DNA - DNA


Da Wikipédia, a enciclopédia livre

A estrutura do ADN de dupla hélice . Os átomos na estrutura são codificados por cor elemento e as estruturas pormenorizadas de dois pares de bases são apresentados na parte inferior direita.
A estrutura de uma parte de um ADN de dupla hélice

Ácido desoxirribonucleico ( / d i ɒ k s ɪ ˌ r b nj u ˌ k l i ɪ k , - ˌ k l - / ( escutar )Sobre este som ; DNA ) é uma molécula composta de duas cadeias que bobina em torno de si para formar uma dupla hélice de transporte genéticos instruções para o desenvolvimento, funcionamento, o crescimento e a reprodução de todas as conhecidas organismos e muitosvírus . ADN e ácido ribonucleico (ARN) são ácidos nucleicos ; juntamente com proteínas , lípidos e hidratos de carbono complexos ( polissacáridos ), os ácidos nucleicos são um dos quatro principais tipos de macromoléculas que são essenciais para todas as formas conhecidas de vida .

As duas cadeias de ADN são também conhecidas como polinucleidos como eles são compostos por mais simples monoméricos unidades denominadas nucleótidos . Cada nucleótido é composto de uma das quatro contendo azoto nucleobases ( citosina [C], guanina [L], adenina [A] ou timina [T]), um açúcar chamado desoxirribose e um grupo fosfato . Os nucleótidos estão unidos uns aos outros numa cadeia por ligações covalentes entre o açúcar de um nucleótido e o fosfato da próxima, resultando em um alternada esqueleto de açúcar-fosfato . As bases azotadas das duas cadeias de polinucleidos separados são ligados em conjunto, de acordo com a base de emparelhamento de regras (A com T e C com G), com ligações de hidrogénio para fazer o DNA de cadeia dupla. As bases azotadas complementares são divididos em dois grupos, pirimidinas e purinas . No DNA, as pirimidinas são timina e citosina; as purinas adenina e guanina são.

Ambas as cadeias de DNA de cadeia dupla armazenar a mesma informação biológica . Esta informação é replicada como e quando os dois fios separados. Uma grande parte de ADN (mais do que 98% para os seres humanos) é não-codificante , o que significa que essas secções não servem como padrões para a sequências de proteínas . Os dois filamentos de DNA correr em direcções opostas umas às outras e são, portanto, antiparalelo . Junto de cada açúcar é uma de quatro tipos de nucleobases (informalmente, bases ). É a sequência destes quatro nucleobases ao longo da espinha dorsal que codifica a informação genética. ARN fios são criados utilizando cadeias de ADN como um molde, num processo denominado transcrição . Sob o código genético , estas cadeias de ARN especificar a sequência de aminoácidos no interior de proteínas, num processo denominado de tradução .

Dentro das células eucarióticas, o DNA é organizado em estruturas longas chamadas cromossomos . Antes típico divisão celular , estes cromossomas são duplicados no processo de replicação de ADN , proporcionando um conjunto completo de cromossomas para cada célula filha. Organismos eucarióticos ( animais , plantas , fungos e protistas ) armazenar a maior parte do seu DNA dentro do núcleo da célula como ADN nuclear , e alguns nas mitocôndrias como ADN mitocondrial ou em cloroplastos como DNA de cloroplasto . Em contraste, procariotas ( bactérias e archaea ) armazenar o seu ADN apenas no citoplasma , em cromossomas circulares . Dentro de cromossomas eucarióticos, cromatina proteínas, tais como histonas , compactos e organizar ADN. Estas estruturas de compactação guiar as interacções entre o DNA e outras proteínas, ajudando a controlar quais as partes de ADN são transcritas.

O DNA foi isolado pela primeira vez por Friedrich Miescher , em 1869. Sua estrutura molecular foi identificada pela primeira vez por Francis Crick e James Watson no Laboratório Cavendish na Universidade de Cambridge em 1953, cujos esforços de construção de modelo foram guiados por difração de raios-X de dados adquiridos por Raymond Gosling , que era um estudante de pós-graduação de Rosalind Franklin . DNA é utilizado por pesquisadores como uma ferramenta molecular para explorar as leis e teorias físicas, como o teorema ergódico e da teoria da elasticidade . As propriedades únicas do material DNA tornaram uma molécula atraente para cientistas e engenheiros interessados em micro e nano-fabricação de materiais. Entre avanços notáveis neste campo são origami de DNA e materiais híbridos baseados no ADN.

propriedades

Estrutura química do ADN; ligações de hidrogénio mostrados como linhas pontilhadas

ADN é um longo polímero feito a partir de unidades de repetição de chamada nucleótidos . A estrutura de ADN é dinâmico ao longo do seu comprimento, sendo capaz de bobinar em laços apertados e outras formas. Em todas as espécies é constituído por duas cadeias helicoidais, ligados uns aos outros por ligações de hidrogénio . As duas cadeias são enroladas em torno do mesmo eixo, e têm o mesmo passo de 34  angstroms (A) (3,4  nanómetros ). O par de correntes tem um raio de 10 angstroms (1,0 nanómetros). De acordo com outro estudo, quando medido em uma solução diferente, a cadeia de ADN medido de 22 a 26 angstrom de largura (2,2 a 2,6 nanómetros), e uma unidade nucleotídica medido 3,3 Å (0,33 nm) de comprimento. Embora cada nucleótido indivíduo é muito pequena, de um polímero de DNA pode ser muito grande e conter centenas de milhões, tal como no cromossoma 1 . Cromossoma 1 humano é o maior cromossoma com aproximadamente 220 milhões de pares de bases , e seria de 85 mm de comprimento se endireitado.

ADN, normalmente, não existir como uma cadeia simples, mas sim como um par de fios que são mantidos firmemente juntos. Estes dois fios longos da bobina em torno de si, na forma de uma dupla hélice . As sequências de nucleótidos contém um segmento da espinha dorsal da molécula (que contém a cadeia em conjunto) e uma nucleobase (que interage com a outra cadeia de ADN em hélice). Um nucleobases ligada a um açúcar é chamado um nucleósido , e uma base ligada a um açúcar e de um ou mais grupos fosfato é chamado um nucleótido . Um biopolímero compreendendo vários nucleótidos ligados (como em ADN) é chamado um polinucleótido .

A espinha dorsal da cadeia de ADN é feita a partir alternada de fosfato e açúcar resíduos. O açúcar no DNA é 2-desoxirribose , que é uma pentose (cinco carbono açúcar). Os açúcares são unidas entre si por grupos de fosfatos que formam ligações fosfodiéster entre os terceiro e quinto carbono átomos de anéis de açúcar adjacentes. Estes são conhecidos como a extremidade 3 ' (três final primo), e 5'-fim (cinco privilegiada final) átomos de carbono, o símbolo de plica a ser utilizada para distinguir estes átomos de carbono daqueles da base para que a desoxirribose forma uma ligação glicosídica . Quando imaginando ADN, cada fosforilo é normalmente considerada como "pertence" ao nucleótido cuja 5 'de carbono forma uma ligação com o mesmo. Qualquer cadeia de ADN, por conseguinte, normalmente tem uma extremidade na qual existe um fosforilo ligado a 'de carbono de uma ribose (5' a 5 de fosforilo) e a outra extremidade em que há um grupo hidroxilo livre ligado ao carbono 3 'de uma ribose (o hidroxilo 3 '). A orientação de 3 'e 5' átomos de carbono ao longo da estrutura açúcar-fosfato confere direccionalidade (algumas vezes chamado de polaridade) para cada cadeia de ADN. Em uma hélice dupla de ácido nucleico , a direcção dos nucleótidos em uma cadeia é oposta à sua direcção na outra cadeia: os fios são antiparalelo . As extremidades assimétricos de cadeias de ADN são referidos como tendo uma direccionalidade de cinco primo extremidade (5 '), e três extremidade privilegiada (3'), com a extremidade 5 'com um grupo fosfato terminal e a extremidade 3' de um grupo hidroxilo terminal. Uma diferença importante entre o ADN e o ARN é o açúcar, com a 2-desoxirribose no ADN a ser substituída pelo açúcar pentose alternativa a ribose em ARN.

Uma secção de ADN. As bases encontrar-se horizontalmente entre as duas cadeias em espiral ( versão animada ).

A hélice dupla de ADN é estabilizada essencialmente por duas forças: ligações de hidrogénio entre os nucleótidos e de empilhamento de bases interacções entre aromáticos nucleobases. No citosol da célula, os conjugados ligações pi de bases de nucleótidos alinhar perpendicular ao eixo da molécula de ADN, minimizando a sua interacção com a camada de solvatação . As quatro bases encontradas no DNA são adenina (A), citosina (C), guanina (G) e timina (T). Estas quatro bases estão ligados ao açúcar-fosfato para formar as sequências de nucleótidos completa, como mostrado, por monofosfato de adenosina . Pares adenina com timina e guanina com citosina pares, formando AT e GC pares de bases .

classificação nucleobase

As nucleobases estão classificados em dois tipos: as purinas , A e G, os quais são fundidos de cinco e seis membros, compostos heterocíclicos , e as pirimidinas , os anéis de seis membros e C T. Um quinto nucleobase de pirimidina, uracilo (U), normalmente toma o lugar da timina em ARN e difere da timina pela falta de um grupo metilo no seu anel. Além de ARN e de ADN, muitos artificiais análogos de ácidos nucleicos têm sido criadas para estudar as propriedades de ácidos nucleicos, ou para utilização em biotecnologia.

bases não canónicas

Uracilo não é geralmente encontrada em ADN, ocorrendo apenas como um produto de decomposição de citosina . No entanto, em vários bacteriófagos , tais como Bacillus subtilis fagos PBS1 e PBS2 e Yersinia fago piR1-37, timina foi substituída por uracilo. Outra fago fago-estafilocócica S6-tem sido identificada com um genoma onde timina foi substituída por uracilo.

Uracilo também é encontrado no DNA de Plasmodium falciparum Ela está presente em quantidades relativamente pequenas (7-10 resíduos de uracilo por milhão de bases).

5-hydroxymethyldeoxyuridine, (hm5dU) também é conhecido para substituir timidina em vários genomas incluindo o Bacillus fagos SPO1, φe, SP8, H1, 2C e SP82. -Dihydroxypentauracil-se uracilo-5 também sido descrito um outro modificado.

Base de Dados de J (beta-d-glucopyranosyloxymethyluracil), uma forma modificada de uracilo, é também encontrada em vários organismos: o flagelados Diplonema e Euglena , e toda a kinetoplastid géneros. Biossíntese de J ocorre em duas etapas: na primeira etapa, uma timidina no ADN específico é convertido em hydroxymethyldeoxyuridine; no segundo, HOMedU é glicosilada para formar J. As proteínas que se ligam especificamente a esta base, foram identificados. Estas proteínas parecem ser parentes distantes do oncogene Tet1 que está envolvido na patogênese da leucemia mielóide aguda . J parece actuar como um sinal de terminação para a polimerase II de ARN .

Em 1976, o S-2LA bacteriófago , que infecta espécies do género de Synechocystis , mostrou ter todas as bases de adenosina no seu genoma substituído por 2,6-diaminopurina . Em 2016 deoxyarchaeosine foi encontrado para estar presente nos genomas de várias bactérias e a Escherichia fago 9g.

Bases modificadas também ocorrer no DNA. O primeiro destes era reconhecido 5-metilcitosina , que foi encontrado no genoma de Mycobacterium tuberculosis em 1925. A substituição completa da citosina pela 5-glycosylhydroxymethylcytosine em T, mesmo que os fagos (T2, T4 e T6) foi observada em 1953. Nos genomas de Xanthomonas oryzae bacteriófago XP12 e halovirus FH o complemento total de cystosine foi substituída por 5-metilcitosina. 6N-metiladenina foi descoberto para estar presente no ADN em 1955. N6-carbamoil-metiladenina foi descrito em 1975. 7-metilguanina foi descrito em 1976. N4-metilcitosina em ADN foi descrito em 1983. Em 1985, 5-hidroxicitosina foi encontrado no genomas do Rhizobium fagos RL38JI e N17. α-putrescinylthymine ocorre em ambos os genomas do Delftia fago ΦW-14 e o Bacillus SP10 fago. a-glutamylthymidine é encontrado na SP01 Bacillus fago e 5-dihydroxypentyluracil é encontrado na SP15 Bacillus fago.

A razão para a presença de estas bases não canónicas no DNA não é conhecido. Parece provável que, pelo menos, parte da razão para a sua presença no vírus bacterianos (fagos) é para evitar as enzimas de restrição presentes em bactérias. Este sistema de enzima actua, pelo menos em parte, como um sistema imune molecular proteger as bactérias de uma infecção por vírus.

Isso não parece ser a história inteira. Quatro modificações nos resíduos de citosina no DNA humano têm sido relatados. Estas modificações são a adição de metilo (CH 3 ) -, hidroximetil (CH 2 OH) -, formilo (CHO) - e carboxilo (COOH) - grupos. Estas modificações são pensados para ter funções reguladoras.

O uracilo é encontrado nas centroméricas regiões de pelo menos dois cromossomas humanos ( cromossoma 6 e do cromossoma 11 ).

Listagem de bases não canónicas encontrado no DNA

Dezassete bases não canónicas são conhecidos por ocorrer em ADN. A maior parte destes são modificações das bases canónicas mais uracilo.

  • modificada adenosina
    • N6-carbamoil-metiladenina
    • N6-methyadenine
  • modificada Guanina
    • 7-metilguanina
  • modificada citosina
    • N4-metilcitosina
    • 5-Carboxylcytosine
    • 5-Formylcytosine
    • 5-Glycosylhydroxymethylcytosine
    • 5-hidroxicitosina
    • 5-metilcitosina
  • modificada Timidina
    • a-Glutamythymidine
    • a-Putrescinylthymine
  • Uracilo e modificações
    • Base de Dados de J
    • uracila
    • 5-Dihydroxypentauracil
    • 5-Hydroxymethyldeoxyuracil
  • Outras
    • Deoxyarchaeosine
    • 2,6-diaminopurina
DNA major e sulcos menores. O último é um local de ligação para a mancha Hoechst corante 33258.

estrias

Fitas helicoidais duplos formar a espinha dorsal do ADN. Outra dupla hélice pode ser encontrada traçando os espaços ou ranhuras, entre os fios. Estas cavidades são adjacentes aos pares de bases e podem proporcionar um local de ligação . Como os fios não são simetricamente localizado em relação uns aos outros, os sulcos são desigualmente porte. Uma ranhura, a ranhura maior, é de 22  angstrom (Å) de largura, e o outro, o sulco menor, é 12 uma ampla. A largura da ranhura maior significa que as bordas das bases são mais acessíveis no sulco maior do que no sulco menor. Como resultado, as proteínas, tais como factores de transcrição que se podem ligar a sequências específicas do ADN de cadeia dupla geralmente fazer contacto com os lados das bases expostas no sulco maior. Esta situação varia em conformações incomuns de DNA dentro da célula (ver abaixo) , mas os maiores e menores ranhuras são sempre nomeados para refletir as diferenças no tamanho que seria visto se o DNA está torcido de volta para a forma B ordinária.

emparelhamento de base

Em uma dupla hélice do DNA, cada tipo de nucleobase em títulos um fio com apenas um tipo de nucleobase na outra cadeia. Isso é chamado complementares emparelhamento de base . Aqui, purinas formar ligações de hidrogénio com pirimidinas, com adenina a ligação somente com timina em duas ligações de hidrogénio, e a ligação de citosina guanina apenas em três ligações de hidrogénio. Este arranjo de dois nucleotídeos complementares na dupla hélice é chamado um par de bases de Watson-Crick. Outro tipo de emparelhamento de bases de Hoogsteen de emparelhamento de bases é, onde duas ligações de hidrogénio entre formar guanina e citosina. Como ligações de hidrogênio não são ligações covalentes , podem ser quebradas e reunidas com relativa facilidade. As duas cadeias de ADN em dupla hélice pode assim ser separados, como um fecho de correr, ou por uma força mecânica ou alta temperatura . Como um resultado deste par de bases de complementaridade, toda a informação da sequência de cadeia dupla de uma hélice de DNA é duplicado em cada filamento, o que é fundamental para a replicação de ADN. Esta interacção específica e reversível entre pares de bases complementares é crítica para todas as funções do ADN em organismos.

Base de Dados de GC.svg par
Par de bases AT.svg
Topo, um GC par de bases com três ligações de hidrogénio . Inferior, um AT par de bases com duas ligações de hidrogénio. Ligações de hidrogénio não covalentes entre os pares são mostrados como linhas tracejadas.

Os dois tipos de pares de bases formam-se diferentes números de ligações de hidrogénio, a AT formando duas ligações de hidrogénio, e GC formam três ligações de hidrogénio (ver figuras, direita). ADN com elevado conteúdo GC é mais estável do que o DNA com baixo conteúdo GC.

Como observado acima, a maioria das moléculas de ADN são, na verdade, dois cordões de polímero, ligados em conjunto de forma helicoidal através de ligações não covalentes; esta cadeia dupla ( dsDNA estrutura) é mantida em grande parte pelas interacções intracadeia base de empilhamento, que são a mais forte para pilhas G, C. As duas cadeias podem vir distante, um processo conhecido como fus-para formar dois ADN de cadeia simples ( ssDNA moléculas). De fusão ocorre a temperatura elevada, baixo teor de sal e de elevado pH (pH baixo também derrete ADN, mas uma vez que o ADN é instável devido a despurinação do ácido, de pH baixo é raramente utilizado).

A estabilidade da forma de ADNcd depende não só no conteúdo GC (% G, os pares de bases C), mas também em sequência (uma vez que o empilhamento é uma sequência específica) e também comprimento (moléculas mais longas são mais estável). A estabilidade pode ser medido de várias maneiras; uma forma comum é a "temperatura de fusão", que é a temperatura à qual 50% das moléculas de ds são convertidos em moléculas ss; temperatura de fusão depende da força iónica e a concentração de ADN. Como resultado, é tanto a percentagem de pares de bases GC e o comprimento total de uma hélice dupla de ADN que determina a força de associação entre as duas cadeias de DNA. Hélices de DNA longos com um alto conteúdo GC têm fios mais fortes, interagindo, enquanto hélices curtas com alta AT conteúdo têm fios mais fracos interagindo. Em biologia, partes da dupla hélice do DNA que precisam separar facilmente, como o TATAAT caixa de pribnow em alguns promotores , tendem a ter uma alta AT conteúdo, tornando os fios mais fáceis de separar.

No laboratório, a força desta interacção pode ser medida por encontrar a temperatura necessária para quebrar as ligações de hidrogénio, a sua temperatura de fusão (também chamado T m de valor). Quando todos os pares de bases de um ADN de dupla hélice, os fios de separar e existe em solução como duas moléculas inteiramente independentes. Estas moléculas de ADN de cadeia simples não têm uma única forma comum, mas algumas conformações são mais estáveis do que os outros.

Sentido e anti

Uma sequência de ADN que é chamada uma sequência de "sentido" que seja a mesma que a de um ARN mensageiro de cópia que é traduzida em proteína. A sequência na cadeia oposta é chamado a sequência "anti-sentido". Ambas as sequências com sentido e anti-sentido podem existir em diferentes partes da mesma cadeia de ADN (isto é, ambas as cadeias podem conter ambas as sequências com sentido e anti-sentido). Em ambos os procariotas e eucariotas, as sequcias de ARN anti-sentido s produzidos, mas as funções destes RNAs não são totalmente claras. Uma proposta é que o ARN anti-sentido estão envolvidos na regulação da expressão de genes por meio de ARN-ARN de emparelhamento de bases.

Algumas sequências de ADN em procariotas e eucariotas, e mais em plasmídeos e vírus , confundir a distinção entre fios de sentido e anti- sentido, tendo os genes sobrepostos . Nestes casos, algumas sequências de ADN uma dupla função, que codifica uma proteína, quando lida juntamente uma cadeia, e uma segunda proteína quando lidas na direcção oposta ao longo da outra cadeia. Em bactérias , esta sobreposição pode estar envolvido na regulação da transcrição de genes, enquanto que no vírus, genes sobrepostos aumentar a quantidade de informação que pode ser codificados dentro do pequeno genoma viral.

supercoiling

DNA pode ser torcido como uma corda em um processo chamado supercoiling DNA . Com DNA em seu estado "relaxado", um fio normalmente circunda o eixo da dupla hélice uma vez a cada 10,4 pares de bases, mas se o DNA está torcido as cadeias ficam mais ou menos enroladas. Se o DNA está torcido na direcção da hélice, isto é o superenrolamento positivo, e as bases são unidas mais firmemente. Se eles são torcidas na direção oposta, isto é supercoiling negativo, e as bases vir distante mais facilmente. Na natureza, o DNA apresenta superenrolamento negativo ligeira que é introduzido por enzimas denominadas topoisomerases . Estas enzimas também são necessários para aliviar as tensões de torção introduzidos nas cadeias de ADN durante os processos de transcrição e a replicação do ADN .

Da esquerda para a direita, as estruturas de A, B e DNA Z

estruturas de DNA alternativas

ADN existe em muitas possíveis conformações que incluem DNA-A , B-ADN e ADN-Z formas, embora apenas B-ADN e Z-DNA foram directamente observada em organismos funcionais. A conformação que adopta ADN depende do nível de hidratação, sequência de ADN, a quantidade e a direcção de super-enrolamento, modificações químicas das bases, do tipo e concentração de metais iões , e a presença de poliaminas em solução.

Os primeiros relatórios publicados de DNA-A padrões de difracção de raios-X -e também B-DNA usadas análises baseadas em Patterson transforma que fornecida apenas uma quantidade limitada de informação estrutural de fibras orientadas de ADN. Uma análise alternativa foi em seguida proposto por Wilkins et al. , Em 1953, para os in vivo de ADN-B de raio-X padrões de difracção de dispersão de fibras de ADN altamente hidratadas em termos de quadrados de funções de Bessel . Na mesma revista, James Watson e Francis Crick apresentaram sua modelagem molecular análise dos padrões de difração de raios-X de DNA para sugerir que a estrutura era uma dupla-hélice.

Embora a forma de ADN-B é mais comum nas condições encontradas nas células, não é uma conformação bem definida, mas uma família de conformações de ADN relacionadas que ocorrem nos níveis elevados de hidratação presentes nas células. Os seus correspondentes de difracção de raios X e dispersão padrões são característicos do moleculares paracrystals com um grau significativo de desordem.

Em comparação com B-ADN, a forma A-ADN é uma mais ampla destro espiral, com, um sulco menor larga e pouco profunda e um maior estreita e profunda ranhura. O Uma forma ocorre sob condições não fisiológicas em amostras parcialmente desidratados de ADN, enquanto que na célula o que pode ser produzido em emparelhamentos híbridos de ADN e ARN de cadeias, e em complexos de ADN-enzima. Segmentos de ADN em que as bases foram quimicamente modificados por metilao pode sofrer uma mudança maior na conformação e adoptar a forma Z . Aqui, os fios girar sobre o eixo helicoidal em uma espiral com a mão esquerda, o oposto da forma mais comum B. Estas estruturas invulgares podem ser reconhecidas por proteínas de ligação Z-ADN específica e pode estar envolvido na regulação da transcrição.

química DNA alternativa

Por muitos anos, exobiólogos propuseram a existência de uma biosfera sombra , uma biosfera microbiana postulado da Terra que usa radicalmente diferentes processos bioquímicos e moleculares do que a vida atualmente conhecida. Uma das propostas foi a existência de formas de vida que usam arsênio em vez de fósforo no DNA . Um relatório em 2010 sobre a possibilidade da bactéria GFAJ-1 , foi anunciada, embora a pesquisa foi disputado, e as evidências sugerem a bactéria impede ativamente a incorporação de arsênico na espinha dorsal do DNA e outras biomoléculas.

estruturas quadruplex

Nas extremidades dos cromossomas lineares são regiões especializadas de ADN chamado telómeros . A função principal destas regiões é para permitir que a célula para replicar as extremidades do cromossoma usando a enzima telomerase , como as enzimas que permitem replicar DNA normalmente não é possível copiar o extremo 3 'dos cromossomas. Estas tampas de cromossoma especializadas também ajudam a proteger as extremidades do DNA, e parar os de reparo do DNA sistemas da célula as trate como danos a ser corrigido. Em células humanas , os telómeros são geralmente comprimentos de ADN de cadeia simples contendo vários milhares de repetições de uma sequência simples TTAGGG.

ADN quadruplex formado por telómeros repetições. A conformação em loop da espinha dorsal do ADN é bastante diferente da hélice de ADN típico. As esferas verdes no centro representam iões de potássio.

Estas sequências ricas em guanina podem estabilizar extremidades do cromossoma através da formação de estruturas de conjuntos empilhados de unidades de quatro bases, em vez dos pares de bases usuais encontrados em outras moléculas de DNA. Aqui, quatro bases de guanina formar uma chapa plana e estas unidades de quatro bases planas, em seguida, empilhados no topo uns dos outros, para formar uma estável G-quadruplex estrutura. Estas estruturas são estabilizadas por pontes de hidrogénio entre as bordas das bases e quelação de um ião metálico no centro de cada unidade de quatro bases. Outras estruturas também podem ser formados, com o conjunto central de quatro bases provenientes de um único filamento dobrado em torno das bases, ou vários cordões paralelos diferentes, cada uma contribuindo com uma base para a estrutura central.

Além destas estruturas empilhadas, os telómeros também formar estruturas em laço grandes chamados telomere loops ou t-loops. Aqui, os cachos de cadeia simples de ADN em torno de um círculo grande estabilizado por proteínas que se ligam a telómeros. No final do T-loop, o ADN do telero de cadeia simples é realizada sobre uma região de ADN de cadeia dupla pela cadeia do telómero que desestabiliza o DNA e emparelhamento de bases de dupla hélice a uma das duas cadeias. Este triplo de cadeia simples estrutura é chamado de laço de deslocamento ou D-circuito .

Branch-dna-single.svg Ramo-ADN-multiple.svg
único ramo várias ramificações
DNA ramificada podem formar redes que contêm várias ramificações.

DNA ramificada

No DNA, o desgaste ocorre quando existem regiões não complementares no final de uma outra forma complementar de cadeia dupla de ADN. No entanto, ADN ramificado pode ocorrer se uma terceira cadeia de ADN é introduzida e contém regiões adjacentes capazes de hibridar com as regiões desgastadas do pré-existente de cadeia dupla. Embora o exemplo mais simples de ADN ramificado envolve apenas três cadeias de ADN, envolvendo complexos de fios adicionais e os vários ramos são também possíveis. DNA ramificado pode ser usado em nanotecnologia para a construção de formas geométricas, ver a secção sobre os usos em tecnologias abaixo.

bases artificiais

Vários nucleobases artificiais têm sido sintetizados e incorporados com sucesso no ADN analógico de oito-base chamada de ADN Hachimoji . Apelidado S, B, P, e Z, estas bases artificiais são capazes de ligação uns com os outros de uma forma previsível (S-B e P-Z), manter a estrutura em dupla hélice do ADN, e ser transcrita para ARN. Sua existência implica que não há nada de especial sobre as quatro nucleobases naturais que evoluíram na Terra.

As modificações químicas e embalagens DNA alterado

Cytosin.svg 5-Methylcytosine.svg Thymin.svg
citosina 5-metilcitosina timina
Estrutura de citosina com e sem o grupo 5-metilo. Desaminação converte 5-metilcitosina em timina.

modificações de bases de ADN e embalagens

A expressão de genes é influenciada pelo modo como o ADN é empacotado em cromossomas, em uma estrutura chamada cromatina . Modificações de bases podem ser envolvidos numa embalagem, com regiões que têm expressão baixo ou nenhum gene normalmente contendo elevados níveis de metilação da citosina bases. Embalagem do ADN e a sua influência sobre a expressão do gene pode ocorrer por meio de modificações covalentes da histona núcleo proteico em torno do qual o ADN é envolvido na estrutura da cromatina, ou então por remodelação levada a cabo por cromatina complexos de remodelação (ver Cromatina remodelação ). Existe, ainda, a diafonia entre a metilação do DNA e a modificação da histona, de forma que possam afectar coordenadamente cromatina e a expressão do gene.

Para um exemplo, metilação da citosina produz 5-metilcitosina , que é importante para X-inactivação de cromossomas. O nível médio de metilação varia entre organismos-o sem-fim Caenorhabditis elegans carece de metilação da citosina, enquanto os vertebrados têm níveis mais elevados, com um máximo de 1% do seu DNA contendo 5-metilcitosina. Apesar da importância da 5-metilcitosina, pode desaminar deixar uma base timina, assim citosinas metiladas são particularmente propensas a mutações . Outras modificações de bases incluem metilação da adenina em bactérias, a presença de 5-hidroximetilcitosina no cérebro , e a glicosilação de uracilo para produzir o "J-base" em kinetoplastídeos .

Danificar

ADN pode ser danificado por muitos tipos de agentes mutagénicos , que alteram a sequência de ADN . Mutagénicos incluem agentes oxidantes , agentes alquilantes e também de alta energia de radiação electromagnética , tal como radiação ultravioleta da luz e raios-X . O tipo de dano de ADN produzido depende do tipo de agente mutagénico. Por exemplo, a luz UV pode danificar o ADN através da produção de dimeros de timina , que são ligações cruzadas entre as bases de pirimidina. Por outro lado, os oxidantes, tais como radicais livres ou peróxido de hidrogénio produzir múltiplas formas de dano, incluindo modificações de bases, particularmente de guanosina, e quebras de cadeia dupla. Uma célula humana típica contém cerca de 150.000 bases que tenham sofrido danos oxidativos. Destas lesões oxidativas, o mais perigoso é quebras de cadeia dupla, uma vez que estas são difíceis de reparar e podem produzir mutações pontuais , inserções , deleções da sequência de ADN, e as translocações cromossómicas . Estas mutações podem causar cancro . Por causa dos limites inerentes aos mecanismos de reparo do DNA, se os seres humanos viveram tempo suficiente, todos eles iriam eventualmente desenvolver câncer. Danos de ADN que são de ocorrência natural , devido aos processos celulares normais que produzem espécies reactivas de oxigénio, as actividades hidrolíticas de água celular, etc, também ocorrem com frequência. Embora a maioria destes danos são reparados, em qualquer célula de alguns danos no ADN podem permanecer apesar da acção dos processos de reparação. Estes danos de ADN restantes acumulam com a idade em tecidos pós-mitóticas de mamíferos. Esta acumulação parece ser uma causa subjacente importante do envelhecimento.

Muitos agentes mutagénicos caber no espaço entre dois pares de base adjacentes, isso é chamado de intercalação . A maioria dos intercaladores são aromáticos moléculas e planas; exemplos incluem brometo de etídio , acridinas , daunomicina , e doxorrubicina . Para um intercalador para caber entre pares de bases, as bases devem separar, distorcendo as cadeias de ADN por desenrolamento da hélice dupla. Isto inibe a transcrição e a replicação do ADN, fazendo com que a toxicidade e mutações. Como resultado, intercaladores de ADN podem ser cancerígenos , e no caso da talidomida, um teratogénio . Outros, tais como o benzo [ a ] pireno epóxido diol e aflatoxina aductos de ADN que formam induzir erros na replicação. No entanto, devido à sua capacidade para inibir a transcrio de ADN e replicação, outras toxinas semelhantes são também utilizados em quimioterapia para inibir rapidamente crescentes de cancro células.

funções biológicas

Localização de eucariota DNA nuclear no interior dos cromossomas

ADN geralmente ocorre como lineares cromossomas em eucariotas , e cromossomas circulares em procariotas . O conjunto de cromossomas de uma célula torna-se o seu genoma ; o genoma humano tem cerca de 3 mil milhões de pares de bases de DNA dispostas em 46 cromossomas. A informação transportada por ADN é realizada na sequência de pedaços de DNA chamado genes . A transmissão de informação genética nos genes é conseguido através de emparelhamento de bases complementares. Por exemplo, na transcrição, quando uma célula usa a informação em um gene, a sequência de ADN é copiada para uma sequência de ARN complementar através da atracção entre o ADN e os nucleótidos de RNA correctas. Normalmente, esta cópia de RNA é então usado para fazer um correspondente sequência de proteína num processo chamado de tradução , o que depende da mesma interacção entre os nucleótidos de RNA. De forma alternativa, uma célula pode simplesmente copiar a sua informação genética numa replicação de ADN processo chamado. Os detalhes destas funções são abordados em outros artigos; aqui o foco é sobre a interacção entre o ADN e outras moléculas que medeiam a função do genoma.

Genes e genomas

O ADN genómico é bem ordenada e embalado no chamado processo de condensação de ADN , para encaixar as pequenas volumes disponíveis da célula. Em eucariotas, o ADN está localizado no núcleo das células , com pequenas quantidades em mitocôndrias e cloroplastos . Em procariotas, o ADN é mantido dentro de um corpo de forma irregular no citoplasma chamado o nucleóide . A informação genética num genoma é mantido dentro de genes, e o conjunto completo desta informação num organismo é denominado o seu genótipo . Um gene é uma unidade de hereditariedade e é uma região de ADN que influencia uma característica particular num organismo. Os genes contêm uma grelha de leitura aberta que pode ser transcritas, e sequências reguladoras , tais como promotores e potenciadores , que controlam a transcrição da grelha de leitura aberta.

Em muitas espécies , apenas uma pequena fracção da sequência total do genoma codifica a proteína. Por exemplo, apenas cerca de 1,5% do genoma humano consiste de codificadores de proteínas exões , com mais de 50% de ADN humano que consiste em não codificante sequências repetitivas . As razões para a presença de tanto do DNA não codificante em genomas eucarióticos e as diferenças extraordinárias no tamanho do genoma , ou valor de C , entre as espécies, representam um enigma de longa data conhecido como o " enigma-valor C ". No entanto, algumas sequências de DNA que não codificam a proteína ainda pode codificar funcionais de ARN não-codificantes moléculas, que estão envolvidos na regulação da expressão do gene .

T7 ARN polimerase (azul) a produção de um ARNm (verde) a partir de um molde de ADN (laranja)

Algumas seqüências de DNA não-codificante papel estrutural nos cromossomas. Os telómeros e centrómeros contêm tipicamente alguns genes, mas são importantes para a função e estabilidade dos cromossomas. Uma forma abundante de DNA não codificante em humanos são pseudogenes , que são cópias de genes que foram desactivados por mutação. Estas sequências são normalmente apenas moleculares fósseis , embora possam ocasionalmente servir como matéria material genético para a criação de novos genes através do processo de duplicação de genes e divergência .

Transcrição e tradução

Um gene é uma sequência de ADN que contém informação genética e pode influenciar o fenótipo de um organismo. Dentro de um gene, a sequência de bases ao longo de uma cadeia de ADN define um ARN mensageiro sequência, que, em seguida, define um ou mais sequências de proteínas. A relação entre as sequências de nucleótidos dos genes e os amino-ácido sequências de proteínas é determinado pelas regras de tradução , conhecidos colectivamente como o código genético . O código genético é constituído por três letras 'palavras' chamados codões formados a partir de uma sequência de três nucleótidos (por exemplo, ACT, CAG, TTT).

Em transcrição, os codões de um gene são copiados para ARN mensageiro pela polimerase de ARN . Esta cópia de RNA é então descodificada por um ribossoma que lê a sequência de ARN por emparelhamento de bases do RNA mensageiro de RNA de transferência , que transporta aminoácidos. Uma vez que existem 4 bases em 3 combinações de letras, há 64 codões possíveis (4 3  combinações). Estes codificam os vinte aminoácidos padrão , dando a maioria dos aminoácidos mais do que um codão possível. Existem também três 'stop' ou codões 'nonsense' significando o fim da região de codificação; estes são os TAA, TGA, e cods TAG.

A replicação do ADN. A dupla hélice é desenrolado por uma helicase e topoisomerase . Em seguida, uma polimerase de ADN produz a costa principal cópia. Outro ADN-polimerase se liga à cadeia atrasada . Esta enzima faz com que os segmentos descontínuos (chamados fragmentos Okazaki ) antes de DNA ligase de junta-los em conjunto.

Replicação

A divisão celular é essencial para um organismo para crescer, mas, quando uma célula se divide, ele deve replicar o DNA no seu genoma de forma que as duas células filhas têm a mesma informação genética como seu pai. A estrutura de cadeia dupla de ADN proporciona um mecanismo simples para a replicação do ADN . Aqui, as duas cadeias são separadas e, em seguida, de cada cadeia de DNA complementar de sequência é recriado por uma enzima chamada polimerase de ADN . Esta enzima faz com que a cadeia complementar por encontrar a base correcta através de emparelhamento de bases complementares e ligando-o para a cadeia original. Como polimerases de ADN só podem estender uma cadeia de ADN na direcção de 5 'para 3', diferentes mecanismos são usados para copiar a cadeia antiparalela da dupla hélice. Desta forma, a base sobre a cadeia antiga dita que base vai aparecer na nova cadeia e a célula acaba com uma cópia perfeita do seu DNA.

ácidos nucleicos extracelulares

ADN extracelular nu (EdNA), a maior parte dele libertada por morte das células, é quase ubíquo no ambiente. A sua concentração no solo pode ser tão elevado como 2 mg / L, e a sua concentração em ambientes aquáticos naturais pode ser tão elevada a 88 ug / L. Várias funções possíveis têm sido propostos para EdNA: ele pode estar envolvido na transferência de genes horizontal; ele pode fornecer nutrientes; e que pode actuar como um tampão para recrutar ou titular iões ou antibióticos. ADN extracelular actua como um componente de matriz extracelular funcional nos biofilmes de várias espécies bacterianas. Pode actuar como um factor de reconhecimento para regular a ligação e dispersão de tipos de células específicas no biofilme; pode contribuir para a formação de biofilme; e pode contribuir para a força física do biofilme e resistência ao stress biológico.

DNA fetal livre de células é encontrada no sangue da mãe, e pode ser sequenciado para determinar uma grande quantidade de informações sobre o desenvolvimento do feto.

Interacções com proteínas

Todas as funções de ADN depender de interacções com proteínas. Estas interacções proteína pode ser não-específica, ou a proteína pode ligar-se especificamente a uma sequência de ADN. As enzimas também podem ligar-se ao ADN e destes, as polimerases que copiam as sequências de ADN em replicação e transcrição de ADN são particularmente importantes.

proteínas de ligação de ADN

Nucleosome1.png
Interacção de ADN (cor de laranja) com histonas (em azul). Aminoácidos básicos destas proteínas ligam-se aos grupos fosfato do ADN.

Proteínas estruturais que se ligam ao ADN são exemplos bem compreendidos de interacções ADN-proteína não-específicos. Nos cromossomas, o ADN é realizada em complexos com as proteínas estruturais. Estas proteínas organizar o ADN numa estrutura compacta chamado cromatina . Nos eucariotas, esta estrutura envolve a ligação de ADN a um complexo de pequenas proteínas básicas chamadas histonas , enquanto em procariotas vários tipos de proteínas estão envolvidas. As histonas formar um complexo em forma de disco, o nucleossoma , que contém duas voltas completas de DNA de cadeia dupla enrolado à sua volta. Estas interacções não específicas são formados através de resíduos básicos das histonas, fazendo ligações iónicas ao esqueleto de açúcar-fosfato ácido do ADN, e são, portanto, em grande parte independente da sequência de bases. As modificações químicas destes resíduos de aminoácidos básicos incluem metilação , fosforilação , e acetilação . Estas modificações químicas alteram a força da interacção entre o ADN e as histonas, tornando o DNA mais ou menos acessível para factores de transcrição e alterando a taxa de transcrição. Outras proteínas de ligação de ADN não específicos na cromatina incluem as proteínas do grupo de alta mobilidade, que se ligam ao ADN dobrado ou distorcido. Estas proteínas são importantes na dobragem conjuntos de nucleossomas e dispondo-os em estruturas maiores que formam cromossomas.

Um grupo distinto de proteínas de ligação de ADN é as proteínas de ligação de ADN que se ligam especificamente a ADN em cadeia simples. Nos seres humanos, a replicação de proteína A é o membro mais bem compreendido desta família e é usado em processos onde a dupla hélice se separadas, incluindo a replicação do ADN, a recombinação e a reparação do ADN. Estas proteínas parecem estabilizar o ADN de cadeia simples e protegê-lo de formação de haste-laçada ou sendo degradados por nucleases .

O repressor lambda hélice-volta-hélice factor de transcrição ligado ao seu ADN alvo

Em contraste, outras proteínas evoluíram para se ligar a sequências de ADN específicas. O mais intensivamente estudados destes são os vários factores de transcrição , que são proteínas que regulam a transcrição. Cada factor de transcrição se liga a um conjunto específico de sequências de DNA e activa ou inibe a transcrição de genes que têm essas sequências próximas seus promotores. Os fatores de transcrição fazer isso de duas maneiras. Em primeiro lugar, eles podem ligar-se a ARN polimerase responsável pela transcrição, quer directamente ou através de outras proteínas do mediador; este localiza o polimerase no promotor e permite que ele comece a transcrição. Em alternativa, os factores de transcrição podem ligar enzimas que modificam as histonas no promotor. Isto altera a acessibilidade do modelo de ADN para a polimerase.

Como estes alvos de ADN pode ocorrer em todo o genoma de um organismo, alterações na actividade de um tipo de factor de transcrição pode afectar milhares de genes. Por conseguinte, estas proteínas são muitas vezes os alvos dos transdução de sinal processos que controlam as respostas a mudanças ambientais ou diferenciação celular e desenvolvimento. A especificidade das interacções destes factores de transcrição com ADN vêm das proteínas que fazem contactos múltiplos com os bordos das bases de DNA, permitindo-lhes a 'ler' da sequência de ADN. A maioria destas interacções-base são feitas no sulco principal, em que as bases são mais acessíveis.

A enzima de restrição EcoRV (verde) em complexo com o seu ADN substrato

enzimas modificadoras de DNA

Nucleases e ligases

As nucleases são enzimas que cortam as cadeias de ADN, catalisando a hidrólise das ligações fosfodiéster . As nucleases que hidrolisam nucleótidos das extremidades de cadeias de ADN são chamados exonucleases , enquanto as endonucleases de corte dentro de fios. As nucleases utilizadas mais frequentemente em biologia molecular são as endonucleases de restrio , que cortam ADN em sequências específicas. Por exemplo, a enzima EcoRV mostrado à esquerda reconhece a sequcia de 6 bases 5'-GATATC-3 'e faz um corte na linha horizontal. Na natureza, estas enzimas protegem as bactérias contra fago infecção por digestão do ADN do fago quando entra na célula bacteriana, agindo como parte do sistema de modificação de restrição . Na tecnologia, essas nucleases específica de sequências são usadas em clonagem molecular e DNA fingerprinting .

As enzimas denominadas DNA ligases podem reunir pedaços de ADN cortados ou quebrados. Ligases são particularmente importantes na costa de retardamento de replicação de ADN, já que unem os segmentos curtos de ADN produzido no garfo de replicação em uma cópia completa do molde de ADN. Eles são também utilizados na reparação de ADN e de recombinação genética .

Topoisomerases e helicases

As topoisomerases são enzimas que possuem a actividade de nuclease e ligase. Estas proteínas de alterar a quantidade de superenrolamento no ADN. Algumas destas enzimas funcionam cortando a hélice de DNA e permitindo que uma secção de rodar, reduzindo assim o seu nível de super-enrolamento; o enzima, em seguida, veda a ruptura do ADN. Outros tipos de enzimas são capazes de cortar uma hélice de ADN e, em seguida, passar a segunda cadeia de ADN através desta quebra, antes de reunir as hélices. As topoisomerases são necessárias para muitos processos que envolvem o ADN, tais como a replicação do ADN e a transcrição.

As helicases são proteínas que são um tipo de motor molecular . Eles usam a energia química em trifosfatos de nucleósidos , predominantemente trifosfato de adenosina (ATP), para romper as ligações de hidrogénio entre as bases e desenrolar da dupla hélice de ADN em cadeias simples. Estes enzimas são essenciais para a maioria dos processos em que as enzimas necessitam de aceder aos bases de ADN.

polimerases

Polimerases são enzimas que sintetizam cadeias de polinucleótidos a partir de nucleósido-trifosfatos . A seqüência de seus produtos é criado com base em cadeias-que polinucleotídicas existentes são chamados modelos . Estas enzimas funcionar adicionando repetidamente um nucleótido com a extremidade 3 ' hidroxilo grupo no final da cadeia de polinucleótido em crescimento. Como consequência, todas as polimerases de trabalhar em uma direção 5 'para 3'. No local activo destas enzimas, as recebidas nucleósido trifosfato de pares de bases para o molde: esta permite polimerases com precisão para sintetizar a cadeia complementar do seu molde. Polimerases são classificados de acordo com o tipo de modelo que eles usam.

Na replicação do ADN, dependente de ADN As polimerases de ADN fazer cópias de ADN de cadeias de polinucleótidos. Para preservar a informação biológica, é essencial que a sequência de bases de cada exemplar são precisamente complementares para a sequência de bases na cadeia molde. Muitos DNA polimerases têm uma revisão atividade. Aqui, a polimerase reconhece erros ocasionais na reacção de síntese pela falta de emparelhamento de bases entre os nucleótidos mal emparelhados. Se for detectada qualquer diferença, uma 3 'para 5' exonuclease actividade é activado e a base incorrecta removido. Na maioria dos organismos, função de polimerases de ADN em um grande complexo chamado o replissoma que contém múltiplas unidades acessórias, tais como a braçadeira de ADN ou helicases .

ADN-polimerases dependentes de ARN são uma classe especializada de polimerases que copiam a sequência de uma cadeia de ARN em ADN. Eles incluem a transcriptase reversa , que é um vírus enzima envolvida na infecção de células por retrovírus , e de telomerase , que é necessário para a replicação dos telómeros. Por exemplo, transcriptase reversa do HIV é uma enzima para a replicação do vírus da SIDA. A telomerase é uma polimerase invulgar porque contém o seu próprio molde de ARN, como parte da sua estrutura. Sintetiza telómeros nas extremidades dos cromossomas. Os telómeros impedir a fusão das extremidades dos cromossomas vizinhos e proteger as extremidades do cromossoma de danos.

A transcrição é realizada por uma dependente de ADN -polimerase ARN que copia a sequência de uma cadeia de DNA em RNA. Para iniciar a transcrição de um gene, a polimerase de ARN se liga a uma sequência de ADN chamado um promotor e separa as cadeias de ADN. É então cópias da sequência do gene num RNA mensageiro transcrito até atingir uma região de ADN chamado o terminador , onde se detém e se separa do ADN. Tal como acontece com as polimerases de ADN dependentes de ADN em humanos, a RNA polimerase II , a enzima que transcreve a maioria dos genes no genoma humano, opera como parte de um grande complexo de proteína com múltiplas subunidades reguladoras e acessias.

Recombinação genética

Holliday Junction.svg
Holliday coloured.png junção
Estrutura da junção Holliday intermediário na recombinação genética . As quatro cadeias de ADN separadas são de cor vermelha, azul, verde e amarelo.
Recombinação envolve a quebra e recombinação de dois cromossomas (M e F) para produzir dois cromossomas rearranjados (C1 e C2).

Uma hélice de DNA normalmente não interagem com outros segmentos de ADN, e em células humanas, os diferentes cromossomas ocupam áreas separadas no núcleo chamado " áreas de cromossomas ". Esta separação física dos diferentes cromossomas é importante para a capacidade do ADN para funcionar como um repositório estável para informações, como uma das poucas vezes cromossomas interagem é em cruzamento cromossómico que ocorre durante a reprodução sexual , quando a recombinação genética ocorre. Cromossômica de crossover é quando duas hélices de DNA quebrar, trocar uma e se unem novamente.

A recombinação permite aos cromossomas trocam informação genética e produz novas combinações de genes, o que aumenta a eficiência da selecção natural e pode ser importante na evolução rápida de novas proteínas. A recombinação genética pode também ser envolvido na reparação do ADN, em particular na resposta da célula a quebras de cadeia dupla.

A forma mais comum de cruzamento cromossómico é a recombinação homóloga , em que as duas partes envolvido cromossomas sequências muito semelhantes. A recombinação não-homóloga pode ser prejudicial para as células, uma vez que pode produzir translocações cromossómicas e as anormalidades genéticas. A reacção de recombinação é catalisada por enzimas conhecidas como recombinases , tais como RAD51 . O primeiro passo no processo de recombinação é uma quebra de cadeia dupla causado por qualquer um de endonuclease ou danos no ADN. Uma série de passos catalisados em parte pela recombinase, em seguida, leva a junção das duas hélices por, pelo menos, uma junção Holliday , em que um segmento de um único cordão em cada hélice é fundida com a cadeia complementar na outra hélice. A junção Holliday é uma estrutura de união tetraédrica que pode ser movido ao longo do par de cromossomas, a troca de uma cadeia para outra. A reacção de recombinação é então interrompida por clivagem da junção e re-ligação do ADN libertado. Somente fitas de DNA troca de polaridade como durante a recombinação. Existem dois tipos de clivagem: a clivagem leste-oeste e clivagem norte-sul. Os entalhes de clivagem norte-sul ambas as cadeias de ADN, enquanto que a clivagem leste-oeste tem uma cadeia de ADN intacto. A formação de uma junção Holliday durante a recombinação faz com que seja possível para a diversidade genética, os genes para trocar em cromossomas, e expressão de genomas virais de tipo selvagem.

Evolução

DNA contém a informação genética que permite que todas as formas de vida a função, crescer e se reproduzir. No entanto, não está claro quanto tempo no 4 bilhões de anos da história de vida DNA tem realizado esta função, como tem sido proposto que as primeiras formas de vida podem ter usado RNA como seu material genético. ARN pode ter funcionado como a parte central do início metabolismo celular , uma vez que tanto pode transmitir informação genética e realizar a catálise como parte de ribozimas . Este antigo mundo de ARN em que o ácido nucleico teria sido utilizado tanto para a catálise e genética pode ter influenciado a evolução do código genético corrente com base em quatro bases de nucleótidos. Isto poderia ocorrer, uma vez que o número de diferentes bases de tal organismo é um trade-off entre um pequeno número de bases de precisão cada vez maior de replicação e um grande número de bases de aumentar a eficiência catalítica das ribozimas. No entanto, não há nenhuma evidência direta de sistemas genéticos antigos, como a recuperação do DNA da maioria dos fósseis é impossível porque DNA sobrevive no ambiente por menos de um milhão de anos, e, lentamente, degrada-se em pequenos fragmentos em solução. Os pedidos de DNA mais velhos foram feitos, mais notavelmente um relatório do isolamento de uma bactéria viável a partir de um cristal de sal 250 milhões de anos de idade, mas estas reivindicações são controversas.

Os blocos de construção de DNA ( adenina , guanina , e afins moléculas orgânicas ) pode ter sido formado extraterrestre no espaço exterior . De ADN e complexos de ARN compostos orgânicos de vida , incluindo uracilo , citosina , e timina , também têm sido formados em laboratório sob condições que mimetizam os encontrados no espaço exterior , utilizando substâncias químicas de partida, tais como pirimidina , encontrados em meteoritos . Pirimidina, como hidrocarbonetos aromáticos policíclicos (HAP), o produto químico mais rico em carbono encontradas no universo , pode ter sido formado em gigantes vermelhos ou em interstelares cósmicos de poeira e gás de nuvens.

Usos na tecnologia

Engenharia genética

Foram desenvolvidos métodos para purificar DNA a partir de organismos, tais como a extracção com fenol-clorofórmio , e manipulá-lo em laboratório, tais como digestões de restrição e a reacção em cadeia da polimerase . Modern biologia e bioquímica fazem uso intensivo destas técnicas em tecnologia de DNA recombinante. ADN recombinante é uma sequência de ADN artificial que foi montado a partir de outras sequências de ADN. Eles podem ser transformados em organismos sob a forma de plasmeos ou sob a forma apropriada, por meio de um vector viral . Os geneticamente modificados organismos produzidos podem ser utilizados para produzir produtos, tais como recombinantes de proteínas , utilizados na pesquisa médica , ou ser cultivadas em agricultura .

perfis de ADN

Os cientistas forenses pode usar DNA em sangue , sêmen , pele , saliva ou cabelo encontrado em uma cena de crime para identificar um DNA correspondente de um indivíduo, como um agressor. Este processo é formalmente chamado de perfis de ADN , também chamado de DNA fingerprinting . Em perfis de ADN, os comprimentos das secções variáveis de ADN repetitivo, tais como repeties tandem curtas e minissatélites , são comparados entre pessoas. Este método é normalmente uma técnica extremamente fiável para a identificação de um DNA correspondente. No entanto, a identificação pode ser complicado se a cena está contaminada com ADN de pessoas diferentes. Perfis de ADN foi desenvolvido em 1984 pelo geneticista britânico Sir Alec Jeffreys , e usado pela primeira vez em medicina forense para condenar Colin Pitchfork em 1988 assassinatos Enderby caso.

O desenvolvimento da ciência forense e a capacidade de obter agora correspondência genética em amostras mínimas de sangue, pele, saliva ou cabelo levou a re-examinar muitos casos. Evidência agora pode ser descoberto que era cientificamente impossível no momento do exame inicial. Combinada com a eliminação da dupla penalização lei em alguns lugares, isso pode permitir que os processos ser reaberto em ensaios anteriores não conseguiram produzir provas suficientes para convencer um júri. Pessoas acusadas de crimes graves pode ser necessária para fornecer uma amostra de DNA para fins de correspondência. A defesa mais óbvio para jogos de ADN obtidos forense é a reivindicação de que a contaminação cruzada de evidências tem ocorrido. Isso resultou em procedimentos de manipulação estritas meticulosos com novos casos de crime grave.

perfis de DNA também é utilizado com sucesso para identificar positivamente vítimas de incidentes de massa de baixas, órgãos ou partes do corpo em acidentes graves, e as vítimas individuais em túmulos de guerra em massa, via correspondência aos membros da família.

Perfis de ADN também é usado em teste de paternidade para determinar se alguém é o pai biológico ou avô de uma criança com a probabilidade de paternidade é tipicamente de 99,99% quando o suposto pai é biologicamente relacionado para a criança. Normais de seqüenciamento de DNA métodos acontecer após o nascimento, mas existem novos métodos para teste de paternidade enquanto a mãe ainda está grávida.

enzimas de ADN ou ADN catalítica

Deoxyribozymes , também chamados ADNzimas ou ADN catalítico, foram descobertos pela primeira vez em 1994. Eles são sequências de ADN de cadeia principalmente simples isoladas a partir de um grande conjunto de sequências de ADN aleatórias por meio de uma abordagem combinatória chamado in vitro selecção ou evolução sistemática de ligandos por enriquecimento exponencial (SELEX) . ADNzimas catalisar variedade de reacções químicas, incluindo a clivagem de ARN-ADN, a ligação de ARN-ADN, aminoácidos fosforilação-desfosforilação, a formação da ligação carbono-carbono, e etc. ADNzimas podem aumentar a taxa catalítica de reacções químicas até 100000000000 vezes durante a reacção não catalisada. A classe mais estudada de ADNzimas é tipos de clivagem de ARN que tenham sido utilizados para detectar diferentes iões metálicos e concepção de agentes terapêuticos. Vários ADNzimas específica de metal têm sido relatadas incluindo a GR-5 ADNzima (lead-específica), o CA1-3 ADNzimas (específico de cobre-), a ADNzima 39E (específico de uranilo-) e o NaA43 ADNzima (específico de sódio). O NaA43 ADNzima, que é descrito como sendo mais do que 10.000-vezes mais selectivo para sódio acima de outros iões metálicos, foi usada para fazer um sensor de sódio em tempo real em células.

bioinformática

Bioinformática envolve o desenvolvimento de técnicas para armazenar, minas de dados , pesquisar e manipular os dados biológicos, incluindo o DNA de sequência de ácidos nucleicos de dados. Estes levaram a avanços amplamente aplicados em ciência da computação , especialmente de cordas busca algoritmos , aprendizado de máquina , e teoria de banco de dados . Corda procura ou algoritmos, que procuram a ocorrência de uma sequência de letras dentro de uma sequência maior de cartas correspondentes, foram desenvolvidos para pesquisar sequências específicas de nucleótidos. A sequência de ADN pode ser alinhadas com outras sequências de ADN para identificar sequências homólogas e localizar os específicos mutações que os tornam distintos. Estas técnicas, especialmente o alinhamento de sequências múltiplas , são usados no estudo de filogenia relações e a função da proteína. Os conjuntos de dados que representam valor de sequências de ADN, tais como aqueles produzidos pelo genomas inteiros Projecto do Genoma Humano , são difíceis de usar, sem as anotações que identificam as localizações dos genes e elementos reguladores em cada cromossoma. As regiões de ADN que possuem os padrões característicos associados com genes em proteínas ou codificante de ARN podem ser identificados por localização de genes algoritmos, que permitem que os investigadores para prever a presença de determinados produtos do gene e as suas possíveis funções em um organismo mesmo antes de terem sido isolados experimentalmente. Genomas inteiros também podem ser comparados, que pode lançar luz sobre a história evolutiva de particular organismo e permitir o exame de eventos evolutivos complexos.

nanotecnologia de DNA

A estrutura de ADN à esquerda (esquema mostrado) será auto-montar na estrutura visualizadas por microscopia de força atómica à direita. Nanotecnologia ADN é o campo que visa conceber estruturas em escala nano, utilizando as reconhecimento molecular propriedades de moléculas de ADN. Imagem de Forte de 2004 .

Nanotecnologia ADN utiliza as únicas de reconhecimento molecular propriedades de ADN e outros ácidos nucleicos para criar complexos de ADN ramificado de auto-montagem com propriedades úteis. ADN é assim utilizada como um material estrutural, em vez de como um portador de informação biológica. Isto levou à criação de reticulados periódicos bidimensionais (tanto à base de cerâmica e usando o origami de DNA método) e estruturas tridimensionais nas formas de poliedros . Dispositivos Nanomechanical e auto-montagem algorítmica também têm sido demonstradas, e estas estruturas de DNA foram usadas para modelo o arranjo de outras moléculas, tais como as nanopartículas de ouro e estreptavidina proteínas.

História e antropologia

Porque ADN armazena mutações ao longo do tempo, que são herdados, que contém informações históricas, e, comparando seqüências de DNA, os geneticistas podem inferir a história evolutiva dos organismos, a sua filogenia . O campo da filogenia é uma ferramenta poderosa na biologia evolutiva . Se as sequências de ADN dentro de uma espécie são comparados, os geneticistas populacionais podem aprender a história de populações particulares. Isto pode ser utilizado em estudos que variam de genética ecológicos para antropologia .

armazenamento de informações

ADN como um dispositivo de armazenamento de informação tem um potencial enorme, uma vez que tem muito mais elevada densidade de armazenagem em relação aos dispositivos electrónicos. No entanto custos elevados, extremamente lento ler e escrever vezes ( latência de memória ), e insuficiente confiabilidade tem impedido sua utilização prática.

História

James Watson e Francis Crick (direita), co-criadores do modelo de dupla hélice, com Maclyn McCarty (à esquerda)
Lápis esboço da dupla hélice de ADN por Francis Crick em 1953

O DNA foi isolado pela primeira vez pelo médico suíço Friedrich Miescher que, em 1869, descobriu uma substância microscópica no pus de ataduras cirúrgicas descartadas. Como ele residia no núcleo das células, ele o chamou de "nuclein". Em 1878, Albrecht Kossel isolado o componente não proteico de "nucleína", o ácido nucleico, e mais tarde isolado seus cinco primárias nucleobases .

Em 1909, Phoebus Levene identificado a base, o açúcar, e a unidade de nucleótidos de fosfato do ARN (em seguida denominado "ácido nucleico de levedura"). Em 1929, identificou Levene açúcar desoxirribose em "ácido nucleico timo" (DNA). Levene sugeriu que o DNA consistia de uma série de quatro unidades de nucleótidos ligados uns aos outros através dos grupos fosfato ( "hipótese tetranucleótideo"). Levene pensou que a cadeia foi curto e as bases repetido numa ordem fixa. Em 1927, Nikolai Koltsov proposto que as características hereditárias iria ser herdada através de uma "molécula hereditária gigante" constituído por "duas cadeias de espelho que se replicam de uma forma semi-conservadora usando cada cadeia como um molde". Em 1928, Frederick Griffith em seu experimento descobriram que traços da forma "suave" de pneumococo pode ser transferido para a forma "grosseira" da mesma bactéria através da mistura de bactérias mortas "suaves" com a forma "áspero" ao vivo. Este sistema proporcionou a primeira sugestão clara de que o DNA carrega a informação genética.

Em 1933, enquanto estudava virgens ouriço do mar ovos, Jean Brachet sugeriu que o DNA é encontrado no núcleo da célula e que RNA está presente exclusivamente no citoplasma . Na altura, "ácido nucleico de levedura" (ARN) foi pensado para ocorrer apenas em plantas, enquanto "ácido nucleico timo" (DNA) apenas em animais. Este último foi pensado para ser um tetrâmero, com a função de tamponamento de pH celular.

Em 1937, William Astbury produziu os primeiros padrões de difração de raios-X que mostraram que o DNA tinha uma estrutura regular.

Em 1943, Oswald Avery , juntamente com colegas de trabalho Colin MacLeod e Maclyn McCarty , DNA identificado como o princípio de transformação , apoiando a sugestão de Griffith ( experimento Avery-MacLeod-McCarty ). O papel do ADN em hereditariedade foi confirmado em 1952 quando Alfred Hershey e Martha Chase no experimento Hershey-chase mostrou que o DNA é o material genético da enterobactérias fago T2 .

Uma placa azul fora Eagle pub comemorando Crick e Watson

No final de 1951, Francis Crick começou a trabalhar com James Watson no Laboratório Cavendish na Universidade de Cambridge . Em Fevereiro de 1953, Pauling e Robert Corey proposto um modelo para os ácidos nucleicos que contêm três cadeias entrelaçadas, com os fosfatos perto do eixo, e as bases do lado de fora. Em maio de 1952, Raymond Gosling um estudante de graduação trabalhando sob a supervisão de Rosalind Franklin tomou uma difração de raios-X de imagem, rotulado como " Foto 51 ", em altos níveis de hidratação do DNA. Esta fotografia foi dado a Watson e Crick por Maurice Wilkins e foi crítica para a sua obtenção a estrutura correcta do ADN. Franklin disse Crick e Watson que os backbones tinha que ser do lado de fora. Antes disso, Pauling, e Watson e Crick, tinha modelos erróneas com as cadeias dentro e as bases que aponta para fora. Sua identificação do grupo espacial dos cristais de ADN revelou a Crick que as duas cadeias de ADN foram antiparalelo .

Em fevereiro de 1953, Watson e Crick completou seu modelo, que agora é aceito como o primeiro modelo correto da dupla-hélice do DNA . Em 28 de fevereiro de 1953 Crick interrompido almoço clientes no The Eagle pub em Cambridge para anunciar que ele e Watson tinha 'descoberto o segredo da vida'.

No 25 de abril, 1953 edição da revista Nature , foram publicadas uma série de cinco artigos dando o DNA estrutura de Watson e Crick dupla-hélice, e provas que sustentam isso. A estrutura foi relatado em uma carta intitulada " estrutura molecular de Ácidos Nucleicos uma estrutura para Desoxirribose Ácido Nucleico ", em que disse: "Não escapou nossa observação que o pareamento específico que postulamos sugere imediatamente um possível mecanismo de cópia para a genética material." Seguido por uma carta de Franklin e Gosling, que foi a primeira publicação da sua própria dados de difracção de raios-X, e do seu método de análise original. Depois seguiu-se uma carta por Wilkins, e dois dos seus colegas, que continham uma análise de in vivo padrões de raios X de ADN-B, e suportados a presença in vivo da estrutura de Watson e Crick.

Em 1962, após a morte de Franklin, Watson, Crick e Wilkins receberam conjuntamente o Prêmio Nobel de Fisiologia ou Medicina . Prêmios Nobel são atribuídos apenas aos beneficiários residentes. Um debate continua sobre quem deveria receber crédito pela descoberta.

Numa apresentação influente em 1957, Crick dispostas a dogma central da biologia molecular , que predito a relação entre o ADN, ARN, e proteínas, e articulado a "hipótese adaptador". A confirmação final do mecanismo de replicação que foi implicada pela estrutura helicoidal dupla em seguida em 1958 por meio da experiência de Meselson-Stahl . Mais trabalho por Crick e colaboradores mostraram que o código genético foi baseada em trigêmeos não sobrepostos de bases, chamados códons , permitindo Har Gobind Khorana , Robert W. Holley , e Marshall Nirenberg para decifrar o código genético. Estes resultados representam o nascimento da biologia molecular .

Veja também

Referências

Outras leituras

  • Um baga, Watson J (2003). DNA: o segredo da vida . New York: Alfred A. Knopf. ISBN 0-375-41546-7.
  • Calladine CR, Drew HR, Luisi BF, Travers AA (2003). DNA entendimento: a molécula e como ele funciona . Amsterdam: Elsevier Academic Press. ISBN 0-12-155089-3.
  • Carina D, Clayton J (2003). 50 anos de ADN . Basingstoke: Palgrave Macmillan. ISBN 1-4039-1479-6.
  • Judson HF (1979). O Oitavo Dia da Criação: Makers da Revolução em Biologia (2ª ed.). Cold Spring Harbor Laboratory Press. ISBN 0-671-22540-5.
  • Olby RC (1994). O caminho para o hélice dupla: a descoberta do ADN . New York: Dover Publications. ISBN 0-486-68117-3., Publicado pela primeira vez em outubro de 1974 por MacMillan, com prefácio de Francis Crick; o livro DNA definitiva, revisto em 1994 com um posfácio 9 páginas
  • Micklas D (2003). Ciência DNA: Um primeiro curso . Cold Spring Harbor Press. ISBN 978-0-87969-636-8.
  • Ridley M (2006). Francis Crick: descobridor do código genético . Ashland, OH: Vidas Eminentes, Livros Atlas. ISBN 0-06-082333-X.
  • Olby RC (2009). Francis Crick: A Biography . Plainview, NY: Cold Spring Harbor Laboratory Press. ISBN 0-87969-798-9.
  • Rosenfeld I (2010). DNA: um guia gráfico para a molécula que abalou o mundo . Columbia University Press. ISBN 978-0-231-14271-7.
  • Schultz H, Z canhão (2009). As coisas da vida: um guia gráfico para Genética e DNA . Hill e Wang. ISBN 0-8090-8947-5.
  • Stent GS , J Watson (1980). The Double Helix : Uma conta pessoal da descoberta da estrutura do DNA . New York: Norton. ISBN 0-393-95075-1.
  • Watson J (2004). DNA: o segredo da vida . Casa aleatória. ISBN 978-0-09-945184-6.
  • Wilkins M (2003). O terceiro homem da dupla hélice a autobiografia de Maurice Wilkins . Cambridge, Inglaterra: University Press. ISBN 0-19-860665-6.

links externos