

DNA - Z.

Die dritte Variante ist Z-DNA. Es ist die engste Form, die von einer Gruppe von Hexanukleotiden gebildet wird, die in einem Duplex antiparalleler Ketten organisiert sind. Eines der herausragendsten Merkmale dieser Form ist, dass sie sich nach links dreht, während die beiden anderen Möglichkeiten dies nach rechts tun.

Z-DNA tritt auf, wenn sich kurze Sequenzen von Pyrimidinen und Purinen abwechseln. Der Sulcus major ist flach und der Sulcus minor ist im Vergleich zur B-DNA schmal und tiefer.

Obwohl das DNA-Molekül unter physiologischen Bedingungen meist in seiner B-Form vorliegt, zeigt die Existenz der beiden beschriebenen Varianten die Flexibilität und Dynamik des genetischen Materials.

Eigenschaften

Das DNA-Molekül enthält alle Informationen und Anweisungen, die für den Aufbau eines Organismus erforderlich sind. Der vollständige Satz genetischer Informationen in Organismen wird als Genom bezeichnet.

Die Nachricht wird durch das "biologische Alphabet" codiert: die vier zuvor genannten Basen A, T, G und C.

Die Nachricht kann zur Bildung verschiedener Arten von Proteinen führen oder für ein regulatorisches Element kodieren. Der Prozess, mit dem diese Datenbanken eine Nachricht übermitteln können, wird nachfolgend erläutert:

Replikation, Transkription und Übersetzung

Die in den vier Buchstaben A, T, G und C verschlüsselte Nachricht führt zu einem Phänotyp (nicht alle DNA-Sequenzen kodieren für Proteine). Um dies zu erreichen, muss sich die DNA bei jedem Prozess der Zellteilung selbst replizieren.

Die DNA-Replikation ist halbkonservativ: Ein Strang dient als Vorlage für die Bildung des neuen Tochtermoleküls. Replikation katalysiert durch eine Reihe von Enzymen, einschließlich DNA-Primase, DNA-Helikase, DNA-Ligase und Topoisomerase.

Anschließend muss die in einer Basensequenzsprache geschriebene Nachricht an ein Zwischenmolekül übertragen werden: RNA (Ribonukleinsäure). Dieser Vorgang wird als Transkription bezeichnet.

Damit die Transkription stattfinden kann, müssen verschiedene Enzyme beteiligt sein, einschließlich der RNA-Polymerase.

Dieses Enzym ist dafür verantwortlich, die Botschaft der DNA zu kopieren und in ein Messenger-RNA-Molekül umzuwandeln. Mit anderen Worten, das Ziel der Transkription ist es, den Botenstoff zu erhalten.

Schließlich erfolgt die Übersetzung der Nachricht in Messenger-RNA-Moleküle dank der Ribosomen.

Diese Strukturen nehmen die Messenger-RNA auf und bilden zusammen mit der Translationsmaschinerie das angegebene Protein.

Der genetische Code

Die Nachricht wird in "Drillingen" oder Gruppen von drei Buchstaben gelesen, die eine Aminosäure angeben - die Bausteine ​​von Proteinen. Es ist möglich, die Botschaft der Drillinge zu entschlüsseln, da der genetische Code bereits vollständig enthüllt wurde.

Die Translation beginnt immer mit der Aminosäure Methionin, die vom Ausgangs-Triplett AUG kodiert wird. Das "U" stellt die Basis Uracil dar und ist charakteristisch für RNA und ersetzt Thymin.

Wenn die Messenger-RNA beispielsweise die folgende Sequenz aufweist: AUG CCU CUU UUU UUA, wird sie in die folgenden Aminosäuren übersetzt: Methionin, Prolin, Leucin, Phenylalanin und Phenylalanin. Beachten Sie, dass zwei Tripletts - in diesem Fall UUU und UUA - für dieselbe Aminosäure kodieren können: Phenylalanin.

Aufgrund dieser Eigenschaft wird gesagt, dass der genetische Code entartet ist, da eine Aminosäure von mehr als einer Sequenz von Tripletts codiert wird, mit Ausnahme der Aminosäure Methionin, die den Beginn der Translation bestimmt.

Der Prozess wird mit bestimmten Stopp- oder Stopp-Triplets gestoppt: UAA, UAG und UGA. Sie sind unter den Namen Ocker, Bernstein und Opal bekannt. Wenn das Ribosom sie erkennt, können sie der Kette keine Aminosäuren mehr hinzufügen.

Chemische und physikalische Eigenschaften

Nukleinsäuren sind von Natur aus sauer und wasserlöslich (hydrophil). Die Bildung von Wasserstoffbrücken zwischen den Phosphatgruppen und den Hydroxylgruppen von Pentosen mit Wasser kann auftreten. Es ist bei physiologischem pH negativ geladen.

DNA-Lösungen sind aufgrund der Verformungsbeständigkeit der Doppelhelix, die sehr starr ist, hochviskos. Die Viskosität nimmt ab, wenn die Nukleinsäure einzelsträngig ist.

Sie sind hochstabile Moleküle. Logischerweise muss dieses Merkmal in den Strukturen, die genetische Informationen tragen, unverzichtbar sein. Im Vergleich zu RNA ist DNA viel stabiler, da ihr eine Hydroxylgruppe fehlt.

DNA kann hitzedenaturiert werden, dh die Stränge trennen sich, wenn das Molekül hohen Temperaturen ausgesetzt wird.

Die Wärmemenge, die angewendet werden muss, hängt vom GC-Prozentsatz des Moleküls ab, da diese Basen durch drei Wasserstoffbrücken verbunden sind, was den Trennungswiderstand erhöht.

In Bezug auf die Absorption von Licht haben sie einen Peak bei 260 Nanometern, der zunimmt, wenn die Nukleinsäure einzelsträngig ist, da die Nukleotidringe freigelegt sind und diese für die Absorption verantwortlich sind.

Evolution

Nach Lazcano et al. 1988 DNA entsteht in Übergangsstadien aus RNA und ist eines der wichtigsten Ereignisse in der Geschichte des Lebens.

Die Autoren schlagen drei Stufen vor: eine erste Periode, in der es nukleinsäureartige Moleküle gab, später bestanden die Genome aus RNA, und als letzte Stufe erschienen die Doppelband-DNA-Genome.

Einige Beweise stützen die Theorie einer auf RNA basierenden Primärwelt. Erstens kann die Proteinsynthese in Abwesenheit von DNA erfolgen, jedoch nicht, wenn RNA fehlt. Weiterhin wurden RNA-Moleküle mit katalytischen Eigenschaften entdeckt.

In Bezug auf die Synthese von Desoxyribonukleotiden (in DNA vorhanden) stammen sie immer aus der Reduktion von Ribonukleotiden (in RNA vorhanden).

Die evolutionäre Innovation eines DNA-Moleküls muss das Vorhandensein von Enzymen erforderlich gemacht haben, die DNA-Vorläufer synthetisieren und an der reversen Transkription von RNA beteiligt sind.

Aus der Untersuchung aktueller Enzyme kann geschlossen werden, dass sich diese Proteine ​​mehrmals entwickelt haben und dass der Übergang von RNA zu DNA komplexer ist als bisher angenommen, einschließlich der Prozesse des Transfers und Verlusts von Genen und des nicht orthologen Ersatzes.

DNA-Sequenzierung

Die DNA-Sequenzierung besteht aus der Aufklärung der Sequenz des DNA-Strangs anhand der vier Basen, aus denen er besteht.

Die Kenntnis dieser Sequenz ist in den Biowissenschaften von größter Bedeutung. Es kann verwendet werden, um zwischen zwei morphologisch sehr ähnlichen Arten zu unterscheiden, Krankheiten, Pathologien oder Parasiten zu erkennen und hat sogar eine forensische Anwendbarkeit.

Die Sanger-Sequenzierung wurde in den 1900er Jahren entwickelt und ist die traditionelle Technik zur Klärung einer Sequenz. Trotz seines Alters ist es eine gültige Methode und wird von Forschern häufig verwendet.

Sanger-Methode

Das Verfahren verwendet DNA-Polymerase, ein hochzuverlässiges Enzym, das DNA in Zellen repliziert und einen neuen DNA-Strang unter Verwendung eines bereits vorhandenen als Leitfaden synthetisiert. Das Enzym benötigt einen Primer, um die Synthese zu initiieren. Der Primer ist ein kleines DNA-Molekül, das zu dem zu sequenzierenden Molekül komplementär ist.

Bei der Reaktion werden Nukleotide hinzugefügt, die vom Enzym in den neuen DNA-Strang eingebaut werden.

Zusätzlich zu den "traditionellen" Nukleotiden umfasst das Verfahren eine Reihe von Didesoxynukleotiden für jede der Basen. Sie unterscheiden sich von Standardnukleotiden in zwei Merkmalen: Strukturell erlauben sie der DNA-Polymerase nicht, dem Tochterstrang mehr Nukleotide hinzuzufügen, und sie haben für jede Base einen anderen Fluoreszenzmarker.

Das Ergebnis ist eine Vielzahl von DNA-Molekülen unterschiedlicher Länge, da die Didesoxynukleotide zufällig eingebaut wurden und den Replikationsprozess in verschiedenen Stadien stoppten.

Diese Vielzahl von Molekülen kann entsprechend ihrer Länge getrennt werden und die Identität der Nukleotide wird mittels der Emission von Licht von der fluoreszierenden Markierung abgelesen.

Sequenzierung der nächsten Generation

Die in den letzten Jahren entwickelten Sequenzierungstechniken ermöglichen die massive Analyse von Millionen von Proben gleichzeitig.

Zu den herausragendsten Methoden gehören die Pyrosequenzierung, die Sequenzierung durch Synthese, die Sequenzierung durch Ligation und die Sequenzierung der nächsten Generation durch Ion Torrent.

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