Anatómia a fyziológia DNA
DNA a RNA sú dve nukleové kyseliny, ktoré hrajú zásadnú úlohu v ľudskej dedičnosti a sú nositeľmi genetickej informácie. Predtým, ako sa pustíme do podrobností o štruktúre a funkcii každého z nich, mali by sme sa oboznámiť so základmi, ktoré nám pomôžu pochopiť zložitosť mechanizmov dedenia.
Chemická štruktúra
Rozdiel medzi DNA a RNA je daný typom pentózového cukru, ktorý obsahujú ich nukleotidy: deoxyribóza-D pre DNA a ribóza-R pre RNA. DNA (kyselina deoxyribonukleová) sa skladá z dvoch polynukleotidových reťazcov (reťazcov) a RNA (kyselina ribonukleová) má iba jeden polynukleotidový reťazec. Pentózy a radikál fosforu sú spoločné pre všetky makromolekuly DNA v živom svete, dusíkaté bázy sú tí, ktorí konferujú špecifickosť v rámci dedičného javu. Fosfátový radikál dodáva kyselinám a negatívnym nábojom molekuly DNA a RNA.
Každá nukleová kyselina obsahuje 4 typy nukleotidov, pričom rozdielom medzi nimi sú dusíkaté bázy, ktoré vstupujú do ich štruktúry: adenín (A), guanín (G), cytozín (C) a tymín (T) pre DNA a adenín, guanín, cytozín a uracil (U) pre RNA. Dusíkaté bázy sú tiež 2 typov:
- Puríny: adenín (A) a guanín (G)
- Pyrimidíny: cytozín (C), tymín (T) a uracil (U)
Pre DNA: P- D- A P- D- G P- D- C P- D- T
Pre RNA: P- R- A P- R- G P- R- C P- R- U
Pre každú nukleovú kyselinu existujú iba 4 typy nukleotidov, ale možnosti rekombinácie, biochemického kódovania a implicitného vytvárania rôznych súborov dedičných informácií sú teoreticky nekonečné. Aktívna aktívna nukleotidová sekvencia makromolekúl nukleovej kyseliny obsahuje najmenej 3 000 nukleotidov, pričom dosahuje horné hranice stotisíc miliónov nukleotidov. Okrem toho sa jednotky A-T a C-G môžu striedať a opakovať 2,3-krát. Preto majú nukleové kyseliny obrovský potenciál kódovania tým, že zabezpečujú prenos genetickej informácie z jednej generácie na druhú počas procesu bunkového delenia.
DNA
to je hmotná podpora dedičnosti a variability, v tejto súvislosti existuje veľa experimentálnych dôkazov:
- DNA má štruktúru špecifickú pre každý druh, špecifickosť vďaka neperiodickému usporiadaniu dusíkatých báz v štruktúre molekuly
- Má schopnosť replikovať sa, teda prenášať genetické informácie z jednej generácie na druhú
- V jadre diploidných somatických buniek (obsahujúcich páry homológnych chromozómov), bez ohľadu na tkanivo, je obsah DNA približne rovnaký
- V jadre buniek haploidných gamét (s nepárovými chromozómami) sa množstvo DNA zníži o polovicu.
- Množstvo DNA je priamo úmerné počtu chromozómov: diploidných alebo haploidných a závisí od fáz bunkového cyklu.
Primárna a sekundárna štruktúra
Zásada komplementarity
V prípade sekundárnej štruktúry určuje sekvencia báz v reťazci postupnosť báz v opačnom reťazci z dôvodu, že majú komplementárne sekvencie, adenín komplementárny k tymínu a guanín komplementárny k cytozínu. Existujú dva vodíkové mostíky medzi adenínom a tymínom a tri medzi guanínom a cytozínom, mostíky, ktoré sa rozpúšťajú v teple a vedú k oddeleniu jednovláknových reťazcov od DNA. Skreslenie DNA. G-C väzby obsahujúce 3 H väzby sa ťažšie odbúravajú ako A-T väzby obsahujúce 2 väzby. Pomalým ochladzovaním zmesi denaturovaných jednotlivých reťazcov sa kombinujú na základe komplementarity a obnovujú pôvodnú štruktúru. (Žíhanie). To vysvetľuje, ako prebieha replikácia DNA, oprava DNA alebo prepis informácií.
Schopnosť samoopaľovanie DNA je dané komplementárnosť a antiparalelnosť kopolymérnych báz, teda informácia sa zachováva v postupnosti bunkových generácií. M-RNA, ktorá dekóduje genetickú správu, zaisťuje genetický determinizmus a fenotypovú expresiu dedičných znakov.
Terciárna štruktúra DNA
Je to dané priestorovým trojrozmerným rozložením dvoch špirálových reťazcov. Watson a Crick preukázali, že fosfo-sacharidový skelet makromolekuly je na vonkajšej strane a dusíkaté bázy na vnútornej strane, rovina párov báz je kolmá na dlhú os molekuly, medzi existujúcimi pármi hydrofóbne interakcie ktoré zvyšujú stabilitu konštrukcie. V závislosti od terciárnej štruktúry existuje niekoľko typov molekúl DNA, ktoré sú izomorfné: A a B (dextrogire- otočiť rovinu polarizovaného svetla doprava) a o typ Z (ľavák- otáča rovinu polarizovaného svetla doľava).
U eukaryotov je DNA spojená s histón (proteíny) soľnými väzbami, čo vedie k nukleoproteín. Proteíny zväčšujú priemer molekuly DNA na 200 Å a spolu s iónmi vápnika (Ca 2+) stabilizujú priestorovú architektúru DNA. V kombinácii s proteínmi má DNA dĺžku asi 4000 Á, ale odstránením histónov môže dosiahnuť 7000-8000 Á a priemer 20 Á. Jeho molekulová hmotnosť je 12-16 x 106 daltonov a ľudská diploidná somatická bunka obsahuje cca. 7 x 10 - 9 mg DNA.
Štruktúra dvojreťazcový DNA má vysokú fyzickú stabilitu zabezpečenú vertikálne intrakaneárnymi fosfodiesterovými mostíkmi a horizontálne interkatálnymi vodíkovými mostíkmi. Molekuly deoxyribózy sú umiestnené na jednom reťazci s kyslíkom kruhu molekuly orientovaným nahor a na druhom reťazci s kyslíkom orientovaným dole, takže celá molekula je nútená špirálovito vytvárať trojrozmernú špirálovú štruktúru v dvojitej špirále. Každý nasledujúci pár dusíkatých báz sa otáča o 36 stupňov v smere hodinových ručičiek (krútenie v smere hodinových ručičiek) a dvojitá špirála robí každých 10 párov dusíkatých báz úplnú otočku o 360 stupňov.
Syntéza DNA
Proces syntézy DNA je najdôležitejšou udalosťou v prípade bunkového delenia, ktoré zaisťuje úplný prenos genetickej informácie uloženej v chromozomálnej DNA. Skutočnosť, že DNA sa počas delenia nevyčerpáva, je dôsledkom procesu replikácia (autokópia), geneticky naprogramovaný proces separácie vlákien a komplementárne zostavenie nukleotidov na každom vlákne templátu, čím sa vytvárajú nové molekuly DNA.
Replikácia je polokonzervatívna a je vyrobená podľa modelu zipsu navrhovaného Watsonom a Crickom, podľa ktorého sa dvojitá špirála postupne rozvíja podobne ako zips a odhaľuje voľné základy na každej retiazke. Kvôli komplementárnosti bude každá exponovaná báza spojená so svojou komplementárnou bázou.
enzýmy procesu replikácie sú:
topoizomeráza - iniciuje rozpustenie dvojitej špirály rodičovskej DNA
helikáza - podieľa sa na uvoľňovaní väzieb medzi 2 rodičovskými reťazcami spolu s topoizomerázou
- proteín, ktorý stabilizuje samostatné reťazce a zastavuje rekombináciu 2 plesní
DNA polymeráza - rodina enzýmov, ktoré zabezpečujú rast novo vytvoreného reťazca DNA väzbou komplementárnych nukleotidov na vlákno templátu. Podieľa sa tiež na oprave chýb pri replikácii.
ligáza - väzba novovzniknutých krátkych segmentov DNA na templátové vlákno
PRINCÍPY
1. Každý exponovaný reťazec DNA je templátom pre syntézu nového vlákna
2. V molekulách DNA vznikajúcich replikáciou bude vždy staré vlákno (matrica) a nové syntetizované väzbou komplementárnych dusíkatých báz.
Enzým, ktorý sa podieľa na syntéze nového reťazca DNA, sa nazýva DNA polymeráza ktorý je zapojený do procesu spolu so 4 nukleotidovými trifosfátmi (dATP, dCTP, dGTP a dTTP), horčíkovými iónmi, primérom a rodičovskými reťazcami DNA.
Zvýšenie reťazca DNA pomocou DNA polymerázy vyžaduje, aby bola 3'-OH skupina deoxyribózy voľná, syntéza nepretržite prúdiaca v smere 5'-3 ', enzým majúci dve základné vlastnosti:
- predlžuje už existujúci reťazec primérovej DNA (templát)
- katalyzuje pridanie nukleotidov k 3'-OH koncu pri zachovaní rastu v 5'-3 '.
Replikácia DNA
Oprava DNA
V takom zložitom procese, aký je semikonzervatívna syntéza DNA často sa môžu vyskytnúť chyby, najmä pri pôsobení faktorov prostredia, ako je ionizujúce žiarenie alebo toxické látky, ktoré pôsobia počas replikácie DNA alebo v medzifázové štádium G1 (prvá fáza cyklu delenia buniek) môže spôsobiť chyby v sekvencii makromolekuly DNA, ktoré je potrebné opraviť, aby sa zabránilo genetickým mutáciám.
Ak by DNA polymeráza omylom zaviedla nukleotid, malo by to za následok a genetická chyba 10-4 (1 chyba z 10 na štvrtom vytvorenom základe), ale v skutočnosti chyba je 10-8 kvôli schopnosti DNA polymeráz detekovať a opravovať chyby počas replikácie.
Počas replikácie polymeráza obklopuje DNA ako kapsulu a keď dusíkatá báza spojená s templátom nie je komplementárna, priestorová štruktúra DNA sa mení zväčšením objemu molekuly a blokovaním aktivity a excízie DNA polymerázy. nekomplementárny základ, čím sa opraví chyba.
Typy bunkovej DNA
V eukaryotickej bunke sú 2 typy DNA, jadrové a mitochondriálne, tieto sú zasa rozdelené do niekoľkých podtypov.
Druhy jadrovej DNA:
• Opakujúce sa. to je neinformácie a jeho časť sa podieľa na syntéze ribozomálnej RNA a transportnej RNA. Je zoskupený okolo chromozomálnej centroméry a je rozdelený na vysoko repetitívnu DNA a mierne repetitívnu DNA.
• opakujúci sa. to je informácie a jeho nukleotidové sekvencie sú v genóme jedinečné. Zastupovať 5 - 10% všetkej jadrovej DNA v Homo Sapiens, zvyšných 90 - 95% predstavuje opakovaná DNA, ktorá nemá funkciu ukladania a prenosu genetickej informácie.
Mitochondriálna DNA je genetický materiál mitochondrií, bunkových orgánov s redoxnou funkciou zapojených do bunkového dýchania. Tento typ DNA je zodpovedný za syntézu respiračných enzýmov. Jeho replikáciu inhibujú rifampicín a chloramfenikol, antibiotiká, ktoré nemajú žiadny vplyv na jadrovú DNA.