Riwayat DNA, fungsi, struktur, komponen



itu DNA (Asam deoksiribonukleat) adalah biomolekul yang berisi semua informasi yang diperlukan untuk menghasilkan suatu organisme dan mempertahankan fungsinya. Ini terdiri dari unit yang disebut nukleotida, dibentuk pada gilirannya gugus fosfat, molekul gula lima karbon dan basa nitrogen.

Ada empat basa nitrogen: adenin (A), sitosin (C), guanin (G) dan timin (T). Adenine selalu berpasangan dengan timin dan guanin dengan sitosin. Pesan yang terkandung dalam untai DNA ditransformasikan menjadi RNA kurir dan ini berpartisipasi dalam sintesis protein.

DNA adalah molekul yang sangat stabil, bermuatan negatif pada pH fisiologis, yang dikaitkan dengan protein positif (histones) untuk secara efisien memadatkan dalam inti sel eukariotik. Untaian panjang DNA, bersama dengan berbagai protein terkait membentuk kromosom.

Indeks

  • 1 Sejarah
  • 2 Komponen
  • 3 Struktur
    • 3.1 Hukum Chargaff
    • 3.2 Model heliks ganda
  • 4 Organisasi
    • 4.1 Histones
    • 4.2 Nukleosom dan serat 30 nm
    • 4.3 Kromosom
    • 4.4 Organisasi dalam prokariota
    • 4.5 Jumlah DNA
  • 5 bentuk struktural DNA
    • 5.1 DNA-A
    • 5.2 ADN-Z
  • 6 fungsi
    • 6.1 Replikasi, transkripsi dan terjemahan
    • 6.2 Kode genetik
  • 7 Sifat kimia dan fisik
  • 8 Evolusi
  • 9 sekuensing DNA
    • 9.1 Metode Sanger
  • 10 sequencing generasi baru
  • 11 Referensi

Sejarah

Pada tahun 1953, James Watson dari Amerika dan Francis Crick dari Inggris berhasil menjelaskan struktur tiga dimensi DNA, berkat karya kristalografi yang dilakukan oleh Rosalind Franklin dan Maurice Wilkins. Mereka juga mendasarkan kesimpulan mereka pada karya-karya penulis lain.

Mengekspos DNA ke sinar-X membentuk pola difraksi yang dapat digunakan untuk menyimpulkan struktur molekul: heliks dari dua rantai antiparalel yang berbelok ke kanan, di mana kedua rantai dihubungkan oleh ikatan hidrogen antara basis . Pola yang diperoleh adalah sebagai berikut:

Struktur dapat diasumsikan mengikuti hukum-hukum difraksi Bragg: ketika suatu objek ditempatkan di tengah-tengah sinar sinar-X, itu tercermin, karena elektron-elektron dari objek berinteraksi dengan sinar..

Pada 25 April 1953, hasil Watson dan Crick dipublikasikan dalam jurnal bergengsi Alam, dalam artikel dua halaman berjudul "Struktur molekul asam nukleat", Itu akan sepenuhnya merevolusi bidang biologi.

Berkat penemuan ini, para peneliti menerima Hadiah Nobel dalam bidang kedokteran pada tahun 1962, kecuali Franklin yang meninggal sebelum melahirkan. Saat ini penemuan ini adalah salah satu eksponen besar keberhasilan metode ilmiah untuk memperoleh pengetahuan baru.

Komponen

Molekul DNA terdiri dari nukleotida, satuan yang dibentuk oleh gula lima karbon yang terikat pada gugus fosfat dan basa nitrogen. Jenis gula yang ditemukan dalam DNA adalah jenis deoksiribosa dan karenanya namanya, asam deoksiribonukleat.

Untuk membentuk rantai, nukleotida secara kovalen dihubungkan oleh ikatan fosfodiester melalui gugus 3'-hidroksil (-OH) dari satu gula dan 5'-fosfafo dari nukleotida berikut.

Jangan bingung nukleotida dengan nukleosida. Yang terakhir mengacu pada bagian nukleotida yang terbentuk hanya oleh pentosa (gula) dan basa nitrogen.

DNA terdiri dari empat jenis basa nitrogen: adenin (A), sitosin (C), guanin (G) dan timin (T).

Basa nitrogen diklasifikasikan menjadi dua kategori: purin dan pirimidin. Kelompok pertama terdiri dari cincin yang terdiri dari lima atom yang disatukan dengan cincin enam lainnya, sedangkan pirimidin terdiri dari satu cincin tunggal..

Dari basa yang disebutkan, adenin dan guanin adalah turunan dari purin. Sebaliknya, kelompok pirimidin termasuk timin, sitosin, dan urasil (terdapat dalam molekul RNA).

Struktur

Molekul DNA terdiri dari dua rantai nukleotida. "Rantai" ini dikenal sebagai untai DNA.

Dua untai bergabung dengan ikatan hidrogen antara basis komplementer. Basa nitrogen terkait secara kovalen dengan kerangka gula dan fosfat.

Setiap nukleotida yang terletak di satu untai dapat digabungkan dengan nukleotida spesifik lainnya dari untai lainnya, untuk membentuk heliks ganda yang diketahui. Untuk membentuk struktur yang efisien, A selalu berpasangan dengan T melalui dua jembatan hidrogen, dan G dengan C dengan tiga jembatan.

Hukum Chargaff

Jika kita mempelajari proporsi basa nitrogen dalam DNA, kita akan menemukan bahwa jumlah A identik dengan jumlah T dan sama dengan G dan C. Pola ini dikenal sebagai hukum Chargaff.

Pasangan ini secara energik menguntungkan, karena memungkinkan untuk mempertahankan lebar yang sama di sepanjang struktur, menjaga jarak yang sama di sepanjang molekul kerangka gula-fosfat. Perhatikan bahwa dasar cincin digabungkan dengan salah satu cincin.

Model heliks ganda

Diusulkan bahwa heliks ganda terdiri dari 10,4 nukleotida per putaran, dipisahkan oleh jarak pusat ke pusat 3,4 nanometer. Proses penggulungan menimbulkan pembentukan alur dalam struktur, mampu mengamati alur utama dan minor.

Alur muncul karena ikatan glikosidik pada pasangan basa tidak saling berseberangan, sehubungan dengan diameternya. Dalam alur kecil adalah pirimidin O-2 dan purin N-3, sedangkan alur utama terletak di wilayah yang berlawanan.

Jika kita menggunakan analogi tangga, anak tangga terdiri dari pasangan basa yang saling melengkapi satu sama lain, sedangkan kerangka berhubungan dengan dua pegangan pegangan..

Ujung-ujung molekul DNA tidak sama, jadi kita berbicara tentang "polaritas". Salah satu ujungnya, 3 ', membawa gugus -OH, sedangkan ujung 5' memiliki gugus fosfat bebas.

Kedua untai tersebut terletak antiparalel, yang berarti bahwa keduanya terletak berlawanan dengan polaritasnya, sebagai berikut:

Selain itu, urutan salah satu utas harus saling melengkapi dengan mitranya, jika ditemukan posisi A, dalam utas antiparalel harus ada T.

Organisasi

Di setiap sel manusia ada sekitar dua meter DNA yang harus dikemas secara efisien.

Untai harus dipadatkan sehingga dapat terkandung dalam inti mikroskopis berdiameter 6 μm yang hanya menempati 10% dari volume sel. Ini dimungkinkan berkat tingkat pemadatan berikut:

Histon

Dalam eukariota ada protein yang disebut histones, yang memiliki kemampuan untuk mengikat molekul DNA, menjadi tingkat pertama pemadatan untai. Histones memiliki muatan positif untuk dapat berinteraksi dengan muatan negatif DNA, disumbangkan oleh fosfat.

Histon adalah protein yang sangat penting bagi organisme eukariotik yang hampir tidak berubah selama evolusi - mengingat tingkat mutasi yang rendah menunjukkan bahwa tekanan selektif pada molekul ini kuat. Kerusakan pada histones dapat menyebabkan pemadatan DNA yang rusak.

Histon dapat dimodifikasi secara biokimia dan proses ini memodifikasi tingkat pemadatan bahan genetik.

Ketika histone "hypoacetylated", kromatin lebih terkondensasi, karena bentuk asetilasi menetralkan muatan positif lisin (asam amino bermuatan positif) dalam protein.

Nukleosom dan serat 30 nm

Untai DNA digulung dalam histones dan membentuk struktur yang menyerupai manik-manik kalung mutiara, yang disebut nukleosom. Di jantung struktur ini adalah dua salinan dari masing-masing jenis histones: H2A, H2B, H3 dan H4. Penyatuan histones yang berbeda disebut "octone octamer".

Octamer ini dikelilingi oleh 146 pasang pangkalan, memberikan kurang dari dua putaran. Sel diploid manusia mengandung sekitar 6,4 x 109 nukleotida yang tersusun dalam 30 juta nukleosom.

Organisasi dalam nukleosom memungkinkan untuk memadatkan DNA lebih dari sepertiga panjang aslinya.

Dalam proses ekstraksi bahan genetik dalam kondisi fisiologis, diamati bahwa nukleosom diatur dalam serat 30 nanometer..

Kromosom

Kromosom adalah unit fungsional pewarisan, yang fungsinya adalah untuk membawa gen individu. Gen adalah segmen DNA yang berisi informasi untuk mensintesis protein (atau serangkaian protein). Namun, ada juga gen yang mengkode elemen pengatur, seperti RNA.

Semua sel manusia (kecuali gamet dan eritrosit darah) memiliki dua salinan dari masing-masing kromosom, satu diwarisi dari ayah dan yang lain dari ibu.

Kromosom adalah struktur yang tersusun atas bagian linear panjang dari DNA yang terkait dengan kompleks protein yang disebutkan di atas. Biasanya dalam eukariota, semua bahan genetik yang termasuk dalam nukleus dibagi menjadi serangkaian kromosom.

Organisasi dalam prokariota

Prokariota adalah organisme yang tidak memiliki nukleus. Pada spesies ini, materi genetik sangat digulung bersama dengan protein alkali berbobot molekul rendah. Dengan cara ini, DNA dipadatkan dan terletak di wilayah tengah dalam bakteri.

Beberapa penulis biasanya menggunakan struktur ini "kromosom bakteri", meskipun tidak memiliki karakteristik yang sama dengan kromosom eukariotik..

Jumlah DNA

Tidak semua spesies organisme mengandung jumlah DNA yang sama. Faktanya, nilai ini sangat bervariasi antar spesies dan tidak ada hubungan antara jumlah DNA dan kompleksitas organisme. Kontradiksi ini dikenal sebagai "paradoks nilai C".

Alasan logisnya adalah intuisi bahwa semakin kompleks organisme itu, semakin banyak DNA yang dimilikinya. Namun ini tidak benar di alam.

Misalnya, genom lungfish Protopterus aethiopicus ia memiliki ukuran 132 pg (DNA dapat dikuantifikasi dalam pikogram = pg) sedangkan genom manusia hanya berbobot 3,5 pg.

Ingat bahwa tidak semua DNA dari suatu organisme mengkode protein, sejumlah besar ini terkait dengan elemen pengatur dan berbagai jenis RNA.

Bentuk struktural DNA

Model Watson dan Crick, disimpulkan dari pola difraksi sinar-X, dikenal sebagai heliks B-DNA dan merupakan model "tradisional" dan paling dikenal. Namun, ada dua bentuk berbeda, yang disebut DNA-A dan DNA-Z.

DNA-A

Varian "A" berputar ke kanan, sama seperti DNA-B, tetapi lebih pendek dan lebih luas. Bentuk ini muncul ketika kelembaban relatif menurun.

DNA-A berputar setiap 11 pasangan basa, alur utama lebih sempit dan lebih dalam dari B-DNA. Sehubungan dengan alur minor, ini lebih dangkal dan luas.

ADN-Z

Varian ketiga adalah Z-DNA. Ini adalah bentuk tersempit, dibentuk oleh sekelompok heksanukleotida yang diorganisasikan dalam dupleks rantai antiparalel. Salah satu fitur yang paling mencolok dari formulir ini adalah bahwa ia berbelok ke kiri, sedangkan dua bentuk lainnya melakukannya ke kanan.

Z-DNA muncul ketika ada urutan pendek dari pirimidin dan purin bergantian. Alur yang lebih besar adalah rata dan lebih kecil lebih sempit dan lebih dalam, dibandingkan dengan B-DNA.

Meskipun dalam kondisi fisiologis, molekul DNA sebagian besar dalam bentuk B, keberadaan dua varian yang dijelaskan memperlihatkan fleksibilitas dan dinamika materi genetik..

Fungsi

Molekul DNA berisi semua informasi dan instruksi yang diperlukan untuk pembangunan suatu organisme. Kumpulan informasi genetik lengkap dalam organisme disebut genom.

Pesan dikodekan oleh "alfabet biologis": empat pangkalan yang disebutkan sebelumnya, A, T, G dan C.

Pesan tersebut dapat mengarah pada pembentukan berbagai jenis protein atau pengkodean untuk beberapa elemen pengatur. Proses melalui mana pangkalan-pangkalan ini dapat menyampaikan pesan, dijelaskan di bawah ini:

Replikasi, transkripsi, dan terjemahan

Pesan dienkripsi dalam empat huruf A, T, G dan C sebagai hasilnya menghasilkan fenotipe (tidak semua kode urutan DNA untuk protein). Untuk mencapai ini, DNA harus mereplikasi dirinya dalam setiap proses pembelahan sel.

Replikasi DNA bersifat semikonservatif: untai berfungsi sebagai templat untuk pembentukan molekul anak baru. Enzim yang berbeda mengkatalisasi replikasi, termasuk DNA primase, DNA helicase, DNA ligase dan topoisomerase.

Selanjutnya, pesan - ditulis dalam bahasa urutan basa - harus ditransmisikan ke molekul perantara: RNA (asam ribonukleat). Proses ini disebut transkripsi.

Agar transkripsi dapat terjadi, berbagai enzim harus berpartisipasi, termasuk RNA polimerase.

Enzim ini bertanggung jawab untuk menyalin pesan DNA dan mengubahnya menjadi molekul RNA kurir. Dengan kata lain, tujuan transkripsi adalah untuk mendapatkan utusan.

Akhirnya, pesan tersebut diterjemahkan ke dalam molekul messenger RNA, terima kasih kepada ribosom.

Struktur ini mengambil RNA messenger dan bersama-sama dengan mesin terjemahan membentuk protein yang ditentukan.

Kode genetik

Pesan dibaca dalam "kembar tiga" atau kelompok tiga huruf yang menentukan asam amino - blok struktural protein. Dimungkinkan untuk menguraikan pesan si kembar tiga karena kode genetik telah sepenuhnya diluncurkan.

Terjemahan selalu dimulai dengan asam amino metionin, yang dikodekan oleh triplet awal: AUG. "U" mewakili basis urasil dan merupakan karakteristik dari RNA dan menggantikan timin.

Misalnya, jika messenger RNA memiliki urutan berikut: AUG CCU CUU UUU UUA, itu diterjemahkan ke dalam asam amino berikut: metionin, prolin, leusin, fenilalanin, dan fenilalanin. Perhatikan bahwa ada kemungkinan bahwa dua kembar tiga - dalam hal ini UUU dan UUA - kode untuk asam amino yang sama: fenilalanin.

Untuk sifat ini, dikatakan bahwa kode genetik mengalami degenerasi, karena asam amino dikodekan oleh lebih dari satu urutan kembar tiga, kecuali untuk asam amino metionin yang menentukan awal terjemahan.

Proses dihentikan dengan penghentian spesifik atau stop kembar tiga: UAA, UAG dan UGA. Mereka dikenal dengan nama oker, kuning dan opal, masing-masing. Ketika ribosom mendeteksi mereka, mereka tidak lagi dapat menambahkan lebih banyak asam amino ke rantai.

Sifat kimia dan fisik

Asam nukleat bersifat asam di alam dan larut dalam air (hidrofilik). Pembentukan ikatan hidrogen antara gugus fosfat dan gugus hidroksil pentosa dengan air dapat terjadi. Muatan negatif pada pH fisiologis.

Solusi DNA sangat kental, karena kapasitas ketahanan terhadap deformasi heliks ganda, yang sangat kaku. Viskositas berkurang jika asam nukleat adalah untai tunggal.

Mereka adalah molekul yang sangat stabil. Secara logis, fitur ini harus sangat diperlukan dalam struktur yang membawa informasi genetik. Dibandingkan dengan RNA, DNA jauh lebih stabil karena tidak memiliki gugus hidroksil.

DNA dapat didenaturasi oleh panas, yaitu, untaian terpisah ketika molekul terkena suhu tinggi.

Jumlah panas yang harus diterapkan tergantung pada persentase G-C dari molekul, karena basa ini bergabung dengan tiga ikatan hidrogen, meningkatkan ketahanan terhadap pemisahan.

Adapun penyerapan cahaya, mereka memiliki puncak pada 260 nanometer, yang meningkat jika asam nukleat beruntai tunggal, karena mereka mengekspos cincin nukleotida dan ini bertanggung jawab untuk penyerapan.

Evolusi

Menurut Lazcano et al. 1988 DNA muncul dalam tahap transisi dari RNA, menjadi salah satu peristiwa terpenting dalam sejarah kehidupan.

Para penulis mengusulkan tiga tahap: periode pertama di mana molekul yang mirip dengan asam nukleat ada, kemudian genom terbentuk dari RNA dan sebagai tahap terakhir genom DNA pita ganda muncul.

Beberapa bukti mendukung teori dunia primer berdasarkan RNA. Pertama, sintesis protein dapat terjadi tanpa DNA, tetapi tidak ketika RNA hilang. Selain itu, molekul RNA dengan sifat katalitik telah ditemukan.

Adapun sintesis deoksiribonukleotida (ada dalam DNA) mereka selalu berasal dari reduksi ribonukleotida (ada dalam RNA).

Inovasi evolusioner dari molekul DNA harus mensyaratkan adanya enzim yang mensintesis prekursor DNA dan berpartisipasi dalam retrotranskripsi RNA.

Dengan mempelajari enzim saat ini, dapat disimpulkan bahwa protein ini telah berevolusi beberapa kali dan bahwa transisi dari RNA ke DNA lebih kompleks daripada yang diperkirakan sebelumnya, termasuk proses transfer dan kehilangan gen dan penggantian non-ortologis..

Pengurutan DNA

Sequencing DNA terdiri dalam menjelaskan urutan untai DNA dalam hal empat basis yang menyusunnya.

Pengetahuan tentang urutan ini sangat penting dalam ilmu biologi. Hal ini dapat digunakan untuk membedakan antara dua spesies yang secara morfologis sangat mirip, untuk mendeteksi penyakit, patologi atau parasit dan bahkan memiliki penerapan forensik..

Sequencing Sanger dikembangkan pada 1900-an dan merupakan teknik tradisional untuk memperjelas urutan. Meskipun usianya, itu adalah metode yang valid banyak digunakan oleh para peneliti.

Metode Sanger

Metode ini menggunakan DNA polimerase, enzim yang sangat andal yang mereplikasi DNA dalam sel, mensintesis rantai DNA baru menggunakan pedoman lain yang sudah ada sebelumnya. Enzim membutuhkan a pertama atau primer untuk memulai sintesis. Primer adalah molekul kecil DNA yang melengkapi molekul yang ingin Anda urutan.

Dalam reaksi, nukleotida yang akan dimasukkan ke dalam untai DNA baru oleh enzim ditambahkan.

Selain nukleotida "tradisional", metode ini mencakup serangkaian dideoksinukleotida untuk masing-masing basa. Mereka berbeda dari nukleotida standar dalam dua karakteristik: secara struktural mereka tidak memungkinkan DNA polimerase untuk menambahkan lebih banyak nukleotida ke rantai anak dan memiliki penanda fluoresen yang berbeda untuk setiap basa.

Hasilnya adalah berbagai molekul DNA dengan panjang yang berbeda, karena dideoksinukleotida secara acak dimasukkan dan menghentikan proses replikasi dalam berbagai tahap..

Variasi molekul ini dapat dipisahkan menurut panjangnya dan identitas nukleotida dibaca melalui emisi cahaya dari label fluoresens..

Urutan generasi baru

Teknik pengurutan yang dikembangkan dalam beberapa tahun terakhir memungkinkan analisis besar-besaran jutaan sampel secara bersamaan.

Di antara metode yang paling menonjol adalah pirosequencinging, sekuensing dengan sintesis, sekuensing oleh ligasi dan sekuensing generasi berikutnya oleh Ion Torrent..

Referensi

  1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., et al. (2002). Biologi Molekuler Sel. Edisi ke-4. New York: Ilmu Garland. Struktur dan Fungsi DNA. Tersedia di: ncbi.nlm.nih.gov/
  2. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., et al. (2002). Biologi Molekuler Sel. Edisi ke-4. New York: Ilmu Garland. DNA Kromosom dan Kemasannya dalam Serat Chromatin. Tersedia di: ncbi.nlm.nih.gov
  3. Berg, J.M., Tymoczko, J.L., Stryer, L. (2002). Biokimia Edisi ke-5. New York: W H Freeman. Bagian 27.1, DNA Dapat Berasumsi pada Berbagai Bentuk Struktural. Tersedia di: ncbi.nlm.nih.gov
  4. Fierro, A. (2001). Sejarah singkat penemuan struktur DNA. Klinik Rev Med Las Condes, 20, 71-75.
  5. Forterre, P., Filée, J. & Myllykallio, H. (2000-2013) Asal dan Evolusi Mesin Replikasi DNA dan DNA. Di: Database Biosains Madame Curie [Internet] Austin (TX): Landes Bioscience. Tersedia di: ncbi.nlm.nih.gov
  6. Lazcano, A., Guerrero, R., Margulis, L., & Oro, J. (1988). Transisi evolusi dari RNA ke DNA dalam sel-sel awal. Jurnal evolusi molekuler, 27(4), 283-290.
  7. Lodish, H., Berk, A., Zipursky, S.L., dkk. (2000). Biologi Sel Molekuler. Edisi ke-4. New York: W. H. Freeman. Bagian 9.5, Mengatur DNA Seluler ke dalam Kromosom. Tersedia di: ncbi.nlm.nih.gov/books
  8. Voet, D., Voet, J. G., & Pratt, C. W. (1999). Dasar-dasar biokimia. Baru York: John Willey and Sons.