DNA Definition

deoxiribonukleinsyra, eller DNA, är en biologisk makromolekyl som bär ärftlig information i många organismer. DNA är nödvändigt för produktion av proteiner, reglering, metabolism och reproduktion av cellen. Stora komprimerade DNA-molekyler med associerade proteiner, kallade kromatin, är mestadels närvarande inuti kärnan. Vissa cytoplasmiska organeller som mitokondrier innehåller också DNA-molekyler.,

DNA är vanligtvis en dubbelsträngad polymer av nukleotider, även om enkelsträngat DNA också är känt. Nukleotider i DNA är molekyler gjorda av deoxiribossocker, ett fosfat och en kvävebas. Kvävebaserna i DNA är av fyra typer-adenin, guanin, tymin och cytosin. Fosfat och deoxiribos socker bildar en ryggrad-liknande struktur, med kvävebaser sträcker sig ut som stegpinnar. Varje sockermolekyl är kopplad genom sin tredje och femte kolatomer till en fosfatmolekyl vardera.,

funktioner av DNA

DNA isolerades och upptäcktes kemiskt innan dess funktioner blev tydliga. DNA och dess relaterade molekyl, ribonukleinsyra (RNA), identifierades initialt helt enkelt som sura molekyler som var närvarande i kärnan. När Mendels experiment på genetik återupptäcktes blev det klart att ärftlighet förmodligen överfördes genom diskreta partiklar och att det fanns en biokemisk grund för arv., En serie experiment visade att bland de fyra typerna av makromolekyler inom cellen (kolhydrater, lipider, proteiner och nukleinsyror) var de enda kemikalier som konsekvent överfördes från en generation till nästa nukleinsyror.

eftersom det blev klart att DNA var det material som överfördes från en generation till nästa, började dess funktioner undersökas.

replikation och ärftlighet

varje DNA-molekyl utmärks av dess sekvens av nukleotider., Det vill säga den ordning i vilken kvävebaser uppträder inom makromolekylen identifierar en DNA-molekyl. Till exempel, när det mänskliga genomet sekvenserades, lades nukleotiderna som utgör var och en av de 23 paren kromosomer ut, som en sträng av ord på en sida. Det finns individuella skillnader i dessa nukleotidsekvenser, men totalt sett för varje organism bevaras stora sträckor. Sockerfosfat ryggraden, å andra sidan, är gemensam för alla DNA-molekyler, över arter, vare sig i bakterier, växter, ryggradslösa djur eller människor.,

När en dubbelsträngad DNA-molekyl måste replikeras är det första som händer att de två strängarna separeras längs en kort sträcka och skapar en bubbelliknande struktur. I denna transienta enkelsträngade region arbetar ett antal enzymer och andra proteiner, inklusive DNA-polymeras, för att skapa den kompletterande strängen, med rätt nukleotid som väljs genom vätebindningsbildning. Dessa enzymer fortsätter längs varje sträng som skapar en ny polynukleotidmolekyl tills hela DNA replikeras.,

livet börjar från en enda cell. För människor är detta zygoten som bildas av befruktning av ett ägg av en sperma. Efter detta produceras hela bländande matrisen av celler och vävnadstyper genom celldelning. Även upprätthållandet av normala funktioner hos en vuxen kräver konstant mitos. Varje gång en cell delar sig dupliceras kärngenetiskt material. Detta innebär att nästan 3 miljarder nukleotider läses och kopieras noggrant., HiFi-DNA-polymeraser och en mängd felreparationsmekanismer säkerställer att det bara finns en felaktigt införlivad nukleotid för varje 10 miljarder baspar.

transkription

den andra viktiga funktionen hos genetiskt material är att styra cellens fysiologiska aktiviteter. De flesta katalytiska och funktionella roller i kroppen utförs av peptider, proteiner och RNA. Strukturen och funktionen hos dessa molekyler bestäms av nukleotidsekvenser i DNA.

När en protein-eller RNA-molekyl behöver produceras, är det första steget transkription., Liksom DNA-replikation börjar detta med den övergående bildningen av en enkelsträngad region. Den ensträngade regionen fungerar sedan som mallen för polymerisering av en komplementär polynukleotid RNA-molekyl. Endast en av de två strängarna av DNA är involverad i transkription. Detta kallas mallsträngen och den andra strängen kallas kodningssträngen. Eftersom transkription också är beroende av komplementär basparning är RNA-sekvensen nästan densamma som kodningssträngen.,


i bilden avbildas kodningssträngarna och mallsträngarna i orange respektive lila. RNA transkriberas i 5′ till 3′ riktning.

Mutation och Evolution

en av huvudfunktionerna hos något ärftligt material ska replikeras och ärvas. För att skapa en ny generation måste genetisk information noggrant dupliceras och sedan överföras. DNA-strukturen säkerställer att den information som kodas inom varje polynukleotidsträng replikeras med häpnadsväckande noggrannhet.,

även om det är viktigt att DNA dupliceras med en mycket hög grad av noggrannhet, kräver den övergripande evolutionsprocessen förekomsten av genetisk variabilitet inom varje art. Ett av sätten på vilket detta händer är genom mutationer i DNA-molekyler.

förändringar i nukleotidsekvensen i genetiskt material möjliggör bildandet av ny allel. Alleler är olika, mestadels funktionella, sorter av varje gen. Till exempel, människor som har b blodgrupp har en viss gen som resulterar i en viss yta protein på röda blodkroppar., Detta protein skiljer sig från ytantigener hos dem som har blodgrupp A. på samma sätt har personer med sicklecellanemi en annan hemoglobin allel jämfört med dem som inte lider av sjukdomen.

närvaron av denna variabilitet gör det möjligt för åtminstone vissa populationer att överleva när det sker en plötslig och drastisk förändring i miljön. Till exempel är individer som bär en muterad allel för hemoglobin i riskzonen för sicklecellanemi. De har dock också en större chans att överleva i regioner där malaria är endemisk.,

dessa mutationer och förekomsten av variabilitet gör det möjligt för populationer att utvecklas och anpassa sig till förändrade omständigheter.

genteknik

på en annan nivå tillåter DNA: s roll som genetiskt material och en förståelse för dess kemi oss att manipulera det och använda det för att förbättra livskvaliteten. Till exempel har genetiskt modifierade grödor som är resistenta mot skadedjur eller torka genererats från vilda sorter genom genteknik. Mycket molekylärbiologi är beroende av isolering och manipulation av DNA, för studier av levande processer.,

struktur av DNA

När dess definitiva roll i ärftlighet etablerades blev förståelsen av DNA: s struktur viktig. Tidigare arbete på proteinkristaller styrde tolkningen av kristallisering och Röntgendifferentiering av DNA. Den korrekta tolkningen av diffraktionsdata startade en ny era för att förstå och manipulera genetiskt material. Medan forskare som Linus Pauling ursprungligen föreslog att DNA kanske gjordes av tre strängar, stödde Rosalind Franklins data närvaron av en dubbel helix.,

strukturen av DNA var därför klarlagd på ett stegvis sätt genom en serie experiment, från kemisk isolering av deoxiribonukleinsyra av Frederich Miescher till röntgenkristallografi av denna makromolekyl av Rosalind Franklin.

dubbla Helix-och Antiparallelsträngar


bilden är en förenklad representation av en kort DNA-molekyl, med deoxiribos sockermolekyler i orange, kopplade till fosfatmolekyler genom en speciell typ av kovalent koppling som kallas fosfodiesterbindningen., Varje kvävebas representeras av en annan färg – tymin i lila, adenin i grönt, cytosin i rött och guanin i blått. Baserna från varje sträng bildar vätebindningar med varandra, stabiliserar den dubbelsträngade strukturen.

strukturen hos sockerfosfatbacken i en DNA-molekyl resulterar i en kemisk polaritet. Varje deoxiribossocker har fem kolatomer. Av dessa kan den tredje och den femte kolatomerna bilda kovalenta bindningar med fosfatmedel genom fosfodiesterbindningar., En fosfodiesterbindning har i huvudsak en fosfatmolekyl som bildar två kovalenta bindningar och en serie av dessa bindningar skapar de två spinesna av en dubbelsträngad DNA-molekyl.

alternerande socker – och fosfatrester resulterar i en ände av varje DNA-sträng som har en fri fosfatgrupp fäst vid det femte kolet i ett deoxiribossocker. Detta kallas 5 ’ slutet. Den andra änden har en reaktiv hydroxylgrupp fäst vid sockermolekylens tredje kolatom och gör 3-änden.

de två strängarna i varje DNA-molekyl har motsatta kemiska polariteter., Det vill säga i slutet av varje dubbelsträngad DNA-molekyl kommer en sträng att ha en reaktiv 3 ’ hydroxylgrupp och den andra strängen kommer att ha den reaktiva fosfatgruppen fäst vid det femte kolet av deoxiribos. Det är därför en DNA-molekyl sägs vara gjord av antiparallelsträngar.

en DNA-molekyl kan se ut som en stege, med en sockerfosfat ryggrad och nukleotidpinnar. En DNA-molekyl bildar emellertid en tredimensionell spiralstruktur, med baserna instoppade inuti dubbelspiralen., Vätebindning mellan nukleotider gör att det intermolekylära avståndet mellan två strängar förblir ganska konstant, med tio baspar i varje tur av dubbelspiralen.

komplementaritet och replikation

nukleotidbaser på en sträng interagerar med dem på den andra strängen genom två eller tre vätebindningar. Detta mönster är förutsägbart (även om undantag finns), med varje tyminbas parning med en adeninbas och guanin-och cytosinnukleotiderna bildar vätebindningar med varandra., På grund av detta, när sekvensen av en enda sträng är känd, avslöjas nukleotiderna som finns i den kompletterande strängen av DNA automatiskt. Till exempel, om en sträng av en DNA-molekyl har sekvensen 5′ CAGCAGCAG 3′, baserna på den andra antiparallel sträng som par med denna sträcka kommer att vara 5′ CTGCTGCTG 3′. Denna egenskap hos DNA-dubbla strängar kallas komplementaritet.

inledningsvis diskuterades hur DNA-molekyler dupliceras. Det fanns tre stora hypoteser om mekanismen för DNA-replikering., De två kompletterande delarna av DNA kunde varva ner på korta sträckor och ge mallen för bildandet av en ny DNA-molekyl, bildas helt från fria nukleotider. Denna metod namngavs den konservativa hypotesen.

Alternativt kan varje Mallsträng katalysera bildandet av dess komplementära sträng genom nukleotidpolymerisering. I detta halvkonservativa replikationssätt skulle alla duplicerade DNA-molekyler bära en sträng från föräldern och en ny syntetiserad sträng. I själva verket skulle alla duplicerade DNA-molekyler vara hybrider., Den tredje hypotesen uppgav att varje stor DNA-molekyl troligen bröts i små segment innan den replikerades. Detta kallades den dispersiva hypotesen och skulle resultera i mosaikmolekyler.

En serie eleganta experiment av Matthew Meselson, och Franklin Stahl, med hjälp från Mason MacDonald och Amandeep Sehmbi tanken att DNA-replikation i själva verket var i semi-konservativ. I slutet av varje dubbleringshändelse bär alla DNA-molekyler en föräldrasträng och en sträng nyskapad från nukleotidpolymerisering.,

upptäckt av DNA

eftersom mikroskop började bli mer sofistikerade och ge större förstoring blev kärnans roll i celldelning ganska tydlig. Å andra sidan fanns det en gemensam förståelse av ärftlighet som ”blandning” av moder-och faderns egenskaper, eftersom fusion av två kärnor under befruktning hade observerats.

upptäckten av DNA som det genetiska materialet började dock troligen med Gregor Mendels arbete. När hans experiment återupptäcktes kom en viktig implikation fram., Hans resultat kunde bara förklaras genom arv av diskreta partiklar, snarare än genom diffus blandning av egenskaper. Medan Mendel kallade dem faktorer, med tillkomsten av kemi i biologiska vetenskaper, började en jakt på den molekylära grunden för ärftlighet.

kemisk isolering av DNA

DNA isolerades först kemiskt och renades av Johann Friedrich Miescher som studerade immunologi. Specifikt försökte han förstå biokemi av vita blodkroppar., Efter att ha isolerat kärnorna från cytoplasman upptäckte han att när syra tillsattes till dessa extrakt, såg strängiga vita klumpar som såg ut som en tufts av ull, separerad från lösningen. Till skillnad från proteiner gick dessa fällningar tillbaka till lösning vid tillsats av en alkali. Detta ledde Miescher att dra slutsatsen att makromolekylen var Sur i naturen. När ytterligare experiment visade att molekylen varken var en lipid eller ett protein, insåg han att han hade isolerat en ny klass av molekyler. Eftersom det härleddes från kärnan, namngav han detta ämne nuklein.,

Albrecht Kossels arbete belyser ämnets kemiska natur när han visade att nuklein (eller nukleinsyra som det började kallas) var gjord av kolhydrater, fosfater och kvävebaser. Kossel gjorde också den viktiga upptäckten som förbinder den biokemiska studien av nukleinsyror med den mikroskopiska analysen av delningsceller. Han kopplade denna sura substans med kromosomer som kunde observeras visuellt och bekräftade att denna klass av molekyler nästan var helt närvarande endast i kärnan., Den andra viktiga upptäckten av Kossel var att länka nukleinsyror med en ökning av protoplasma och celldelning, vilket stärker dess samband med ärftlighet och reproduktion.

gener och DNA

Vid sekelskiftet 1900-talet upplevde molekylärbiologi ett antal seminala upptäckter som gav en ökad förståelse för den kemiska grunden för liv och celldelning. 1944 gav experiment av tre forskare (Avery, McCarty och McLeod) starka bevis för att nukleinsyror, speciellt DNA, förmodligen var det genetiska materialet., Några år senare visade Chargaffs experiment att antalet purinbaser i varje DNA-molekyl motsvarade antalet pyrimidinbaser. 1952, en elegant experiment av Alfred Hershey och Martha Chase bekräftat DNA som det genetiska materialet.

vid denna tid hade framsteg inom röntgenkristallografi tillåtit kristallisering av DNA och studie av dess diffraktionsmönster. Slutligen kan dessa molekyler visualiseras med större granularitet., Data som genereras av Rosalind Franklin gjorde det möjligt för James Watson och Francis Crick att sedan föreslå den dubbelsträngade spiralformade modellen för DNA, med en sockerfosfatbackben. De införlivade Chargaffs regler för purin-och pyrimidinmängder genom att visa att varje purinbas bildade specifika vätebindningslänkar med en annan pyrimidinbas. De förstod även när de föreslog denna struktur att de hade tillhandahållit en mekanism för DNA-duplicering.,


för att visualisera denna molekyl byggde de en tredimensionell modell av ett dubbel spiralformigt DNA med hjälp av aluminiummallar. Bilden ovan visar mallen för basen tymin, med exakta bindningsvinklar och längder.


Den slutliga modellen byggd av Watson och Crick (som framgår ovan) visas nu på National Science Museum i London.

frågesport

1. Vilken av dessa uttalanden om DNA är inte sant?
A. i eukaryoter finns DNA uteslutande i kärnan
B., DNA är det genetiska materialet för vissa virus
C. DNA-replikering är semi-konservativ
D. ingen av ovanstående

svar på Fråga #1
a är korrekt. Även i eukaryoter finns DNA utanför kärnan. Organeller som mitokondrier och kloroplaster bär några DNA-molekyler.

2. Vilka av dessa forskare utformade ett experiment för att visa att DNA-replikering var halvkonservativ?
A. Meselson
B. James Watson
C. Linus Pauling
D. alla ovanstående

svar på Fråga #2
a är korrekt., Bland dessa tre forskare var endast Meselson involverad i utformningen av experimentet som visade hur DNA replikerades. Linus Pauling var involverad i att utveckla röntgenkristallografi som en metod för att förstå strukturen hos biologiska makromolekyler. James Watson använde röntgendiffraktionsdata som genereras av Rosalind Franklin för att föreslå den dubbla spiralformade modellen för DNA: s tredimensionella struktur.

3. Varför var återupptäckandet av Mendels experiment viktigt för utvecklingen av molekylärbiologi?
A., Mendels experiment föreslog att DNA var det ärftliga materialet
B. Mendels lagar om arv föreslog att det fanns diskreta biokemiska partiklar involverade i ärftlighet
C. Mendels experiment med ärtväxter gav molekylärbiologer en användbar modellorganism
D. alla ovanstående

svar på Fråga #3
b är korrekt. Tills Mendel experimenterade med ärtväxter var det aldrig klart hur ärftlighet uppnåddes. Även om de grova mekanismerna alltid var kända var detaljerna aldrig tydliga., Allmän kunskap tycktes föreslå att drag nådde en ”genomsnittlig” mellan föräldrarna. Till exempel, med en lång förälder och en kort förälder, avkomman var oftast av mellanliggande höjd. På samma sätt för hudfärgning och så vidare. Men när Mendel hade gjort sina experiment med äkta avelsprover var det ganska tydligt att diskreta partiklar var ärftliga. Detta, tillsammans med framsteg inom kemi, möjliggjorde utvecklingen av molekylärbiologi och biokemi som studieområden. Det fanns inget i Mendels experiment som tydde på att DNA var det genetiska materialet., Dessutom är Mendels ärtväxter inte riktigt föredragna som modellorganismer på grund av de stora områdena behöver odla proverna och deras långa generationstid.

Written by 

Lämna ett svar

Din e-postadress kommer inte publiceras. Obligatoriska fält är märkta *