Deoksiribonukleiinihappo , tai DNA: ta , on makromolekyyli läsnä biologisessa lähes kaikissa soluissa ja monissa virukset . DNA sisältää kaiken geneettisen tiedon, jota kutsutaan genomiksi , mikä mahdollistaa elävien olentojen kehittymisen, toiminnan ja lisääntymisen . Se on nukleiinihappo , kuten ribonukleiinihappo (RNA). Nukleiinihapot ovat peptidien ja hiilihydraattien ohella yksi kolmesta tärkeimmästä biopolymeeriperheestä, jotka ovat välttämättömiä kaikille tunnetuille elämänmuodoille.
Elävien solujen DNA-molekyylit koostuvat kahdesta antiparallel- säikeestä, jotka on kääritty toistensa ympärille kaksinkertaisen kierteen muodostamiseksi . DNA: n sanotaan olevan kaksijuosteinen tai kaksijuosteinen. Jokainen näistä säikeistä on polynukleotidiksi kutsuttu polymeeri . Jokainen sen muodostava monomeeri on nukleotidi , joka muodostuu nukleiiniemästä tai typpipitoisesta emäksestä - adeniinista (A), sytosiinista (C), guaniinista (G) tai tymiinistä (T) - joka on kytketty oseen - tässä, deoksiriboosiin. - itse liittyy fosfaatti ryhmä . Polymeroidut nukleotidit yhdistetään toistensa kanssa kovalenttisilla sidoksilla yhden nukleotidin deoksiriboosin ja seuraavan nukleotidin fosfaattiryhmän välillä, muodostaen siten ketjun, jossa oseet ja fosfaatit vuorottelevat, ja nukleiiniemäkset, joista kukin on kytketty oseen. Järjestys, jossa nukleotidit seuraavat toisiaan pitkin DNA-juosetta, muodostaa tämän juosteen sekvenssin . Juuri tämä sekvenssi kuljettaa geneettistä tietoa. Tämä rakenne on geenejä , jotka on ilmaistu kautta transkriptio osaksi RNA . Nämä RNA: t voivat olla ei-koodaava - siirto -RNA ja ribosomaalisen RNA erityisesti - tai muu koodaus: tässä tapauksessa ne ovat lähetti-RNA: t , jotka on käännetty sisään proteiineja mukaan ribosomien . Nukleiiniemästen peräkkäin DNA: lla määritetään aminohappojen peräkkäin , jotka muodostavat näistä geeneistä johtuvat proteiinit. Nukleiiniemästen ja aminohappojen välinen vastaavuus on geneettinen koodi . Kaikki organismin geenit muodostavat sen genomin .
Yhden DNA-juosteen nukleiinihappoemäkset voivat olla vuorovaikutuksessa toisen DNA-juosteen nukleiiniemästen kanssa vetysidosten kautta , jotka määrittävät emäsparien välisen pariliitoksen säännöt : adeniini- ja tymiiniparit kahden vetysidoksen avulla, kun taas guaniini ja sytosiinipari kolmen vetysidoksen avulla. Normaalisti adeniini ja sytosiini eivät pari, kuten guaniini ja tymiini. Kun kahden säikeen sekvenssit ovat toisiaan täydentäviä, nämä säikeet voivat liittyä toisiinsa muodostaen tyypillisen kaksisäikeisen kierukkarakenteen , jota kutsutaan DNA: n kaksoiskierrokseksi. Tämä kaksoiskierre sopii hyvin geneettisen tiedon tallentamiseen: ose-fosfaattiketju on vastustuskykyinen katkaisureaktioille ; lisäksi tiedot kopioidaan kaksoiskierteen kahteen säikeeseen , mikä tekee mahdolliseksi korjata vahingoittunut säie koskemattomana olevasta toisesta säikeestä; lopuksi tämä informaatio voidaan kopioida DNA-replikaatiosta kutsutun mekanismin avulla , jossa DNA-kaksoiskierre kopioidaan uskollisesti toiseen kaksoiskierteeseen, joka kantaa samaa tietoa. Näin tapahtuu erityisesti solujen jakautumisen aikana: emosolun kukin DNA-molekyyli replikoituu kahteen DNA-molekyyliin, jolloin molemmat tytärsolut saavat siten täydellisen sarjan DNA-molekyylejä. Kukin peli on identtinen toisen kanssa.
Soluissa DNA organisoidaan rakenteiksi, joita kutsutaan kromosomeiksi . Nämä kromosomit tekevät DNA: sta kompaktimman proteiinien , erityisesti histonien , avulla, jotka yhdessä nukleiinihappojen kanssa muodostavat kromatiiniksi kutsutun aineen . Kromosomit osallistuvat myös geeniekspression säätelyyn määrittämällä mitkä DNA-osat tulisi transkriptoida RNA: ksi . In eukaryooteissa ( eläimet , kasvit , sienet ja protisteja ), DNA sisältyvät ensisijaisesti tumassa solujen, joissa on murto-osa DNA läsnä myös mitokondrioissa niin hyvin kuin, ja kasveissa , on kloroplasteissa . In prokaryooteissa ( bakteerit ja arkkien ), DNA sisältyvät sytoplasmassa . In viruksia , jotka sisältävät DNA: ta, se on tallennettu kapsidin . Riippumatta organismista, DNA siirtyy lisääntymisen aikana : sillä on perinnöllisyyden tuki . Geenin emästen sekvenssin muuttaminen voi johtaa geneettiseen mutaatioon , joka voi tapausten mukaan olla hyödyllistä, ilman seurauksia tai haitallista organismille, jopa yhteensopimaton sen selviytymisen kanssa. Esimerkiksi, muuttaminen yhden emäksen yhden geenin - että β-globiini , joka on proteiini alayksikkö on hemoglobiini A - ja ihmisen genotyyppi on vastuussa sirppisoluanemia , joka on geneettinen tauti joukossa yleisin maailmassa.
DNA on pitkä polymeeri, joka muodostuu toistamalla nukleotideiksi kutsuttuja monomeereja . Ensimmäinen DNA on tunnistettu ja eristetty vuonna 1869 alkaen ydin on valkosolujen Sveitsin Friedrich Miescher . Brittiläinen Francis Crick ja amerikkalainen James Watson osoittivat sen kaksoiskierre-rakenteen vuonna 1953 brittiläisten Rosalind Franklinin ja Maurice Wilkinsin saamasta kokeellisesta tiedosta . Tämä kaikille lajeille yhteinen rakenne koostuu kahdesta kierteisestä polynukleotidiketjusta, jotka on kiedottu toistensa ympärille yhteisen akselin ympärille, joiden askel on noin 3,4 nm halkaisijaltaan noin 2, 0 nm . Toinen tutkimus liuoksessa olevan DNA : n geometristen parametrien mittaamisesta antaa halkaisijan 2,2 - 2,6 nm ja pituuden nukleotidia kohden 0,33 nm . Vaikka kukin nukleotidi on hyvin pieni, DNA-molekyylit voivat sisältää niitä miljoonia ja kasvaa merkittäviksi koiksi. Esimerkiksi ihmisen kromosomi 1 , joka on suurin ihmisen kromosomeista , sisältää noin 220 miljoonaa emäsparia, joiden lineaarinen pituus on yli 7 cm .
In elävien solujen DNA yleensä ei ole olemassa yksijuosteisen (yksi- säikeinen ) muodossa, vaan pikemminkin kaksijuosteinen (kaksijuosteinen) muodossa, jossa on kaksoiskierre kokoonpano. Monomeerit muodostavat kukin DNA-juosteen sisältävät segmentti deoksiriboosin - fosfaatti ketju ja nukleiini- pohja liittyy deoksiriboosi. Molekyyli johtuvat sitoutumisesta nukleiiniemäksellä erään ose kutsutaan nukleosidi ; lisäämällä yhdestä kolmeen fosfaatti ryhmien annokseen nukleosidin muodostaa nukleotidin . Polymeeri saatu polymerointi nukleotidien kutsutaan polynukleotidi . DNA ja RNA ovat polynukleotideja.
Ose muodostavat molekyylin pääketjussa on 2'-deoksiriboosi , johdannainen riboosi . Tämä Pentoosi vuorotellen fosfaatin kanssa muodostaen fosfodiesterisidokset välillä atomien n o 3 'ja n o 5' tähteiden vieressä deoksiriboosi. Tämän epäsymmetrisen sidoksen takia DNA-juosteet ovat järkeviä. Kaksoiskierroksessa kaksi DNA-säiettä ovat vastakkaisiin suuntiin: niiden sanotaan olevan antiparalleeleja . 5 ': sta 3' suunnassa DNA-juosteen tarkoittaa tavallisesti, että pään kuljettaa fosfaatti ryhmä -PO 3 2-kohti päätä, jossa on hydroksyyliryhmä –OH; tässä mielessä DNA syntetisoidaan DNA-polymeraaseilla . Yksi suurimmista eroista DNA: n ja RNA: n välillä on se, että molekyylin rungon uskallus on RNA: n tapauksessa riboosi DNA-deoksiriboosin sijasta, mikä vaikuttaa tämän makromolekyylin vakauteen ja geometriaan .
DNA kaksoiskierre stabiloidaan oleellisesti kaksi voimat: vetysidoksia välillä nukleotidien toisaalta, ja pinoaminen vuorovaikutuksista aromaattiset renkaat on nukleiiniemäksiä toisaalta. Kun vesipitoinen ympäristö ja solun , konjugoitu π sidoksia näiden emästen kohdista kohtisuorassa DNA-molekyylin minimoimiseksi niiden vuorovaikutusta solvaatioenergia kerros ja, siksi, niiden vapaa entalpia . DNA: n neljä muodostavaa nukleotidia ovat adeniini (A), sytosiini (C), guaniini (G) ja tymiini (T), jotka muodostavat vastaavasti seuraavat neljä nukleotidia ja muodostavat DNA: n:
DNA: n neljä nukleiiniemästä ovat kahta tyyppiä: toisaalta puriinit - adeniini ja guaniini -, jotka ovat bisyklisiä yhdisteitä, jotka käsittävät kaksi heterosykliä, joissa on viisi ja kuusi atomia, ja toisaalta pyrimidiinit - sytosiini ja tymiini -, jotka ovat monosyklisiä yhdisteet, jotka käsittävät heterosyklin, jossa on kuusi atomia. Emäsparia DNA-kaksoiskierteen koostuvat puriinin vuorovaikutuksessa pyrimidiini- kahden tai kolmen vetysidosten :
Tämän vuoksi komplementaarisuutta, kaikki geneettinen tieto kuljetetaan yhden juosteen DNA-kaksoiskierteen tehdään myös identtisesti toisessa juosteessa. Tähän periaatteeseen perustuu DNA-replikaation mekanismi , ja juuri tähän nukleiiniemästen väliseen täydentävyyteen perustuvat kaikki elävien solujen DNA: n biologiset toiminnot.
DNA: n tiettyjen virusten , kuten bakteriofagien PBS1 ja PBS2 ja Bacillus subtilis , bakteriofagi φR1-37 ja Yersinia ja faagin S6 Staphylococcus , voi korvata tymiinin kanssa urasiili , pyrimidiini- yleensä ominaista RNA mutta normaalisti puuttuu DNA: sta, jossa se löytyy vain sytosiinin hajoamistuotteesta.
Nukleoemäkset mate useammin muodostamalla emäsparin nimeltään "Watson-Crick", joka vastaa kahta tai kolmea vetysidoksia muodostaa kahden emästen suunnattu anti että jäännös on deoksiriboosin . Vetysidoksia voidaan kuitenkin luoda myös syn-suuntautuneen puriinin ja anti-suuntautuneen pyrimidiinin välille : tässä tapauksessa tämä on Hoogsteen-pariliitos . Watson-Crick-emäspari kykenee myös luomaan Hoogsteen-tyyppisiä vetysidoksia kolmannen emäksen kanssa, mikä sallii kolmijuosteisten DNA-rakenteiden muodostumisen .
Vain yksi säikeistä DNA-segmentin, joka muodostaa geeni on transkriptoitu osaksi toiminnallisia RNA , niin että kaksi juostetta geenin, eivät vastaa: yksi, joka transkriptoidaan toiminnallinen RNA sanottu negatiivisen polariteetin ja kuljettaa antisense- sekvenssin , kun taas komplementaarisen juosteen - joka voidaan myös transkriptoida RNA: ksi, mutta ei toimiva - sanotaan olevan positiivinen polaarisuus ja kantaa aistin DNA-sekvenssiä. Toiminnalliseen RNA: han transkriptoitunutta juosetta kutsutaan joskus koodaavaksi juosteeksi, mutta tämä nimitys on voimassa vain tietyssä geenissä, koska saman DNA- kaksoiskierteen kaksi juosetta voivat koodata erilaisia proteiineja; sitten puhumme ambisenseista säikeistä. RNA: t transkriptoidaan myös sense-DNA-sekvensseistä - siis antisense-RNA-sekvensseistä - sekä prokaryooteissa että eukaryooteissa , mutta niiden biologista roolia ei ole täysin selvitetty; yksi hypoteeseja on, että nämä RNA: ita voisi puuttua säätelyssä geeni-ilmentymisen kautta pariutumisen välillä sense- ja antisense-RNA-sekvenssit, jotka ovat, määritelmän mukaan, täydentävä.
Sense- ja antisense-DNA-säikeiden välinen ero hämärtyy tietyntyyppisissä päällekkäisissä geeneissä , melko harvinaisia prokaryooteissa ja eukaryooteissa, mutta yleisempiä plasmideissa ja viruksissa , joissa saman DNA-segmentin molemmat säikeet koodaavat kumpikin erilaista toiminnallista RNA: ta. On bakteerit , tämä päällekkäisyys voi olla rooli geenin transkription säätelyyn, kun taas, viruksia, päällekkäin geenit lisätä määrä geneettistä tietoa, joka voidaan koodata pieni koko virusgenomin.
Vapautunut DNA voi olla lineaarinen, kuten tyypillisesti eukaryooteissa , tai pyöreä, kuten prokaryooteissa . Se voidaan kuitenkin kierretty on joskus monimutkaisella tavalla vaikutuksesta käyttöön ylimääräisiä potkurin kierrosta tai poistaminen kierrosten kaksoiskierre . DNA: n kaksoiskierroksella, joka on tällä tavoin superkääritetty positiivisten tai negatiivisten supersuuntausten vaikutuksesta, on äänenvoimakkuus vastaavasti lyhentynyt tai pidentynyt suhteessa sen rentoon tilaan: ensimmäisessä tapauksessa nukleiiniemäkset on järjestetty tiiviimmin; toisessa tapauksessa, päinvastoin, ne ovat vähemmän vuorovaikutuksessa. In vivo , DNA on tyypillisesti lievästi negatiivinen superkiertyneisyyden vaikutuksen alaisena entsyymien kutsutaan DNA-topoisomeraaseja , jotka ovat olennaisia myös avaamalla jännityksiä tuotu DNA aikana prosesseja, joissa kaksoiskierteen aukikelattavan erottaa siitä. Kaksi säiettä , sellaisenaan erityisesti silloin aikana DNA: n replikaation aikana sen transkription osaksi RNA .
Koska vetysidokset eivät ole kovalenttisia sidoksia , ne voidaan katkaista melko helposti. On siten mahdollista erottaa nämä kaksi säiettä DNA kaksoiskierre kuin vetoketju sekä mekaanisesti vaikutuksesta korkean lämpötilan, sekä alhaisilla suolapitoisuus , on korkea pH-arvo - perus- liuosta - ja alhaisessa pH: ssa - hapan liuos , joka kuitenkin muuttaa DNA: ta erityisesti puhdistamalla. Tätä kaksisäikeisen DNA: n säikeiden erottamista kahden yksijuosteisen DNA-molekyylin muodostamiseksi kutsutaan DNA- fuusioksi tai denaturoitumiseksi . Lämpötila, jossa 50%: n kaksijuosteisen DNA: n hajotetaan kahdeksi yksijuosteista DNA-molekyylejä kutsutaan sulamislämpötila tai osittain denaturointilämpötilan DNA, merkitään T m . Se voidaan mitata seuraamalla DNA: n sisältävän liuoksen optista absorptiota aallonpituudella 260 nm : tämä absorptio kasvaa epäkohdan aikana, jota kutsutaan hyperkromisuudeksi . Vapautuneilla yksisäikeisillä DNA-molekyyleillä ei ole erityistä konfiguraatiota, mutta jotkut kolmiulotteiset rakenteet ovat vakaampia kuin toiset.
DNA-kaksoiskierteen stabiilisuus riippuu olennaisesti rikkoutuvien vetysidosten lukumäärästä kahden säikeen erottamiseksi. Siksi mitä pidempi kaksoiskierre on, sitä vakaampi se on. Kuitenkin, koska G C paria yhdistävät kolme vetysidokset kahden sijasta varten T paria , vakautta kaksinkertainen - stranded DNA-molekyylejä on sama pituus kasvaa määrä G C paria ne sisältävät, mitataan niiden määrä. kirjoittanut GC . Tätä vaikutusta vahvistaa se tosiasia, että saman DNA-juosteen nukleiiniemästen pinoamisvuorovaikutukset ovat vahvempia guaniini- ja sytosiinitähteiden välillä , joten myös DNA- sekvenssi vaikuttaa sen stabiilisuuteen. Sulamislämpötila-DNA riippuu siis pituudesta molekyylien, niiden GC-tasolla, niiden sekvenssi, niiden pitoisuus on liuotin ja ionivahvuus siinä. In molekyylibiologian , on havaittu, että segmentit on kaksijuosteisen DNA: n, jonka toiminta merkitsee sitä, että kaksi juostetta kaksoiskierteen voi helposti erottaa olla korkea T paria : tämä on tapauksessa TATAAT sekvenssin tyypillinen Pribnow joidenkin promoottorien laatikko .
Molemmat DNA- säikeet muodostavat kaksoiskierteen, jonka selkäranka muodostaa kaksi uraa. Nämä urat ovat emäsparien vieressä ja tarjoavat todennäköisesti sitoutumiskohdan eri molekyyleille. Koska DNA-säikeitä ei ole sijoitettu symmetrisesti kaksoiskierteen akseliin nähden, ne määrittelevät kaksi epätasaisen koon vakoa: pääura on 2,2 nm leveä ja pienempi ura 1,2 nm . Reunat nukleiiniemäksiä ovat helpommin suuremman uurteen kuin pienessä urassa. Siten proteiinit , kuten transkriptiotekijät , jotka sitoutuvat spesifisiin sekvensseihin kaksijuosteisessa DNA: ssa, tekevät sen yleensä pääuratasolla.
DNA-kaksoiskierteen mahdollisia konformereita on monia . Klassisia muotoja kutsutaan DNA A , DNA B ja DNA Z , joista vain jälkimmäisiä on havaittu suoraan in vivo . Konformaatiota hyväksyi kaksinkertainen - stranded DNA riippuu sen aste nesteytyksestä , sen sekvenssin , sen osuus superkiertyneisyyden , kemialliset muunnokset emäksistä , joista se koostuu, luonne ja pitoisuus metalli -ioneja on liuos , jopa läsnäolon polyamiinit .
Asetus | DNA A | DNA B | Z DNA |
---|---|---|---|
Potkurin suunta | oikein | oikein | vasemmalle |
Toistettu kuvio | 1 bp | 1 bp | 2 bp |
Pyörimään pari emästen | 32,7 ° | 34,3 ° | 60 ° / 2 |
Pohjapari potkurikierrosta kohti | 11 | 10.5 | 12 |
Potkurin nousu kierrosta kohden | 2,82 nm | 3,32 nm | 4,56 nm |
Akselin pidennys jalustaparilla | 0,24 nm | 0,32 nm | 0,38 nm |
Halkaisija | 2,3 nm | 2,0 nm | 1,8 nm |
Kaltevuus emäsparia akselilla potkurin | + 19 ° | -1,2 ° | -9 ° |
Keskikierre ( potkurin kierre ) | + 18 ° | + 16 ° | 0 ° |
Orientaatio substituentit on emästä on osidic jäämiä |
anti | anti |
Pyrimidiini : anti, Puriini : syn |
Furanoosin taittuva / endosyklinen vääntö ( sokeriripustin ) |
C3'- endo | C2'- endo |
Sytosiini : C2'- endo , guaniini : C2'- ekso |
Geeniekspression DNA riippuu siitä, miten DNA on pakattu kromosomien rakenteeseen nimeltä kromatiinin . Tietyt emäkset voidaan muuttaa muodostumisen aikana kromatiinin, sytosiini tähteet ja alueille, jotka vähän tai ei geneettisesti ilmaistu yleisesti ottaen voimakkaasti metyloitu , ja tämä pääasiassa on CpG- sivustoja . Histonit noin joka DNA on kääritty chromatins voidaan myös kovalenttisesti modifioitu . Kromatiinia itseään voidaan muuttaa kromatiinia uudistavilla komplekseilla. Lisäksi DNA: n metylaatio ja histonien kovalenttinen modifikaatio koordinoidaan vaikuttamaan kromatiinin ja geenien ilmentymiseen .
Täten sytosiinitähteiden metylointi tuottaa 5-metyylisytosiinia , jolla on tärkeä rooli X-kromosomin inaktivaatiossa . Metylaation nopeus vaihtelee organismien välillä, sukkulamaton Caenorhabditis elegansilta puuttuu se kokonaan, kun taas selkärankaisten DNA: sta noin 1% sisältää 5-metyylisytosiinia .
Pyrimidiinien molekyylirakenne on hyvin samanlainen. Siten sytosiini ja 5-metyylisytosiini voidaan deaminoida vastaavasti urasiilin (joka ei ole DNA-koodiin kuuluva emäs) tuottamiseksi ja tymiinin tuottamiseksi . Deaminointireaktio voisi siis edistää geneettisiä mutaatioita .
On olemassa myös muita modifioituja emäksiä DNA, jotka johtuvat esimerkiksi siitä metylaatio on adeniini tähteet on bakteereja , mutta myös sukkulamadot ( Caenorhabditis elegans ), vihreä levät ( Chlamydomonas ) ja hedelmäkärpästen . 5-hydroxymethylcytosine on johdannainen sytosiinin erityisen runsaasti, että aivoissa on nisäkkäiden . Organismit, kuten flagellaatit Diplonema ja Euglena sekä Kinetoplastida- suku , sisältävät lisäksi glykosyloitua pyrimidiiniä, joka on johdettu urasiilista ja jota kutsutaan emäkseksi J ; tämä modifioitu emäs toimii transkription lopetussignaali ja RNA-polymeraasi-II . Useita proteiineja , jotka sitoutuvat spesifisesti emäkseen J, on tunnistettu.
DNA: ta voi vahingoittaa suuri määrä mutageeneja, jotka muuttavat sen sekvenssiä . Näiden mutageenien ovat hapettimia , alkyloivat aineet , energinen sähkömagneettisen säteilyn , kuten UV- ja X ja gamma- säteillä , sekä atomia pienemmät hiukkaset ja ionisoivan säteilyn , kuten ne, jotka johtuvat radioaktiivisuuden tai jopa kosmiset säteet . Tuotettujen vahinkojen tyyppi riippuu mutageenin tyypistä. Siten ultraviolettisäteet pystyvät vahingoittamaan DNA: ta tuottamalla pyrimidiinidimeerejä luomalla siteitä saman DNA- juosteen vierekkäisten emästen välille . Hapettimet, kuten vapaat radikaalit tai vetyperoksidi, aiheuttavat monen tyyppisiä vaurioita, kuten emäksen muutokset, mukaan lukien guanosiini , ja rikkoutumiset kaksijuosteisessa rakenteessa . Tyypillinen ihmissolu sisältää noin 150 000 emästä, jotka hapetin on vahingoittanut. Näiden hapettimien aiheuttamien vaurioiden joukossa vaarallisimmat ovat kaksisäikeiset repeämät, koska ne ovat vaikeimmin korjattavissa ja ne ovat omiaan tuottamaan pistemutaatioita , insertioita ja deleetioita DNA-sekvenssissä sekä kromosomaalisia translokaatioita . Nämä mutaatiot aiheuttavat todennäköisesti syöpää . DNA: n luonnolliset muutokset, jotka johtuvat esimerkiksi reaktiivisia happijohdannaisia tuottavista soluprosesseista , ovat melko yleisiä. Vaikka DNA: n korjaukseen mekanismeja ratkaista useimmat näistä vaurioita, jotkut niistä eivät ole korjattu ja kertyy ajan mittaan postmitotic kudoksissa ja nisäkkäiden . Tällaisten korjaamattomien vaurioiden kertyminen näyttää olevan tärkeä ikääntymisen syy .
Monet mutageenit sopivat kahden vierekkäisen emäsparin väliseen tilaan tavalla, jota kutsutaan interkalaatioksi . Useimmat interkalaatiot tehdään aromaattisilla yhdisteillä ja tasomaisilla molekyyleillä , kuten etidiumbromidilla , akridiinilla , daunorubisiinilla tai doksorubisiinilla . Emästen on siirryttävä toisistaan, jotta interkalaatioyhdiste voidaan työntää sisään, mikä aiheuttaa kaksoiskierteen vääristymisen osittain purkautumalla. Tämä estää sekä DNA: n transkription että replikaation , mikä johtaa sytotoksisuuteen ja mutaatioihin . Näin ollen interkalatoivat yhdisteet voivat olla karsinogeenisia , ja kun kyseessä ovat talidomidin , teratogeeninen . Muut yhdisteet, kuten epoksibentso [ a ] pyreenidiooli ja aflatoksiini, muodostavat addukteja DNA: n kanssa, mikä aiheuttaa virheitä replikaatiossa. Kuitenkin, johtuen niiden kyvystä estää DNA: n transkription ja replikaation, muut samanlaiset toksiinit käytetään myös kemoterapiaa vastaan nopeasti lisääntyviä soluja .
DNA: ta esiintyy pääasiassa kromosomeissa , jotka ovat eukaryooteissa yleensä lineaarisia ja prokaryooteissa pyöreitä . Jälkimmäisessä se löytyy myös kromosomien ulkopuolelta, plasmideista . Solun koko DNA muodostaa sen genomin . Ihmisen genomi edustaa noin kolmea miljardia emäsparia, jotka jakautuvat 46 kromosomiin. Genomiin sisältyvää tietoa kantavat geenit muodostavat DNA-segmentit . Geneettinen informaatio välitetään erityisiä vastaavuussääntöjä emäkset kutsutaan Watson-Crick pariksi: vain kaksi paria yleensä sallittua emäksistä ovat adeniini , jossa on tymiini ja guaniini kanssa sytosiini . Nämä pariliitossäännöt ovat taustalla erilaisille prosessille DNA: n biologisissa toiminnoissa:
Kun solu on jaettu , sen on replikoitava genominsa sisältävä DNA niin, että molemmat tytärsolut perivät saman geneettisen tiedon kuin emosolu. DNA: n kaksoiskierre tarjoaa yksinkertaisen replikaatiomekanismin: molemmat säikeet puretaan irti erottamiseksi ja molemmat säikeet toimivat templaattina juosteen luomiseksi komplementaarisella sekvenssillä muodostamalla pariliitos nukleiiniemästen välillä , mikä mahdollistaa kahden samanlaisen uudelleen muodostamisen kaksijuosteiset DNA-heliksit . Tätä prosessia katalysoi joukko entsyymejä, joiden joukossa DNA-polymeraasit ovat niitä, jotka täydentävät kelautumattomia DNA-juosteita kahden komplementaarisen juosteen rekonstruoimiseksi. Koska nämä DNA-polymeraasit voivat polymeroida DNA: ta vain 5'-3 '-suunnassa , erilaiset mekanismit puuttuvat kaksoiskierteen vastakkaisten säikeiden kopioimiseen :
Genomissa oleva DNA on järjestetty ja tiivistetty prosessissa, jota kutsutaan DNA-kondensaatioksi, jotta se mahtuu solun ahtaaseen tilaan . In eukaryoottien DNA on lokalisoitu pääasiassa tumassa , jossa pieni murto-osa myös mitokondrioissa , ja kasveissa , on kloroplasteissa . In prokaryooteissa , DNA tavataan epäsäännöllinen rakenne sytoplasman kutsutaan nukleoidi . Genomin geneettinen informaatio on järjestetty geeneihin , ja koko tämän tiedon joukkoa kutsutaan genotyypiksi . Geeni on murto-osa DNA: sta, joka vaikuttaa organismin tiettyyn ominaisuuteen ja on siten osa perinnöllisyyttä . Se sisältää avoimen lukukehyksen , joka voidaan transkriptoida osaksi RNA , sekä sekvenssit varten säätö- geenin ilmentymisen , kuten promoottoreita ja tehostajat , jotka valvonta transkription.
Useimmissa lajeissa vain pieni osa genomista koodaa proteiineja . Siten noin 1,5% ihmisen genomista koostuu proteiineja koodaavista eksoneista , kun taas yli 50% ihmisen DNA: sta koostuu toistuvista ei-koodaavista sekvensseistä ; loput DNA: sta koodaa erityyppisiä RNA: ta , kuten siirto-RNA: t ja ribosomaaliset RNA: t . Läsnä sellainen määrä ei-koodaavan DNA: n genomiin ja eukaryoottien kuin sekä suuri vaihtelevuus koko genomin eri organismien - koko, joka ei ole suhteessa monimutkaisuuteen niiden organismien, - on kysymys tunnetaan vuodesta molekyylibiologian alku ja kutsutaan usein C-arvon paradoksiksi , tämä " C-arvo " osoittaa diploidisissa organismeissa genomin koon ja tämän kokoisen moninkertaisen määrän polyploideissa . Kuitenkin tietyt DNA-sekvenssit, jotka koodaavat proteiineja, ei voi koodata molekyylejä ja RNA: n mukana funktionaalinen säätely -geenin ilmentymisen .
Tietyillä ei-koodaavilla DNA-sekvensseillä on rakenteellinen rooli kromosomeissa . Telomeerit ja sentromeerien sisältävät tyypillisesti muutamia geenejä, mutta merkittävästi vaikuttaa biologiset toiminnot ja mekaanista stabiilisuutta kromosomeja. Merkittävä osa ei-koodaavasta DNA: sta koostuu pseudogeeneistä , jotka ovat kopioita geeneistä, jotka on tehty passiivisiksi mutaatioiden seurauksena . Nämä sekvenssit ovat yleensä vain molekyylifossiileja, mutta ne voivat joskus toimia geneettisenä raaka-aineena uusien geenien luomiseen geneettisen päällekkäisyyden ja evoluution divergenssin kautta.
Geenin ilmentyminen on muuntaa genotyyppi organismin fenotyypin , toisin sanoen, joukko piirteitä tämän järjestön. Tähän prosessiin vaikuttavat erilaiset ulkoiset ärsykkeet, ja se koostuu seuraavista kolmesta päävaiheesta:
Huomaa, että samaa DNA: ta voidaan ilmentää organismin kahdessa kehitysvaiheessa (erilaisten repressorien ja derepressanttien vuoksi) hyvin eri tavoin, tunnetuin esimerkki on toukka ja perhonen, morfologisesti hyvin kaukana.
Tiedot geeni koodaa sekvenssi on nukleotidit , että geenin DNA: ta voidaan kopioida nukleiinihappo eri tunnetuista DNA: n ja RNA: n . Tämä RNA on rakenteellisesti hyvin samanlainen kuin yksijuosteinen DNA-molekyyli, mutta eroaa sen nukleotidien annoksen luonteesta - RNA sisältää riboosia, jossa DNA sisältää deoksiriboosia , sekä yhtä sen nukleotideista. Nukleiinihappoemäkset - DNA: n tymiini on korvattu urasiililla .
DNA: n transkriptiota RNA: ksi on monimutkainen prosessi, jonka selvittäminen oli suuri edistysaskel molekyylibiologian toisella puoli on XX th -luvulla. Sitä säännellään tiukasti, erityisesti proteiineilla, joita kutsutaan transkriptiotekijöiksi, jotka vastauksena esimerkiksi hormoneihin mahdollistavat kohdegeenien transkription: näin on esimerkiksi sukupuolihormonien , kuten estrogeenin , progesteronin ja testosteronin tapauksessa .
RNA johtuvat transkription DNA voi olla ei-koodaava tai koodausta. Ensimmäisessä tapauksessa sillä on oma fysiologinen toimintansa solussa ; toisessa tapauksessa se on lähetin-RNA , jota käytetään DNA: n sisältämän geneettisen informaation kuljettamiseen ribosomeihin , jotka järjestävät tämän informaation dekoodauksen käyttämällä siirto-RNA: ta . Nämä siirto-RNA: t on kytketty yhteen aminohappoon 22 proteogeenisen aminohapon joukossa , ja jokaisella on kolmen peräkkäisen nukleiiniemäksen ryhmä, jota kutsutaan antikodoniksi . Näiden antikodonien kolme emästä voivat muodostaa pariliitoksen lähettäjän RNA: n kolmen peräkkäisen emäksen kanssa, jolloin tämä emästen tripletti muodostaa kodonin, joka on komplementaarinen siirto-RNA: n antikodonille. Lähettimen RNA-kodonin ja siirto-RNA-antikodonin komplementaarisuus perustuu Watson-Crick-tyyppisiin pariliitossääntöihin, jotka säätelevät kaksisäikeisten DNA: iden toissijaista rakennetta .
64 mahdollisen kodonin ja 22 proteogeenisen aminohapon välistä vastaavuutta kutsutaan geneettiseksi koodiksi . Tämä koodi toteutuu siten, että erilaiset siirto-RNA: t muodostavat fyysisesti linkin määrätyn aminohapon ja eri antikodonien välillä samojen aminohappoihin sitoutuvien erilaisten siirto-RNA: iden mukaan. Siten annettu nukleiiniemässekvenssi geenissä DNA: lla voidaan muuntaa tarkaksi aminohapposekvenssiksi, joka muodostaa proteiinin solun sytoplasmassa.
Koodoneja on enemmän kuin koodattavia aminohappoja. Sen vuoksi geneettisen koodin sanotaan olevan rappeutunut. Proteinogeenisten aminohappojen lisäksi se koodaa myös translaation loppua käyttämällä kolmea erityistä kodonia, joita kutsutaan STOP- kodoneiksi : TAA, TGA ja TAG DNA: ssa.
Kaikki DNA: n biologiset toiminnot riippuvat vuorovaikutuksesta proteiinien kanssa . Nämä voivat vaihdella epäspesifisistä vuorovaikutuksista vuorovaikutuksiin proteiinien kanssa, jotka sitoutuvat spesifisesti tiettyyn DNA- sekvenssiin . Ja entsyymit voivat myös sitoutumaan DNA: han ja, näiden joukosta polymeraaseja , jotka tarjoavat DNA: n replikaation ja sen transkription osaksi RNA on erityisen tärkeä rooli.
DNA: han sitoutuvat rakenneproteiinit tarjoavat hyvin ymmärrettyjä esimerkkejä epäspesifisistä vuorovaikutuksista proteiinien ja DNA: n välillä. Tämä ylläpidetään kromosomeissa muodostamalla komplekseja rakenneproteiinien kanssa, jotka kondensoivat DNA: n kompaktiin rakenteeseen, jota kutsutaan kromatiiniksi . In eukaryooteissa , tämä rakenne liittyy pieni perus proteiineja kutsutaan histonit , kun se liittyy monia proteiineja eri tyyppiset prokaryooteissa . Histonit muodostavat levyn muotoisen kompleksin DNA: n kanssa, jota kutsutaan nukleosomiksi, joka sisältää kaksi täydellistä kierrosta kaksisäikeistä DNA-molekyyliä kiedotun proteiinin ympärille. Näitä ei-spesifisten vuorovaikutusten välille muodostetaan perus- tähteiden histonien ja happo selkäranka koostuu vuorottelevista ose - fosfaatti kuljettaa nukleiiniemäksiä DNA kaksoiskierre. Tällä tavalla muodostuu ionisidoksia, jotka ovat riippumattomia DNA- emässekvenssistä . Nämä emäksiset aminohappotähteet käyvät läpi kemiallisia muutoksia, kuten metyloinnit , fosforylaatiot ja asetyloinnit . Nämä kemialliset modifikaatiot muuttavat DNA: n ja histonien välisen vuorovaikutuksen voimakkuutta, mikä tekee DNA: sta enemmän tai vähemmän transkriptiotekijöiden saataville ja moduloi siten transkription aktiivisuutta . Muita DNA: han sitoutumattomia proteiineja ovat korkean elektroforeettisen liikkuvuuden ryhmän , HMG: ksi tunnetut, ydinproteiinit , jotka sitoutuvat taipuneeseen tai vääristyneeseen DNA: han. Nämä proteiinit ovat tärkeitä nukleosomiverkostojen joustamiseksi ja niiden järjestämiseksi suuremmiksi rakenteiksi, jotka muodostavat kromosomeja.
Proteiineista, joilla on epäspesifisiä vuorovaikutuksia DNA: n kanssa, erityisryhmän muodostavat ne, jotka sitoutuvat spesifisesti yksijuosteiseen DNA: han . Vuonna ihmisellä , proteiini A on paras ymmärretty edustaja. Se tapahtuu, kun kaksoiskierteen kaksi säikettä erotetaan, erityisesti DNA-replikaation , rekombinaation ja korjauksen aikana . Nämä proteiinit näyttävät stabiloivan yksisäikeistä DNA: ta ja estävän sitä muodostamasta varsi-silmukka - hiusneularakenteita - tai hajoamasta nukleaaseilla .
DNA-sekvenssille spesifiset proteiinitToisaalta muut proteiinit sitoutuvat vain spesifisiin DNA- sekvensseihin . Näiden proteiinien joukossa eniten tutkitaan erilaisia transkriptiotekijöitä , jotka ovat proteiineja, jotka säätelevät transkriptiota . Jokainen transkriptiotekijä sitoutuu vain tiettyyn DNA-sekvenssisarjaan ja aktivoi tai inhiboi geenejä, joiden yksi näistä spesifisistä sekvensseistä on lähellä promoottoria . Transkriptiotekijät toteuttavat tämän kahdella tavalla. Ne voivat ensin sitoutua transkriptiosta vastuussa olevaan RNA-polymeraasiin suoraan tai muiden välittäjäproteiinien kautta; tämä sijoittaa polymeraasin promoottorin tasolle ja antaa sen aloittaa transkriptio. Ne voivat myös sitoutua entsyymeihin, jotka modifioivat histoneja promoottoritasolla, mikä muuttaa DNA: n saatavuutta polymeraasiin.
Koska nämä DNA-kohteet voivat jakautua organismin genomiin , muutos yhden tyyppisen transkriptiotekijän aktiivisuudessa voi vaikuttaa tuhansiin geeneihin. Siksi nämä proteiinit ovat usein signaalinsiirtoprosessien kohde, joka kontrolloi reaktioita ympäristön muutoksiin, solujen kehitykseen tai erilaistumiseen . Näiden transkriptiotekijöiden vuorovaikutuksen spesifisyys DNA: n kanssa johtuu siitä, että nämä proteiinit muodostavat lukuisia kontakteja nukleiiniemästen reunojen kanssa , mikä sallii niiden "lukea" DNA-sekvenssiä. Suurin osa näistä vuorovaikutuksista tapahtuu DNA-kaksoiskierteen pääurassa, jossa emäkset ovat parhaiten käytettävissä.
Nukleaasit ovat entsyymejä, jotka katkaisevat säikeet DNA katalysoimaan hydrolyysi on fosfodiesterisidoksia . Nukleaaseja, jotka pilkkovat DNA-säikeiden päässä olevia nukleotideja, kutsutaan eksonukleaaseiksi , kun taas niitä, jotka pilkkovat DNA-juosteiden sisällä olevia nukleotideja, kutsutaan endonukleaaseiksi . Molekyylibiologiassa yleisimmin käytetyt nukleaasit ovat restriktioentsyymit , jotka pilkkovat DNA: ta tietyissä sekvensseissä . Siten EcoRV-entsyymi tunnistaa kuuden emäksen 5'-GATATC-3 ' sekvenssin ja katkaisee sen keskellä. In vivo nämä entsyymit suojata bakteerien aiheuttamaa infektiota vastaan faagien digestoimalla DNA näiden virusten , kun se saapuu bakteeri- soluun . Molekyyli- suunnittelu, niitä käytetään molekyyli- kloonauksen tekniikoita ja määrittää geneettinen sormenjälki .
DNA-ligaasitPäinvastoin, entsyymit, joita kutsutaan DNA-ligaaseiksi, voivat kiinnittää uudelleen katkenneita tai pilkottuja DNA-juosteita. Nämä entsyymit ovat erityisen tärkeitä DNA-replikaation aikana, koska ne ompelevat replikointihaaran tasolla jäljessä olevalle juosteelle, jota kutsutaan myös epäsuoraksi juosteeksi, tuotetut Okazaki-fragmentit . He osallistuvat myös DNA: n korjaamiseen ja geneettiseen rekombinaatioon .
Topoisomeraasit ovat entsyymejä, jossa on sekä toiminta -nukleaasilla ja toiminta -ligaasia . DNA-gyraasi on esimerkki tällaisista entsyymeistä. Nämä proteiinit muuttavat DNA: n superkelaation nopeutta katkaisemalla kaksoiskierteen, jolloin muodostuneet kaksi segmenttiä voivat pyöriä suhteessa toisiinsa vapauttamalla superkäämit ennen kuin ne ommellaan uudelleen yhteen. Muun tyyppiset topoisomeraasit pystyvät leikkaamaan kaksoiskierteen, jotta toinen kaksoiskierre-segmentti pääsee kulkemaan näin muodostuneen aukon läpi ennen jälkimmäisen sulkemista. Topoisomeraasit ovat välttämättömiä monissa DNA: ta koskevissa prosesseissa, kuten DNA: n transkriptio ja replikaatio .
HelikaasitHelikaasit ovat erilaisia molekyyli- moottoreita . He käyttävät kemiallista energiaa nukleosidin trifosfaatti , olennaisesti ATP , rikkoa vetysidokset välillä emäsparia ja rentoutua DNA kaksoiskierteen vapauttaa molemmat juosteet . Nämä entsyymit ovat välttämättömiä useimmissa prosesseissa, jotka vaativat entsyymejä pääsemään DNA- emästen sisään .
DNA-polymeraasitDNA-polymeraasit ovat entsyymejä, jotka syntetisoivat ketjut polynukleotidit päässä nukleosidi- trifosfaatit . Niiden syntetisoimien ketjujen sekvenssi määräytyy matriisiksi kutsutun jo olemassa olevan polynukleotidiketjun järjestyksen kanssa . Nämä entsyymit toimivat jatkuvasti lisäämällä nukleotideja on hydroksyyli , että 3'-pään kasvavan polypeptidiketjussa. Tästä syystä kaikki polymeraasit toimivat suunnassa 5 '- 3' . Nukleosiditrifosfaatin, jossa on pohja , joka on komplementaarinen templaatin paria ja sitä aktiivisen näiden entsyymien, joka mahdollistaa polymeraaseja tuottaa DNA- säikeiden , jonka sekvenssi on täysin komplementaarinen, että templaatin juosteen.. Polymeraasit luokitellaan niiden käyttämien säikeiden mukaan.
Aikana replikaation , DNA-riippuvaista DNA-polymeraasien kopioita DNA-säikeiden. Geneettisen informaation säilyttämiseksi on välttämätöntä, että jokaisen kopion emässekvenssi on tarkalleen täydentävä templaattisäikeen emässekvenssillä. Tätä varten monilla DNA-polymeraaseilla on kyky korjata mahdolliset replikointivirheet - oikolukutoiminto . Siksi he pystyvät tunnistamaan emäsparin muodostumisessa olevan vian templaattisäikeen ja juuri asettamansa emäksen kasvavan juosteen välillä ja pilkkomaan tämän nukleotidin käyttämällä 3 '→ 5' -eksonukleaasiaktiivisuutta tämän replikaation eliminoimiseksi. virhe. Useimmissa organismeissa DNA-polymeraasit toimivat suurissa komplekseissa, joita kutsutaan replikoomeiksi, jotka sisältävät useita komplementaarisia alayksiköitä , kuten puristimet - DNA-pinsetit - ja helikaasit .
RNA-riippuvaiset DNA-polymeraasit ovat erikoistuneiden polymeraasien luokka, joka kykenee kopioimaan RNA- sekvenssin DNA: han. Ne ovat käänteistranskriptaasi , joka on viruksen entsyymi osallistuu infektion isännän solujen mukaan retroviruksia , ja telomeraasi , entsyymi välttämätöntä telomeerivasta replikaation . Telomeraasi on epätavallinen polymeraasi siinä mielessä, että sen rakenteessa on oma RNA-templaatti.
RNA-polymeraasitTranskriptio on suorittaa RNA-polymeraasin DNA-riippuvaista, joka kopioi DNA-sekvenssi RNA . Geenin transkription aloittamiseksi RNA-polymeraasi sitoo ensin promoottoriksi kutsutun DNA-sekvenssin ja erottaa DNA-juosteet. Sitten se kopioi geenin muodostavan DNA-sekvenssin komplementaariseksi RNA-sekvenssiksi, kunnes se saavuttaa terminaattoriksi kutsutun DNA-alueen , jossa se pysähtyy ja irtoaa DNA: sta. DNA-polymeraasiriippuvaisena DNA: na RNA-polymeraasi II - entsyymi, joka transkriboi suurimman osan ihmisen genomin geeneistä - toimii suuressa proteiinikompleksissa, joka käsittää useita komplementaarisia ja sääteleviä alayksiköitä .
Kutakin solunjakoa edeltää DNA-replikaatio, joka johtaa kromosomien replikaatioon . Tämä prosessi säilyttää normaalisti solun geneettisen informaation, jolloin molemmat tytärsolut perivät täydellisen geneettisen koostumuksen, joka on identtinen emosolun kanssa. Joskus tämä prosessi ei kuitenkaan tapahdu normaalisti ja solun geneettinen tieto muuttuu. Puhumme tässä geneettisen mutaation tapauksessa . Tämä genotyypin muutos voi olla merkityksetön tai päinvastoin muuttaa myös muutettujen geenien ilmentymisestä johtuvaa fenotyyppiä .
DNA-kaksoiskierteen ei yleensä vuorovaikutuksessa muiden DNA-segmenttejä, ja ihmisen soluissa eri kromosomeja jopa kukin miehittää alueen oman sisällä ydin kutsutaan kromosomaaliseen alueeseen . Tämä eri kromosomien fyysinen erottaminen on välttämätöntä DNA: n toiminnalle vakaana ja kestävänä geneettisen tiedon arkistona, koska yksi harvoista tilanteista, jolloin kromosomit ovat vuorovaikutuksessa, tapahtuu geneettisen rekombinaation vastuussa olevan ylityksen aikana , toisin sanoen kun kaksi DNA: n kaksoisheliksiä on rikki, vaihda osat ja hitsata yhteen.
Rekombinaatio antaa kromosomien vaihtaa geenimateriaalia ja tuottaa uusia geenien yhdistelmiä , mikä lisää luonnollisen valinnan tehokkuutta ja voi olla tärkeä osa uusien proteiinien nopeaa evoluutiota . Geneettistä rekombinaatiota voi tapahtua myös DNA: n korjaamisen aikana , varsinkin jos DNA-kaksoiskierteen molemmat säikeet murtuvat samanaikaisesti.
Kromosomaalisen rekombinaation yleisin muoto on homologinen rekombinaatio , jossa kahdella vuorovaikutuksessa olevalla kromosomilla on hyvin samanlaiset sekvenssit . Ei-homologiset rekombinaatiot voivat vahingoittaa vakavasti soluja, koska ne voivat johtaa translokaatioihin ja geneettisiin poikkeavuuksiin. Rekombinaation Reaktio katalysoidaan mukaan entsyymejä kutsutaan rekombinaaseja , kuten RAD51 proteiini . Ensimmäinen vaihe tässä prosessissa on endonukleaasin tai DNA-vaurion aiheuttama kaksoiskierteen molempien säikeiden rikkoutuminen . Rekombinaasin katalysoimien vaiheiden sarja johtaa kahden kierteen liittymiseen ainakin yhdellä Holliday-risteyksellä , jossa jokaisen kaksoiskierteen yksijuosteinen segmentti hitsataan toisen kaksoiskierteen komplementaariseen säikeeseen. Holliday-risteys on ristiinmuotoinen risteys, joka, kun säikeillä on symmetriset sekvenssit, voivat liikkua kromosomiparia pitkin vaihtamalla yhden juosteen toisen kanssa. Rekombinaatioreaktio pysäytetään pilkkomalla risteys ja ompelemalla vapautunut DNA.
DNA: n koodaama geneettinen tieto ei välttämättä ole kiinteä ajan myötä, ja tietyt sekvenssit voivat siirtyä genomin osasta toiseen. Nämä ovat liikkuvia geneettisiä elementtejä . Nämä alkuaineet ovat mutageenisia ja voivat muuttaa solujen genomia . Niistä löytyy erityisesti transposoneja ja retrotransposoneja , joista jälkimmäiset vaikuttavat, toisin kuin edelliset, välituote- RNA: n kautta, joka antaa takaisin DNA-sekvenssin käänteistranskriptaasin vaikutuksesta . He liikkuvat genomissa transposaasien , tiettyjen entsyymien vaikutuksesta, jotka irrottavat ne yhdestä paikasta ja kiinnittävät ne takaisin toiseen paikkaan solun genomissa, ja niiden uskotaan olevan vastuussa vähintään 40 prosentin siirtymästä ihmisen genomiin . Homo sapiensin evoluution aikana .
Nämä siirrettävät elementit muodostavat tärkeän osan elävien olentojen genomista, erityisesti kasveissa, joissa ne edustavat usein suurinta osaa ydin-DNA: sta , kuten maississa, jossa 49 - 78% genomista koostuu retrotransposoneista. In vehnä , lähes 90%: n genomin koostuu toistuvia sekvenssejä ja 68% siirrettävistä elementeistä. In nisäkkäillä , lähes puoli genomin - 45-48% - koostuu siirrettävistä elementeistä tai remanents sen, ja noin 42% ihmisen genomista koostuu retrotransposonien, kun taas 2-3% on muodostettu DNA-transposoneja. Ne ovat siksi tärkeitä elementtejä organismien genomin toiminnassa ja evoluutiossa.
Niin kutsuttu ryhmä I ja ryhmä II intronit ovat muita liikkuvia geneettisiä elementtejä. Ne ovat ribotsyymejä , toisin sanoen RNA-sekvenssejä, joilla on katalyyttisiä ominaisuuksia, kuten entsyymejä , jotka kykenevät autokatalysoimaan oman silmukoitumisensa . Ne, ryhmässä I tarvitse -quaniini nukleotidin on toiminto, toisin kuin ryhmässä II . Esimerkiksi ryhmän I introneja esiintyy satunnaisesti bakteereissa , merkittävämmin yksinkertaisissa eukaryooteissa ja hyvin suuressa määrässä korkeampia kasveja . Lopuksi, ne löytyvät geenien suuren määrän bakteriofagien ja gram-positiivisia bakteereita , mutta vain harvat faagien gram-negatiivisten bakteerien - esimerkiksi faagi T4 .
Solun geneettinen informaatio voi kehittyä plasmamembraanin läpi imeytyvän eksogeenisen geneettisen materiaalin sisällyttämisen vaikutuksesta . Puhumme horisontaalisesta geenisiirrosta , toisin kuin vertikaalinen siirto, joka johtuu elävien olentojen lisääntymisestä . Se on tärkeä evoluutiotekijä monissa eliöissä, etenkin yksisoluisissa . Tähän prosessiin liittyy usein bakteriofaageja tai plasmideja .
Bakteerit kykenevät toimivalta todennäköisesti suoraan imeä ulkoista DNA-molekyylin ja sisällyttää se oman genomiin , prosessissa, jota kutsutaan geneettinen muutos . Ne voivat myös saada tämän DNA: ta plasmidi toisen bakteerin prosessin kautta bakteerien konjugaation . Lopuksi he voivat vastaanottaa tämän DNA: n bakteriofagin ( viruksen ) kautta transduktiolla . Eukaryooteissa voi myös vastaanottaa eksogeenisen geneettisen materiaalin läpi kutsutaan transfektio .
DNA sisältää kaiken geneettisen tiedon, jonka avulla elävät olennot elävät, kasvavat ja lisääntyvät. Ei kuitenkaan tiedetä, onko DNA: lla ollut maapallon elämän historian 4 miljardin vuoden aikana aina tämä rooli. Yksi teoria viittaa siihen, että se oli toinen nukleiinihappo , RNA , joka kantoi planeettamme ensimmäisten elämänmuotojen geneettistä tietoa. RNA olisi ollut keskeinen rooli varhaisessa muodossa solujen aineenvaihduntaa siinä määrin, että se on todennäköisesti sekä välittää geneettistä tietoa ja katalysoivat kemialliset reaktiot , jotka muodostavat ribotsyymejä . Tämä RNA-maailma , jossa RNA olisi toiminut sekä perinnöllisyyden tukena että entsyymeinä , olisi vaikuttanut geneettisen koodin evoluutioon neljällä nukleiinipohjalla , mikä tarjoaa kompromissin geneettisen tiedon koodauksen tarkkuuden välillä, jota pieni määrä emäksiä toisaalta ja entsyymien katalyyttinen tehokkuus, jota toisaalta suosivat suurempi määrä monomeereja .
Ei ole kuitenkaan suoraa näyttöä aineenvaihdunta- ja geneettisten järjestelmien aikaisemmasta olemassaolosta kuin nykyisin, koska geneettisen materiaalin poimiminen useimmista fossiileista on edelleen mahdotonta . DNA ei jatku yli miljoonan vuoden ajan ennen kuin se hajotetaan lyhyiksi fragmenteiksi. Olemassaolo ehjän vanhin DNA on ehdotettu, erityisesti bakteeri toteuttamiskelpoinen uutetaan kide on suolan vanha +150.000.000vuosi, mutta nämä julkaisut ovat edelleen kiistanalaisia.
Jotkut DNA: n komponentit - adeniini , guaniini ja vastaavat orgaaniset yhdisteet - ovat saattaneet muodostua avaruudessa . DNA: n ja RNA: n ainesosia , kuten urasiilia , sytosiinia ja tymiiniä, on myös saatu laboratoriosta olosuhteissa, jotka toistavat planeettojen ja tähtien välisessä ympäristössä esiintyvät olosuhteet meteoriiteista löydetyistä yksinkertaisemmista yhdisteistä, kuten pyrimidiini . Pyrimidiini, kuten jotkut polysykliset aromaattiset hiilivedyt (PAH) - rikkain hiilen yhdisteet havaittu maailmankaikkeudessa - ei voi muodostua punainen jättiläinen tähteä tai tähtienvälisten pilviä .
On kehitetty menetelmiä DNA: n puhdistamiseksi elävistä olennoista, kuten fenoli-kloroformiuutto , ja sen manipuloimiseksi laboratoriossa, kuten restriktioentsyymit ja PCR . Biologia ja biokemian moderni tehdä laajaa käyttöä näiden tekniikoiden molekyyli- kloonaus (in) . Yhdistelmä-DNA on sekvenssi, synteettistä DNA: ta koottu muita DNA-sekvenssejä. Tällainen DNA voi transformoida organismeja plasmidien muodossa tai virusvektorin avulla . Tuloksena geneettisesti muunnettuja organismeja (GMO: t) voidaan käyttää tuotteita, esimerkiksi , yhdistelmä-DNA- proteiineja , käytetään lääketieteellistä tutkimusta , tai maataloudessa .
DNA uutetaan verestä , siemennesteestä , sylki , fragmentti ihon tai hiusten otettu rikospaikalta voidaan käyttää tutkintaan määrittämään epäillyn DNA sormenjälki . Tätä varten sekvenssi DNA-segmenttien, kuten mikrosatelliittisekvenssien tai minisatelliiteista verrataan yksilöiden valittu yhteydessä tai jo lueteltu tietokantoihin. Tämä menetelmä on yleensä erittäin luotettava epäillyn yksilöä vastaavan DNA: n tunnistamiseen. Tunnistaminen voi kuitenkin olla monimutkaisempaa, jos rikospaikka on saastunut useamman kuin yhden henkilön DNA: lla. DNA-tunnisteen kehitti brittiläinen geneetikko Sir Alec Jeffreys vuonna 1984, ja sitä käytettiin ensimmäisen kerran vuonna 1987 väärinkäyttäjän erehdykseksi sarjamurhaajaksi .
Siltä osin kuin DNA kerää mutaatioita ajan myötä, jotka välittyvät perinnöllisyyden kautta , se sisältää historiallista tietoa, jonka geenitutkijat analysoivat vertaamalla eri historiaa edustavien organismien sekvenssejä , on mahdollista jäljittää näiden organismien, toisin sanoen niiden, evoluution historia. fylogeneesi . Tässä lajissa, mikä genetiikan palveluksessa paleobiology , on tehokas tutkiva väline evoluutiobiologian . Vertaamalla DNA-sekvenssit samasta lajista , väestö geneetikot voi opiskella historiaa tiettyjen populaatioiden elävien olentojen, kentän vaihtelevat ekologisen genetiikan antropologiaa . Siten tutkimus mitokondrio-DNA sisällä väestössä käytetään jäljittämään migraatiot on homo sapiens . Haploryhmä X on esimerkiksi tutkittu paleodemography arvioimaan mahdollisia sukulaisuutta paleointiaanit eurooppalaisten populaatiot paleoliittikaudella .
( FR ) Fylogeneettinen puu korostaen kolmen alueilla elämän: eukaryoottien ovat edustettuina punaisella, arkkien vihreä ja bakteerien sinisellä.
Kartta ihmisen vaellukset johdettavissa fylogeneettisissä tutkimuksissa on ihmisen mitokondriogenomi .
Bioinformatiikka käsittää DNA- sekvenssejä sisältävän biologisen datan manipuloinnin, tutkimuksen ja etsinnän . DNA-sekvenssien tallennus- ja etsintätekniikoiden kehittäminen on johtanut muualla laajalti käytettyihin tietokoneavusteisiin , etenkin hakualgoritmien substraatiossa , koneoppimisessa ja tietokantateoriassa . Merkkijonon etsintä algoritmeja , jotka mahdollistavat löytää aakkosjärjestyksen sisältyy jono enää kirjeitä, on kehitetty hakea tiettyjä sekvenssejä nukleotidin . DNA-sekvenssi voidaan kohdistaa muihin DNA-sekvensseihin homologisten sekvenssien tunnistamiseksi ja spesifisten mutaatioiden löytämiseksi, jotka erottavat ne. Näitä tekniikoita, mukaan lukien useiden sekvenssien kohdistus , käytetään proteiinien filogeneettisten suhteiden ja toimintojen tutkimiseen .
Genomin täydellistä sekvenssiä edustavien tietojen arkistot, kuten ihmisen genomiprojektin tuottamat , saavuttavat sellaisen koon, että niitä on vaikea käyttää ilman merkintöjä, jotka tunnistavat geenien ja säätelyelementtien sijainnin jokaisessa kromosomissa . Alueiden DNA-sekvenssit, jotka ovat tunnusomaisia kuviot liittyvät geenit, jotka koodaavat funktionaalisia proteiineja tai RNA: t voidaan tunnistaa geeni ennustus algoritmit , joiden avulla tutkijat voivat ennustaa läsnäolo tietyn geenin tuotteiden ja niiden mahdollinen tehtävä elimistössä. Organismin sisällä jo ennen kuin ne ovat kokeellisesti eristettyjä. Kokonaisia genomeja voidaan myös verrata, mikä voi korostaa tiettyjen organismien evoluutiohistoriaa ja mahdollistaa monimutkaisten evoluutiotapahtumien tutkimuksen.
DNA nano hyödyntää ainutlaatuisia ominaisuuksia molekyylien tunnistamiseen, (fi) DNA: n ja yleisemmin nukleiinihappojen luoda haarautunut DNA-kompleksit itsejärjestyneet jolla on mielenkiintoisia ominaisuuksia. Tästä näkökulmasta DNA: ta käytetään pikemminkin rakennemateriaalina kuin biologisen tiedon kantajana. Tämä on johtanut kaksiulotteisten jaksollisten taulukoiden luomiseen riippumatta siitä, onko ne koottu tiiliksi vai DNA-origamiprosessin avulla , tai kolmiulotteisten, joilla on monitahoinen muoto . DNA- nanokoneita ja -rakenteita on myös tuotettu algoritmisella itsekokoonpanolla . Tällaisia DNA-rakenteita voitaisiin käyttää järjestämään muita molekyylejä , kuten kulta-nanohiukkaset ja streptavidiinimolekyylit , proteiini, joka muodostaa erittäin resistenttejä komplekseja biotiinin kanssa . DNA: han perustuva molekyylielektroniikan tutkimus on saanut Microsoft- yrityksen kehittämään DNA-Strand Displacement (DSD) -nimisen ohjelmointikielen, jota käytetään tietyissä DNA-pohjaisten nanoelektronisten komponenttien suoritusmuodoissa.
Koska elävät olennot käyttävät DNA: ta geenitietojensa tallentamiseen , jotkut tutkimusryhmät tutkivat sitä myös välineenä digitaalisen tiedon tallentamiseen samalla tavalla kuin tietokoneen muisti . Nukleiinihapot esittelee todellakin se etu, että tietojen tallentamiseksi tiheys huomattavasti suurempi kuin perinteisen median - teoriassa enemmän kuin kymmenen suuruusluokkaa - elinikä on myös paljon suurempi.
On teoriassa mahdollista koodata kaksi bittiä ja tietoja kohti nukleotidin , jolloin tallennuskapasiteetti saavuttaa 455000000 teratavua kohti gramma DNA yksijuosteisen edelleen luettavissa useita tuhansia vuosia, vaikka ei-ihanteellinen varastointiolosuhteissa, ja joka koodaa tekniikka jopa 215000 teratavua per gramma DNA- ehdotettiin vuonna 2017; Vertailun vuoksi voidaan todeta, että kaksipuolinen kaksikerroksinen DVD sisältää vain 17 gigatavua tyypilliselle 16 g: n massalle - se on 400 miljardia kertaa vähemmän tallennuskapasiteettia massayksikköä kohden. Muodostama ryhmä European Institute of Bioinformatics siten onnistunut 2012 koodauksessa 757051 tavua ulos 17940195 nukleotidin , joka vastaa varastointi tiheys on noin 2200 teratavua kohti grammaa DNA: ta. Sveitsiläinen työryhmä puolestaan julkaisi helmikuussa 2015 tutkimuksen, joka osoitti piidioksidiin kapseloidun DNA: n kestävyyden kestävänä tietovälineenä.
Lisäksi muut ryhmät työskentelevät mahdollisuuden tallentaa tietoa suoraan eläviin soluihin esimerkiksi koodaamaan laskureita solun DNA: han jakautumisten tai erilaistumisten määrän määrittämiseksi , joita voisi löytää sovelluksia syöpään ja ikääntymistutkimukseen .
DNA eristettiin ensimmäisen kerran 1869 Sveitsin biologi Friedrich Miescher kuten fosfori- rikas aineen päässä mätä käytettyjen kirurgisten siteet. Koska tämä aine havaittiin tumassa on soluissa , Miescher kutsui sitä nuclein . Vuonna 1878 saksalainen biokemisti Albrecht Kossel eristää tämän "nukleiinin" ei- proteiinikomponentin - nukleiinihapot - ja tunnisti sitten viisi nukleiiniemästä . Vuonna 1919, American biologi Phoebus Levenen tunnistaa ainesosien nukleotidien , toisin sanoen, kun läsnä on emästä , joka on ose ja fosfaatti ryhmä . Hän ehdotti, että DNA koostui nukleotidiketjusta, joka oli yhdistetty niiden fosfaattiryhmiin. Hän ajatteli ketjujen olevan lyhyitä ja että jalustat seurasivat toisiaan toistuvasti kiinteässä järjestyksessä. Vuonna 1937 brittiläinen fyysikko ja molekyylibiologi William Astbury tuotti ensimmäisen DNA-diffraktiokuvion röntgenkristallografialla , mikä osoitti, että DNA: lla on järjestetty rakenne.
Vuonna 1927 venäläinen biologi Nikolai Koltsov ymmärsi, että perinnöllisyys perustui "jättiläiseen perinnölliseen molekyyliin", joka koostui "kahdesta toistensa peiliosasta, jotka lisääntyisivät puolikonservatiivisella tavalla käyttäen kutakin säiettä mallina". Hän uskoi kuitenkin, että nämä olivat proteiineja, jotka kuljettivat geneettistä tietoa. Vuonna 1928 englantilainen bakteriologi Frederick Griffith suoritti kuuluisan kokeen, jolla on nyt hänen nimensä ja jolla hän osoitti, että elävät ei- virulentit bakteerit, jotka joutuivat kosketukseen lämmön tappamien virulenttien bakteerien kanssa, voivat muuttua virulenteiksi bakteereiksi. Tässä kokeessa avasi tien tunnistamiseksi on 1944 DNA-vektorina geneettisen tiedon avulla kokeen Avery, MacLeod ja McCarty . Belgian biochemist Jean Brachet osoitti vuonna 1946, että DNA on ainesosana kromosomien , ja rooli DNA perinnöllisyys on vahvistettu 1952 , jonka kokeet Hershey ja Chase , jotka osoittivat, että geneettisen materiaalin faagin T2 koostuu DNA: ta.
Ensimmäisen antiparallelin kaksoiskierre- rakenteen , joka tänään tunnustetaan DNA: n oikeaksi malliksi, julkaisivat amerikkalaiset biokemisti James Watson ja brittiläinen biologi Francis Crick vuonna 1953 Nature- lehden klassikkotuotteena . He työskentelevät aiheesta koska 1951 on Cavendish Laboratory of Cambridge University , ja pidettiin siinä oma vastaavasti itävaltalainen biokemisti Erwin Chargaff , alunperin sääntöjen Chargaff , julkaistu keväällä 1952, mukaan, jotka kuuluvat DNA-molekyyli taso kunkin puriini- emästen on olennaisesti yhtä suuri kuin yhden tason kaksi pyrimidiiniä emästä , tarkemmin taso guaniinin on sama kuin sytosiini ja että taso adeniini on sama kuin tyrniini , joka ehdotti ajatus pariksi adeniinin tymiini ja guaniini kanssa sytosiini.
Toukokuussa 1952 englantilaisen opiskelijan Raymond Gosling , joka työskenteli Rosalind Franklin vuonna John Randall tiimi , otti röntgensädediffraktiokokeella kuva ( Plate 51 ) on erittäin sammutettua DNA kristalli. Tämä tilannekuva jaettiin Crickin ja Watsonin kanssa ilman Franklinin tietämystä ja oli tärkeä tekijä DNA: n oikean rakenteen luomisessa. Franklin oli myös ilmoittanut kahdelle tutkijalle, että rakenteen fosforikehyksen oli oltava tämän rakenteen ulkopuolella eikä lähellä keskiakselia, kuten yksi ajatus sitten. Hän oli edelleen tunnistanut DNA-kiteiden avaruusklusterin , jonka avulla Crick pystyi määrittämään, että DNA: n kaksi säikeet olivat rinnakkaisia. Kun taas Linus Pauling ja Robert Corey julkaisi molekyyli- malli nukleiinihapon , joka on muodostettu kolmesta ketjusta kietoutunut, sopusoinnussa ajatuksia aikaa, fosfaatti ryhmät lähellä keskiakselin ja nukleiiniemäksiä ulospäin, Crick ja Watson päätökseen helmikuussa Vuonna 1953 heidän kaksiketjuinen antiparalleelinen malli fosfaattiryhmien ulkopuolella ja nukleiiniemäkset kaksoiskierteen sisällä, mallia, jota pidetään nyt ensimmäisenä oikeana DNA-rakenteena, joka on koskaan ehdotettu.
Tämä työ julkaistiin Huhtikuu 25, 1953 kysymystä lehden Nature läpi viisi artikkelia kuvata rakennetta viimeistelystä Crick ja Watson, sekä todisteita tämän tuloksen. Ensimmäisessä artikkelissa, jonka otsikko on Nucleic Acids Molecular Structure: A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid , Crick ja Watson toteavat: "Emme ole välttäneet huomiomme, että erityinen pariliitos, jonka postitoimme, ehdottaa välittömästi mahdollista mekanismia materiaalin replikoinnille. ”. Tätä artikkelia seurasi brittiläinen Maurice Wilkins et ai. keskittyminen röntgendiffraktioon B-DNA: lla in vivo , joka tuki kaksoiskierre-rakenteen olemassaoloa elävissä soluissa eikä vain in vitro , ja Franklinin ja Goslinin ensimmäisen julkaisun röntgensäteellä saamastaan datasta diffraktio ja oma analyysimenetelmänsä.
Rosalind Franklin kuoli syöpään vuonna 1958 , joten hän ei saa vuonna 1962 myönnettyä fysiologian tai lääketieteen Nobelin palkintoa "löydöksistään, jotka koskevat nukleiinihappojen molekyylirakennetta ja niiden merkitystä elävän aineen geneettisen tiedon siirtämiselle", Francis Crick, James Watson ja Maurice Wilkins, joilla ei ollut sanaa ansioksi Franklinille hänen työstään; siitä, että hän ei ollut yhteydessä tähän Nobel-palkintoon, keskustellaan edelleen.
Vuonna 1957 Crick julkaisi paperin, joka muotoilee nykyään molekyylibiologian perusteoriaa kuvaamalla DNA: n, RNA: n ja proteiinien välisiä suhteita , jotka on nivelletty "adapterin" ympärille. Vahvistuksen tila Semikonservatiivisiksi replikointi kaksoiskierre tuli 1958 kanssa kokeilua Meselson ja Stahl . Crick et ai. jatkoivat työtään ja osoittivat, että geneettinen koodi perustuu peräkkäisiin nukleiiniemästen kolmioihin , joita kutsutaan kodoneiksi , mikä mahdollisti Robert W. Holleyn , Har Gobind Khoranan ja Marshall W. Nirenbergin tulkita itse geneettisen koodin . Nämä löydöt merkitsivät molekyylibiologian syntymää .
Kierteiset rakenne DNA on inspiroinut useita taiteilijoita, joista kuuluisin on surrealistinen taidemaalari Salvador Dalí , joka innostui sen yhdeksässä maalauksia välillä 1956 ja 1976 , kuten Paysage de Papillon (The Great Masturbator on surrealistinen maisema DNA) (1957 -1958) ja Galacidalacidesoxyribonukleicicid (1963).
” Saimme 757 051 tavua tietoa 337 pg: sta DNA: ta, jolloin tietojen tallennustiheys oli 2,2 PB / g (= 757 051/337 × 10 −12 ) . Toteamme, että tämä tieto tiheys riittää tallentamaan US National Archives ja Records Administration sähköiset asiakirjat arkiston 2011 yhteensä ~ 100 TB on < 0,05 g DNA, Internet Archive Wayback Machines: n 2 PB arkisto sivustojen ~ 1 g of DNA ja CERNin 80 PB CASTOR -järjestelmä LHC-tiedoille ~ 35 g : ssa DNA: ta. "
" Ich habe mich daher später mit meinen Versuchen an die ganzen Kerne gehalten, die Trennung der Körper, die ich einstweilen ohne weiteres Präjudiz als lösliches und unlösliches Nuclein bezeichnen will, einem günstigeren Material überlassend. "
"Luulen, että [ Drosophilan ] sylkirauhasten kromosomien koko määräytyy genonemien lisääntymisen avulla. Nimitän tällä termillä kromosomin aksiaalisen säikeen, jossa geneettiset tutkijat sijoittavat geenien lineaarisen yhdistelmän; … Normaalissa kromosomissa on yleensä vain yksi genoneme; ennen solujen jakautumista tämän genonemen havaitaan olevan jaettu kahteen säikeeseen. "
” Perhosmaisema (Suuri masturboija surrealistisessa maisemassa DNA: n kanssa) osoittaa Dalin otteen. Vaikka tämä oli ensimmäinen, joka luotiin vasta muutama vuosi Watsonin ja Crickin ilmoituksen kaksoiskierteestä, DNA esiintyi monissa Dalin tulevissa teoksissa. Luomisen edustajana on ehkä helppo ymmärtää, miksi perhoset lähtevät tämän maalauksen ikonisesta rakenteesta. Mutta näyttää myös siltä, että Dali käytti DNA: ta symboloimaan paitsi luomista, myös suurempaa ajatusta Jumalasta, ja tämä voi olla syy siihen, miksi osa molekyylirakenteesta työntyy näkyviin pilvistä. "
”Salvador Dali herättää työnsä inspiraation lähteenä suhteensa tieteeseen, erityisesti DNA: han. Hän antaa tiedeelle runollisen ulottuvuuden ja ohjaa sen muovitarkoituksiin. Hän lavastaa sen ja käyttää sitä fantasioidensa ja "paranoidikriittisen" menetelmän palveluksessa. "