DNA (deoxyribonucleïnezuur) is een van de belangrijkste componenten van levende materie. Hierdoor wordt het behoud en de overdracht van erfelijke informatie van generatie op generatie uitgevoerd met de mogelijkheid van variabiliteit binnen bepaalde grenzen. De synthese van alle eiwitten die nodig zijn voor een levend systeem zou onmogelijk zijn zonder een DNA-matrix. Hieronder zullen we de structuur, vorming, basiswerking en de rol van DNA in eiwitbiosynthese beschouwen.
De structuur van het DNA-molecuul
Deoxyribonucleïnezuur is een macromolecuul dat uit twee strengen bestaat. De structuur heeft verschillende organisatieniveaus.
De primaire structuur van de DNA-keten is een reeks nucleotiden, die elk een van de vier stikstofbasen bevatten: adenine, guanine, cytosine of thymine. Ketens ontstaan wanneer de deoxyribosesuiker van de ene nucleotide wordt samengevoegd met de fosfaatrest van een andere. Dit proces wordt uitgevoerd met de deelname van een eiwitkatalysator - DNA-ligase
- De secundaire structuur van DNA is de zogenaamde dubbele helix (meer precies, een dubbele schroef). Gronden zijn in staatverbinden zich als volgt met elkaar: adenine en thymine vormen een dubbele waterstofbinding en guanine en cytosine vormen een triple. Deze eigenschap ligt ten grondslag aan het principe van basiscomplementariteit, waarbij ketens met elkaar verbonden zijn. In dit geval treedt een spiraalvormige (vaker rechtse) verdraaiing van de dubbele ketting op.
- Een tertiaire structuur is een complexe conformatie van een enorm molecuul dat ontstaat door extra waterstofbruggen.
- De quaternaire structuur wordt gevormd in combinatie met specifieke eiwitten en RNA en is de manier waarop DNA in de celkern wordt verpakt.
DNA-functies
Laten we eens kijken naar de rol die DNA speelt in levende systemen. Dit biopolymeer is een matrix die een overzicht bevat van de structuur van verschillende eiwitten, RNA dat het lichaam nodig heeft, evenals verschillende soorten regulerende plaatsen. Over het algemeen vormen al deze componenten het genetische programma van het lichaam.
Door DNA-biosynthese wordt het genetische programma doorgegeven aan de volgende generaties, waardoor de erfelijkheid van informatie die fundamenteel is voor het leven wordt gegarandeerd. DNA kan muteren, waardoor de variabiliteit van levende organismen van één biologische soort ontstaat en, als resultaat, het proces van natuurlijke selectie en de evolutie van levende systemen mogelijk is.
Tijdens seksuele reproductie wordt het DNA van een afstammeling van een organisme gevormd door erfelijke informatie van vader en moeder te combineren. Gecombineerd zijn er verschillende variaties, die ook bijdragen aan de variabiliteit.
Hoe het genetische programma wordt gereproduceerd
Door de complementaire structuur is matrix-zelfreproductie van het DNA-molecuul mogelijk. In dit geval wordt de informatie die erin staat gekopieerd. De duplicatie van een molecuul om twee dochter "dubbele helixen" te vormen, wordt DNA-replicatie genoemd. Dit is een complex proces waarbij veel componenten betrokken zijn. Maar met een zekere vereenvoudiging kan het worden weergegeven als een diagram.
Replicatie wordt geïnitieerd door een speciaal complex van enzymen in bepaalde delen van het DNA. Tegelijkertijd wikkelt de dubbele keten zich af en vormt een replicatievork, waar het proces van DNA-biosynthese plaatsvindt - de opbouw van complementaire nucleotidesequenties op elk van de ketens.
Kenmerken van het replicatiecomplex
Replicatie vindt ook plaats met de deelname van een complexe reeks enzymen - replisomes, waarin DNA-polymerase de hoofdrol speelt.
Een van de ketens in de loop van DNA-biosynthese is de leider en wordt continu gevormd. De vorming van een achterblijvende streng vindt plaats door korte sequenties te bevestigen - Okazaki-fragmenten. Deze fragmenten worden geligeerd met behulp van DNA-ligase. Zo'n proces wordt semi-continu genoemd. Bovendien wordt het gekenmerkt als semi-conservatief, aangezien in elk van de nieuw gevormde moleculen een van de ketens de ouder is en de tweede de dochter.
DNA-replicatie is een van de belangrijkste stappen in celdeling. Dit proces ligt ten grondslag aan de overdracht van erfelijke informatie aan de nieuwe generatie, evenals aan de groei van het organisme.
Wat zijn eiwitten
Eiwit ishet belangrijkste functionele element in de cellen van alle levende organismen. Ze voeren katalytische, structurele, regulerende, signalerende, beschermende en vele andere functies uit.
Een eiwitmolecuul is een biopolymeer gevormd door een opeenvolging van aminozuurresiduen. Het wordt, net als nucleïnezuurmoleculen, gekenmerkt door de aanwezigheid van verschillende niveaus van structurele organisatie - van primair tot quaternair.
Er zijn 20 verschillende (canonieke) aminozuren die door levende systemen worden gebruikt om een enorme verscheidenheid aan eiwitten te bouwen. In de regel wordt eiwit niet zelf gesynthetiseerd. De leidende rol bij de vorming van een complex eiwitmolecuul behoort toe aan nucleïnezuren - DNA en RNA.
De essentie van de genetische code
Dus, DNA is een informatiematrix die informatie opslaat over de eiwitten die nodig zijn voor het lichaam om te groeien en te leven. Eiwitten zijn opgebouwd uit aminozuren, DNA (en RNA) uit nucleotiden. Bepaalde nucleotidesequenties van het DNA-molecuul komen overeen met bepaalde aminozuursequenties van bepaalde eiwitten.
Er zijn 20 soorten structurele eiwiteenheden - canonieke aminozuren - in een cel en 4 soorten nucleotiden in DNA. Dus elk aminozuur wordt op de DNA-matrix geschreven als een combinatie van drie nucleotiden - een triplet, waarvan de belangrijkste componenten stikstofbasen zijn. Dit principe van overeenstemming wordt de genetische code genoemd, en base-tripletten worden codons genoemd. gen iseen reeks codons met een record van een eiwit en enkele dienstcombinaties van basen - een startcodon, een stopcodon en andere.
Enkele eigenschappen van de genetische code
De genetische code is bijna universeel - op een paar uitzonderingen na is hij hetzelfde in alle organismen, van bacteriën tot mensen. Dit getuigt ten eerste van de relatie tussen alle levensvormen op aarde en ten tweede van de oudheid van de code zelf. Waarschijnlijk werden in de vroege stadia van het bestaan van primitief leven vrij snel verschillende versies van de code gevormd, maar slechts één kreeg een evolutionair voordeel.
Bovendien is het specifiek (ondubbelzinnig): verschillende aminozuren worden niet gecodeerd door hetzelfde triplet. Ook wordt de genetische code gekenmerkt door degeneratie of redundantie - verschillende codons kunnen overeenkomen met hetzelfde aminozuur.
Genetische gegevens worden continu gelezen; de functies van leestekens worden ook uitgevoerd door drietallen van basen. In de regel zijn er geen overlappende records in de genetische "tekst", maar ook hier zijn uitzonderingen.
Functionele eenheden van DNA
De totaliteit van al het genetische materiaal van een organisme wordt het genoom genoemd. DNA is dus de drager van het genoom. De samenstelling van het genoom omvat niet alleen structurele genen die coderen voor bepaalde eiwitten. Een aanzienlijk deel van het DNA bevat regio's met verschillende functionele doelen.
Dus, DNA bevat:
- regelgevendsequenties die coderen voor specifieke RNA's, zoals genetische schakelaars en regulatoren van structurele genexpressie;
- elementen die het transcriptieproces reguleren - de beginfase van eiwitbiosynthese;
- pseudogenen zijn een soort "fossiele genen" die hun vermogen hebben verloren om te coderen voor een eiwit of te worden getranscribeerd als gevolg van mutaties;
- mobiele genetische elementen - regio's die zich binnen het genoom kunnen verplaatsen, zoals transposons ("springende genen");
- telomeren zijn speciale regio's aan de uiteinden van chromosomen, waardoor het DNA in chromosomen bij elke replicatie wordt beschermd tegen verkorting.
Betrokkenheid van DNA bij eiwitbiosynthese
DNA kan een stabiele structuur vormen, waarvan het belangrijkste element de complementaire verbinding van stikstofbasen is. De dubbele DNA-streng zorgt ten eerste voor de volledige reproductie van het molecuul en ten tweede voor het aflezen van individuele DNA-secties tijdens de eiwitsynthese. Dit proces wordt transcriptie genoemd.
Tijdens transcriptie wordt een stuk DNA dat een bepaald gen bevat losgedraaid, en op een van de ketens - de sjabloonketen - wordt een RNA-molecuul gesynthetiseerd als een kopie van de tweede keten, de coderende keten. Deze synthese is ook gebaseerd op de eigenschap van basen om complementaire paren te vormen. Niet-coderende, dienstgebieden van DNA en het enzym RNA-polymerase nemen deel aan de synthese. RNA dient al als sjabloon voor eiwitsynthese en DNA is niet betrokken bij het verdere proces.
Reverse transcriptie
Lange tijd werd aangenomen dat de matrixhet kopiëren van genetische informatie kan maar in één richting: DNA → RNA → eiwit. Dit schema wordt het centrale dogma van de moleculaire biologie genoemd. Tijdens onderzoek bleek echter dat het in sommige gevallen mogelijk is om van RNA naar DNA te kopiëren - de zogenaamde reverse transcriptie.
Het vermogen om genetisch materiaal van RNA naar DNA over te brengen is kenmerkend voor retrovirussen. Een typische vertegenwoordiger van dergelijke RNA-bevattende virussen is het humane immunodeficiëntievirus. De integratie van het virale genoom in het DNA van een geïnfecteerde cel vindt plaats met de deelname van een speciaal enzym - reverse transcriptase (revertase), dat fungeert als een katalysator voor DNA-biosynthese op een RNA-sjabloon. Revertase maakt ook deel uit van het virale deeltje. Het nieuw gevormde molecuul wordt geïntegreerd in het cellulaire DNA, waar het dient om nieuwe virale deeltjes te produceren.
Wat is menselijk DNA
Menselijk DNA, dat zich in de celkern bevindt, is verpakt in 23 paar chromosomen en bevat ongeveer 3,1 miljard gepaarde nucleotiden. Naast nucleair DNA bevatten menselijke cellen, net als andere eukaryote organismen, mitochondriaal DNA, een factor in de erfelijkheid van mitochondriale celorganellen.
Coderende genen van nucleair DNA (er zijn er van 20 tot 25 duizend) vormen slechts een klein deel van het menselijk genoom - ongeveer 1,5%. De rest van het DNA werd voorheen "junk" genoemd, maar talrijke onderzoeken onthullen de significante rol van niet-coderende regio's van het genoom, die hierboven werden besproken. Het is ook uiterst belangrijk om de processen te bestuderenreverse transcriptie in menselijk DNA.
De wetenschap heeft al een vrij duidelijk begrip gevormd van wat menselijk DNA is in structurele en functionele termen, maar verder werk van wetenschappers op dit gebied zal nieuwe ontdekkingen en nieuwe biomedische technologieën opleveren.
