A dezoxiribonukleinsav vagy DNS , egy makromolekula jelen biológiai szinte minden sejt és sok vírusok . A DNS tartalmazza az összes genetikai információt, az úgynevezett genomot , amely lehetővé teszi az élőlények fejlődését, működését és szaporodását . Ez egy nukleinsav , mint a ribonukleinsav (RNS). A nukleinsavak a peptidekkel és szénhidrátokkal együtt a biopolimerek három fő családjának egyike, amelyek nélkülözhetetlenek az összes ismert életformához.
Az élő sejtekben található DNS-molekulák két antiparallel szálból állnak, amelyek egymás köré tekeredve kettős spirált képeznek . A DNS-ről kettős szálú vagy kettős szálú. Ezen szálak mindegyike polinukleotidnak nevezett polimer . Mindegyik monomer , hogy képez ez egy nukleotid , ami képződik egy nukleinsav bázis , vagy nitrogéntartalmú bázis - adenin (A), citozin (C), guanin (G) vagy timin (T) - kapcsolódik egy OSE - itt, a dezoxiribóz - önmagában kapcsolódik egy foszfát csoport . Polimerizált nukleotidok egyesül egymáshoz kovalens kötések közötti dezoxiribóz egy nukleotid, és a foszfát-csoportot a következő nukleotid, így kialakítva egy láncot, ahol operációs rendszer és foszfátok váltakoznak, a nukleinsav bázisok mindegyik kapcsolódik egy OSE. A nukleotidok egymás utáni sorrendje egy DNS-szál mentén képezi ennek a szálnak a szekvenciáját . Ez a szekvencia hordozza a genetikai információkat. Ez génekbe szerveződik , amelyek RNS- be történő transzkripcióval fejeződnek ki . Ezen RNS-ek lehetnek a nem-kódoló - transzfer RNS és riboszomális RNS különösen - vagy pedig kódolás: ebben az esetben azok messenger RNS-ek , amelyek lefordított át fehérjék által riboszómák . A DNS nukleáris bázisainak egymásutánisága meghatározza az ezekből a génekből származó fehérjéket alkotó aminosavak egymásutánját . A nukleáris bázisok és az aminosavak közötti megfelelés a genetikai kód . Egy szervezet összes génje alkotja genomját .
A nukleinsav bázisok egyik szálának DNS kölcsönhatásba léphet a nukleinsav bázisok egy másik DNS-szál keresztül hidrogénkötések , amelyek meghatározzák a szabályokat a párosítás közötti bázispár : adenin és timin s'pár révén két hidrogénkötések, míg a guanin és a citozinpár három hidrogénkötés révén. Normális esetben az adenin és a citozin nem párosodnak, csakúgy, mint a guanin és a timin. Ha a két szál szekvenciája komplementer, ezek a szálak párosulva egy jellegzetes kettős szálú spirális szerkezetet alkotnak, amelyet DNS kettős spirálnak neveznek. Ez a kettős spirál jól alkalmazható a genetikai információk tárolására: az óz-foszfát lánc ellenáll a hasítási reakcióknak ; ráadásul az információ megismétlődik a kettős spirál két szálán , ami lehetővé teszi a sérült szál helyreállítását a másik, sértetlen szálból; végül ezt az információt át lehet másolni egy DNS-replikációnak nevezett mechanizmus révén , amelyben a DNS kettős spirál hűen másolódik egy másik, ugyanazt az információt hordozó kettős spirálba. Ez különösen történik a sejtosztódás során : az anyasejt minden egyes DNS-molekulája két DNS-molekulává replikálódik, a két leánysejt mindegyike így egy teljes DNS-molekula-készletet kap, és mindegyik játék azonos a másikkal.
A sejtekben a DNS kromoszómáknak nevezett struktúrákba szerveződik . Ezek a kromoszómák azon dolgoznak, hogy a DNS-t kompaktabbá tegyék a fehérjék , különösen a hisztonok segítségével , amelyek a nukleinsavakkal együtt egy kromatin nevű anyagot alkotnak . A kromoszómák a génexpresszió szabályozásában is részt vesznek, meghatározva, hogy a DNS mely részeit kell átírni az RNS-be . A eukariótákban ( állatok , növények , gombák és egysejtűek ), DNS-t lényegében tartalmazza a sejtmagban a sejtek, egy töredéke DNS is jelen mitokondriumok valamint, a növények , a kloroplasztisz . A prokariótákban ( baktériumok és archeák ) a DNS a citoplazmában található . A vírusok , amelyek tartalmazzák a DNS, ez tárolja a kapszid . Bármelyik organizmust is figyelembe vesszük, a DNS továbbjut a szaporodás során : az öröklődés támogatásának szerepét tölti be . A gén bázisszekvenciájának módosítása genetikai mutációhoz vezethet , amely az esettől függően előnyös lehet, következmények nélkül vagy káros a szervezetre, vagy akár összeegyeztethetetlen a túlélésével. Példaként, a módosítás egy alap egyetlen gén -, hogy a β-globin , egy fehérje-alegység a hemoglobin A - az a humán genotípus felelős a sarlósejtes vérszegénység , a genetikai betegség közül leginkább elterjedt a világon.
A DNS egy hosszú polimer , amelyet az úgynevezett nukleotidoknak nevezett monomerek ismétlődésével alakítanak ki . Az első DNS-t azonosítunk és izolálunk 1869 a nucleus a fehérvérsejtek által a svájci Friedrich Miescher . Kettős spirálszerkezetét 1953-ban a brit Francis Crick és az amerikai James Watson bizonyította a brit Rosalind Franklin és Maurice Wilkins kísérleti adataiból . Ez a minden fajra jellemző szerkezet két spirális polinukleotidláncból áll, amelyek egy közös tengely körül egymás körül tekercseltek, a magasságuk körülbelül 3,4 nm , a átmérője körülbelül 2, 0 nm . Egy másik tanulmány geometriai paramétereinek mérésére, a DNS- oldatban ad átmérője 2.2 , hogy 2.6 nm , amelynek teljes hossza per nukleotid a 0,33 nm . Bár minden nukleotid nagyon kicsi, a DNS-molekulák milliókat tartalmazhatnak, és jelentős méretűre növekedhetnek. Például, a humán 1-es kromoszóma , amely a legnagyobb a humán kromoszómák , tartalmaz mintegy 220 millió bázispárokat lineáris hossza több mint 7 cm .
A élő sejtek , a DNS általában nem létezik egyszálú (egy- szálú ) formában, hanem a kettős szálú (kettős szálú) formáját egy kettős spirál konfiguráció. A monomerek alkotó egyes DNS-szál tartalmazza a szegmens a dezoxiribóz - foszfát -lánc és egy nukleinsav bázis kapcsolódik a dezoxiribóz. A molekulát, amely egy nukleáris bázis egy ózához kötődik, nukleozidnak nevezzük ; hozzáadásával 1-3 -foszfát csoportokat , hogy a dózis egy nukleozid formák egy nukleotid . A nukleotidok polimerizációjából származó polimert polinukleotidnak nevezzük . A DNS és az RNS polinukleotid.
A molekula gerincét képező óz a 2'-dezoxiribóz , a ribóz származéka . Ez pentóz váltakozik foszfátcsoportokat képeznek foszfodiészter kötések közötti atomok n o 3 „és n o 5” maradékok szomszédos dezoxiribóz. Ezen aszimmetrikus kötés miatt a DNS-szálaknak van értelme. Kettős spirálban a DNS két szála ellentétes irányban helyezkedik el: állítólag antipárhuzamosak . Az 5'-3 'irányban egy DNS szál hagyományosan jelöli, hogy a hordozó vége egy foszfát csoport -PO 3 2-hidroxilcsoportot hordozó vége –OH; ebben az értelemben szintetizálják a DNS-t a DNS-polimerázok . Az egyik legfontosabb különbség a DNS és RNS az a tény, hogy a mer a csontváz a molekula ribóz esetében RNS helyett a DNS-dezoxiribóz, amely játszik a stabilitás és geometriája ezt makromolekula .
A DNS kettős spirált lényegében két erő stabilizálja: egyrészt a nukleotidok közötti hidrogénkötések, másrészt a nukleáris bázisok aromás gyűrűinek egymásra rakódó kölcsönhatásai . A vizes környezetben a sejt , a konjugált π kötést ilyen bázisok igazítsa tengelyére merőleges a DNS molekula annak érdekében, hogy minimalizálják a kölcsönhatások a szolvatációs réteg , és ezért, azok szabad entalpiája . A DNS négy alkotó nukleotidja az adenin (A), a citozin (C), a guanin (G) és a timin (T), amelyek a következő négy nukleotidot alkotják, és így alkotják a DNS-t:
A DNS négy nukleáris bázisának két típusa van: egyrészt a purinok - az adenin és a guanin - amelyek biciklusos vegyületek, amelyek két heterociklust tartalmaznak , öt, illetve hat atomot tartalmaznak, másrészt a pirimidinek - citozin és timin -, amelyek monociklusosak hat atomot tartalmazó heterociklust tartalmazó vegyületek . A DNS kettős spirál bázispárai purinból állnak, amelyek két vagy három hidrogénkötésen keresztül kölcsönhatásba lépnek egy pirimidinnel :
Ezen komplementaritás miatt a DNS kettős spirál egyik szála által hordozott összes genetikai információ a másik szálon is azonos módon kerül hordozásra. Ezen az elven alapszik a DNS-replikáció mechanizmusa , és ezen a nukleáris bázisok közötti komplementaritáson alapszik az élő sejtekben a DNS összes biológiai funkciója.
A DNS-t bizonyos vírusok , mint például a bakteriofágok PBS1 és pBS2 a Bacillus subtilis , a bakteriofág φR1-37 a Yersinia , valamint a fág-S6 a Staphylococcus , helyettesítheti timin uracil , egy pirimidin általában jellemző RNS , de normálisan hiányzó DNS, ahol a csak a citozin bomlástermékeként található meg.
A nukleobázisok gyakrabban párosodnak úgy, hogy a "Watson-Crick" nevű bázispárokat alkotják, amelyek két vagy három hidrogénkötésnek felelnek meg, amelyek két bázis között létrejöttek, de orientálódtak a dezoxiribóz- maradék ellen . A szinorientált purin és az antiorientált pirimidin között azonban hidrogénkötések is létrejöhetnek : ebben az esetben ez egy Hoogsteen-párosítás . A Watson-Crick bázispár szintén képes Hoogsteen típusú hidrogénkötések létrehozására egy harmadik bázissal, amely lehetővé teszi háromszálú DNS-struktúrák kialakulását.
Csak az egyik szál a DNS-szegmens alkotó gént van íródik át funkcionális RNS , úgy, hogy a két szál egy gén nem ekvivalensek: az egyik, amely átíródik funkcionális RNS azt mondta, hogy a negatív polaritású, és hordoz egy antiszensz szekvenciát , míg a komplementer szál - amely szintén átírható RNS-be, de nem funkcionális - pozitív polaritással rendelkezik és érzékeny DNS-szekvenciát hordoz. A funkcionális RNS-be átírt szálat néha kódoló szálnak nevezik, de ez a megjelölés csak egy adott génen belül érvényes, mert ugyanazon DNS kettős spirál két szála különböző fehérjéket kódolhat; ezután ambisense szálakról beszélünk. RNS-ek szintén átíródik a szensz DNS-szekvenciákat - így antiszensz RNS-szekvenciák - mind prokariótákban és eukariótákban , de biológiai szerepe nem teljesen tisztázott; az egyik hipotézis az, hogy ezek az antiszensz RNS-ek is beavatkoznak a szabályozásában génexpresszió révén a párosítást közötti szensz és antiszensz RNS-szekvenciák, amelyek, definíció szerint, komplementer.
Az érzéki és az antiszensz DNS szálak közötti különbség homályos az átfedő gének bizonyos típusaiban, amelyek prokariótákban és eukariótákban meglehetősen ritkák, de gyakoribbak a plazmidokban és a vírusokban , amelyekben a DNS azonos szegmensének mindkét szála eltérő funkcionális RNS-t kódol. A baktériumoknál ez az átfedés szerepet játszhat a géntranszkripció szabályozásában, míg a vírusokban az átfedő gének növelik a genetikai információ mennyiségét, amely a vírusgenom kis méretében kódolható.
A felszabadult DNS lehet lineáris, amint ez jellemzően az eukariótáknál van , vagy kör alakú, mint a prokariótáknál . Ez azonban néha bonyolult módon megcsavarható a további propellerfordulatok bevezetése vagy a kettős spirálban lévő fordulatok eltávolítása következtében . Az így pozitív vagy negatív superturnusok hatására szupercsavarodott DNS kettős spirál dőlésszöge ellazult állapotához képest rövidül vagy meghosszabbodik: az első esetben a nukleáris bázisok kompaktabb módon vannak elrendezve; a második esetben éppen ellenkezőleg, kevésbé szoros kapcsolatban állnak egymással. In vivo , a DNS tipikusan mutat enyhén negatív szuperspirálosodási hatása alatt enzimek úgynevezett DNS topoizomerázok , amelyek szintén alapvető fontosságú lazítására a feszültségeket juttatjuk be a DNS olyan folyamatoknál, amelyeknél letekerjük a kettős hélix elválasztani azt. A két szál , amint az különösen a esetben során a DNS-replikáció , valamint során transzkripció be RNS .
Mivel a hidrogénkötések nem kovalens kötések , elég könnyen megszakadhatnak. Így lehetőség van a DNS kettős spirál két szálának leválasztására, mint egy cipzár, mechanikusan és magas hőmérséklet hatására, valamint alacsony sótartalom mellett, magas pH-értékű - bázikus oldat - és alacsony pH-érték mellett - savas oldat esetében. azonban a DNS-t különösen a tisztítással változtatja meg. A kettős szálú DNS szálainak ezt az elválasztását két egyszálú DNS-molekula létrehozásához DNS- fúziónak vagy denaturációnak nevezzük . A hőmérséklet, amelynél 50% -a kettős-szálú DNS-t disszociált két egyszálú DNS-molekulákat nevezik az olvadási hőmérséklet vagy félig-denaturációs hőmérséklet a DNS, jelölt T m . Meg lehet mérni követő optikai abszorpciós át 260 nm-en az oldatot tartalmazó DNS: ez a felszívódás során növekszik mismatch, amely az úgynevezett hiperkróm . A felszabadult egyszálú DNS-molekuláknak nincs különösebb konfigurációja, de néhány háromdimenziós szerkezet stabilabb, mint mások.
A DNS kettős spirál stabilitása alapvetően attól függ, hogy hány hidrogénkötés szakad meg a két szál elválasztására. Ezért minél hosszabb a kettős spirál, annál stabilabb. Mivel azonban a G C- párokat az A T- párok helyett kettő helyett három hidrogénkötés egyesíti , az azonos hosszúságú kétszálú DNS-molekulák stabilitása a bennük levő G C- párok számával növekszik, sebességükkel mérve . írta GC . Ezt a hatást erősíti az a tény, hogy ugyanannak a DNS-szálnak a nukleáris bázisai közötti erősebb kölcsönhatások erősebbek a guanin és a citozin maradványok között , így a DNS szekvencia is befolyásolja stabilitását. A DNS olvadási hőmérséklete tehát a molekulák hosszától, GC szintjétől, szekvenciájától, az oldószerben lévő koncentrációjától és a benne lévő ionerősségtől függ . A molekuláris biológia , megfigyelhető, hogy a szegmensek a kettős-szálú DNS-t, amelynek funkciója arra utal, hogy a két szál a kettős hélix könnyen szét van egy magas aránya A T pár : ez a helyzet a TATAAT szekvencia jellemző a Pribnow doboz néhány promótert .
A DNS két szála kettős spirált képez, amelynek gerince két barázdát képez. Ezek a barázdák szomszédosak a bázispárokkal, és valószínűleg kötési helyet biztosítanak a különféle molekulák számára. Mivel a DNS-szálak nem helyezkednek el szimmetrikusan a kettős spirál tengelyéhez viszonyítva, két egyenlőtlen barázdát határoznak meg: a fő horony 2,2 nm, míg a mellékhorony 1,2 nm széles . A nukleáris bázisok szélei könnyebben hozzáférhetők a fő horonyban, mint a kisebb horonyban. Tehát azok a fehérjék , mint például a transzkripciós faktorok , amelyek a kettős szálú DNS specifikus szekvenciáihoz kötődnek, általában a fő horony szintjén teszik ezt.
A DNS kettős spirálnak sok lehetséges konformere van. A klasszikus formákat DNS-nek A , DNS B és DNS Z nevezik , amelyek közül csak az utóbbi kettőt figyelték meg közvetlenül in vivo . A konformációt által elfogadott kettős - szálú DNS függ annak mértékétől hidratáció , annak szekvenciáját , annak mértéke szuperspiráiosodással , a kémiai módosítások a bázisok , amelyek őt alkotó, a természetben és a koncentrációt a fém ionok a megoldás , sőt a jelenléte poliaminok .
Beállítás | DNS A | DNS B | Z DNS |
---|---|---|---|
A légcsavar iránya | jobb | jobb | bal |
Ismételt minta | 1 bp | 1 bp | 2 bp |
Forgatás alappáronként | 32,7 ° | 34,3 ° | 60 ° / 2 |
Alapok párja légcsavar fordulatonként | 11. | 10.5 | 12. |
A propeller menetemelkedése fordulatonként | 2,82 nm | 3,32 nm | 4,56 nm |
Tengely hosszabbítás pár bázisok | 0,24 nm | 0,32 nm | 0,38 nm |
Átmérő | 2,3 nm | 2,0 nm | 1,8 nm |
Hajlása a bázispárok a tengelyen a légcsavar | + 19 ° | -1,2 ° | -9 ° |
Közepes csavar ( propeller csavar ) | + 18 ° | + 16 ° | 0 ° |
A bázisok szubsztituenseinek orientációja az ozidos maradványokon |
anti | anti |
Pirimidin : anti, purin : syn |
A furanóz összecsukható / endociklusos torziója ( cukortartó ) |
C3'- endo | C2'- endo |
A citozin : C2'- endo , guanin : C2'- exo |
A DNS génexpressziója attól függ, hogy a DNS miként van a kromoszómákba csomagolva az úgynevezett kromatinnak . Bizonyos bázisok módosítható képződése során kromatin, a citozin maradványok a régiók, amelyek kevés vagy genetikailag nem expresszálódik általában erőteljesen metilezett , és ez elsősorban a CpG helyek . A hisztonok , amelyek köré a DNS kromatinokba burkolózik, szintén kovalensen módosíthatók . Maga a kromatin kromatin átalakító komplexekkel megváltoztatható. Ezen túlmenően a hisztonok DNS-metilezése és kovalens módosítása összehangolt módon befolyásolja a kromatin és a génexpressziót .
Így a citozinmaradékok metilezése 5-metil- citozint eredményez , amely fontos szerepet játszik az X kromoszóma inaktiválásában . A metiláció sebessége organizmusonként változó, a Caenorhabditis elegans fonálféregtől teljesen hiányzik, míg a gerincesek DNS - jének körülbelül 1% -a 5-metil-citozint tartalmaz .
A pirimidinek molekuláris szerkezete nagyon hasonló. Így, citozin és 5-metil-citozin lehet dezaminezheti termelni uracil (ami nem egy bázis, amely része a DNS-kód) és a timin , ill. A dezaminálási reakció tehát elősegítheti a genetikai mutációkat .
Vannak még más módosított bázisok DNS, ami például a metilezés a adenin maradékok a baktériumok , hanem a fonálférgek ( Caenorhabditis elegans ), zöld alga ( Chlamydomonas ) és gyümölcslegyek . Az 5-hidroxi-metil- citozin a citozin származéka, amely különösen bőséges az emlősök agyában . Organizmusok, mint a ostoros Diplonema és Euglena és a nemzetség Kinetoplastida , sőt tartalmazhat glikozilezett pirimidin származó uracil és a hívott bázis J ; ez a módosított bázis transzkripciós terminációs jelként működik az RNS-polimeráz II számára . Számos olyan fehérjét azonosítottak, amelyek specifikusan kötődnek a J bázishoz .
A DNS-t számos mutagén károsíthatja, amelyek megváltoztatják szekvenciáját . Ezek a mutagének magukban foglalják az oxidálószereket , az alkilezést , az elektromágneses sugárzási energiát, mint például az ultraibolya , röntgen és gamma , valamint az ionizáló sugárzás szubatomi részecskéit , amelyek radioaktivitásból, akár kozmikus sugarakból származnak . A károsodás típusa a mutagén típusától függ. Tehát az ultraibolya sugarak képesek károsítani a DNS-t azáltal, hogy pirimidin-dimereket állítanak elő, kötéseket létesítve ugyanazon DNS- szál szomszédos bázisai között . Az oxidánsok, például a szabad gyökök vagy a hidrogén-peroxid, többféle károsodást okoznak, például bázisváltozásokat , beleértve a guanozint is , és a kettős szálú szerkezet megszakadását . Egy tipikus emberi sejt körülbelül 150 000 bázist tartalmaz, amelyet egy oxidálószer károsít. Az oxidánsok által okozott elváltozások közül a legveszélyesebbek a kettős szálú repedések, mivel ezeket a legnehezebb helyrehozni, és hajlamosak pontmutációkat , inszerciókat és deléciókat produkálni a DNS-szekvencián belül, valamint kromoszóma transzlokációkat . Ezek a mutációk valószínűleg rákot okoznak . A természetes DNS-változások, például reaktív oxigénszármazékokat előállító sejtes folyamatok eredményeként , meglehetősen gyakoriak. Bár a DNS-helyreállítási mechanizmusok megoldják ezen elváltozások többségét, néhányuk nem javul meg, és idővel felhalmozódik az emlősök posztmitotikus szöveteiben . Az ilyen helyrehozhatatlan elváltozások felhalmozódása az öregedés fontos mögöttes okának tűnik .
Számos mutagén illeszkedik két szomszédos bázispár közötti térbe úgy, hogy interkalációnak nevezzük . A legtöbb betelepülésekkel készülnek aromás vegyületek és a sík molekulák , mint például etidium-bromid , acridins , daunorubicin vagy doxorubicin . Az alapoknak egymástól el kell mozdulniuk annak érdekében, hogy lehetővé váljon az interkalációs vegyület beillesztése, amely részleges kikapcsolódással a kettős spirál torzulását okozza. Ez blokkolja a DNS transzkripcióját és replikációját , ami citotoxicitást és mutációkat eredményez . Ennek megfelelően az interkaláló vegyületek karcinogének lehetnek, és talidomid esetében teratogének . Más vegyületek, például az epoxi- benzo [ a ] pirén-diol és az aflatoxin adduktokat képeznek a DNS-sel, amelyek hibákat okoznak a replikációban. Mivel azonban képesek blokkolni a DNS transzkripcióját és replikációját, más hasonló toxinokat is alkalmaznak a kemoterápiában a gyorsan szaporodó sejtek ellen .
A DNS főleg a kromoszómákban található , amelyek az eukariótákban általában lineárisak, a prokariótákban pedig körkörösek . Ez utóbbiban a kromoszómákon kívül, a plazmidokban is megtalálható . A sejt összes DNS-e alkotja genomját . Az emberi genom körülbelül hárommilliárd bázispárt képvisel, amelyek 46 kromoszómában oszlanak meg. A genomban található információt a géneket alkotó DNS-szegmensek hordozzák . A genetikai információt a Watson-Crick párosításnak nevezett speciális illesztési szabályok alapján továbbítják: a normálisan megengedett bázisok közül csak az adenin a timinnel és a guanin a citozinnal . Ezek a párosítási szabályok a DNS biológiai funkcióiban működő különböző folyamatok mögött állnak:
Ha egy cella van osztva , meg kell megismételni a hordozó DNS a genomba , hogy mindkét lánya sejtek öröklik ugyanazt a genetikai információt , mint a szülő sejt. A DNS kettős spirál egyszerű replikációs mechanizmust biztosít: a két szálat letekerjük szétválasztásra, és mindkét szál templátként szolgál ahhoz, hogy a nukleáris bázisok párosításával újrateremtsük a szálat a komplementer szekvenciával , ami lehetővé teszi két egyforma helyreállítását. kétszálú DNS-spirálok . Ezt a folyamatot egy sor enzim katalizálja , amelyek között a DNS-polimerázok azok, amelyek kiegészítik a letekert DNS-szálakat a két komplementer szál rekonstruálásához. Mivel ezek a DNS-polimerázok csak az 5'-3 'irányban képesek polimerizálni a DNS-t , különböző mechanizmusok lépnek fel a kettős spirál antiparallel szálainak lemásolásához :
A genomban lévő DNS egy DNS kondenzációnak nevezett folyamatban szerveződik és tömörül, hogy elférjen a sejt szűk helyén . Az eukariótákban a DNS főleg a magban lokalizálódik , kis része a mitokondriumokban , növényekben pedig a kloroplasztokban is . A prokariótákban a DNS a citoplazma szabálytalan szerkezetében található, az úgynevezett nukleoid . A genom genetikai információja a géneken belül szerveződik , és ezen információk teljes készletét genotípusnak nevezik . A gén a DNS azon része, amely befolyásolja a szervezet sajátos jellemzőit, és ezért része az öröklődésnek . Ez tartalmaz egy nyitott leolvasási keretet , amely lehet átíródik be RNS , valamint a szekvenciák szabályozására génexpresszió , mint például promoterek és enhanszerek , amelyek szabályozzák az átírást.
A legtöbb fajban a genomnak csak egy kis része kódolja a fehérjéket . Tehát az emberi genom körülbelül 1,5% -a fehérjéket kódoló exonokból áll , míg az emberi DNS több mint 50% -a ismétlődő nem kódoló szekvenciákból áll ; a többi DNS különböző típusú RNS- eket kódol , például transzfer RNS-eket és riboszomális RNS-eket . A jelenléte az ilyen mennyiségű, nem-kódoló DNS-t a genomjába az eukarióták, mint valamint a nagy változatosságot a méret a genom különböző organizmusok - méretet, amely nincs kapcsolatban a összetettsége a megfelelő organizmusok - egy kérdés ismert, mivel a molekuláris biológia kezdetei, és gyakran a C-érték paradoxonának nevezik , ez a " C-érték " jelöli diploid organizmusokban a genom nagyságát, és ekkora többszöröst poliploidokban . Bizonyos fehérjéket kódoló DNS-szekvenciák azonban nem kódolhatják az RNS molekuláit, amelyek részt vesznek a génexpresszió funkcionális szabályozásában .
Bizonyos nem kódoló DNS-szekvenciák strukturális szerepet játszanak a kromoszómákban . A telomerek és centromerek általában kevés gént tartalmaznak, de jelentősen hozzájárulnak a biológiai funkciókhoz és a kromoszómák mechanikai stabilitásához. A nem kódoló DNS jelentős része pszeudogénekből áll , amelyek a mutációk eredményeként inaktívvá vált gének másolatai . Ezek a szekvenciák általában csak molekuláris kövületek, de néha genetikai nyersanyagként szolgálhatnak új gének létrehozásához a genetikai duplikáció és az evolúciós divergencia folyamatai révén .
A génexpresszió átalakítani az genotípus organizmus fenotípus , azaz, egy sor jellemzője ennek a szervezetnek. Ezt a folyamatot különféle külső ingerek befolyásolják, és a következő három fő szakaszból áll:
Ne feledje, hogy ugyanaz a DNS egy szervezet fejlődésének két szakaszában (a különböző represszorok és derepresszánsok miatt) nagyon különböző módon fejezhető ki, a legismertebb példa a hernyó és a pillangó, amelyek morfológiailag nagyon távoliak.
A információk gén által kódolt szekvencia az nukleotidok a gén DNS-t lehet másolni egy nukleinsav eltérő ismert DNS-t és RNS-t . Ez az RNS szerkezetileg nagyon hasonlít az egyszálú DNS-molekulához, de különbözik nukleotidjainak ózusától - az RNS ribózt tartalmaz, ahol a DNS dezoxiribózt tartalmaz , valamint az egyik nukleotidját. Nukleinsavbázisok - a DNS-ben található timin helyébe uracil lép .
A DNS RNS-be történő transzkripciója összetett folyamat, amelynek tisztázása jelentős előrelépést jelentett a molekuláris biológiában a XX . Század második felében . Szorosan szabályozzák, különösen a transzkripciós faktoroknak nevezett fehérjék, amelyek például a hormonokra reagálva lehetővé teszik a célgének átírását: ez például a nemi hormonok, például az ösztrogén , a progeszteron és a tesztoszteron esetében .
A DNS átírásából származó RNS lehet nem kódoló vagy kódoló. Az első esetben a sejtben saját fiziológiai funkciója van ; a második esetben ez egy messenger RNS , amelyet a DNS-ben található genetikai információnak a riboszómákba történő szállítására használnak , és amelyek az átviteli RNS segítségével megszervezik ezen információk dekódolását . Ezek a transzfer RNS-ek egy aminosavhoz kapcsolódnak a 22 proteinogén aminosav között, és mindegyiküknek három egymást követő nukleáris bázisa van, az úgynevezett antikodon . Ezen antikodonok három bázisa párosulhat a messenger RNS három egymást követő bázisával, ez a bázisok hármasa a transzfer RNS antikodonjával komplementer kodont képez . A messenger RNS kodon és a transzfer RNS antikodon komplementaritása Watson-Crick típusú párosítási szabályokon alapul, amelyek a kettős szálú DNS-ek másodlagos szerkezetét szabályozzák .
A 64 lehetséges kodon és a 22 proteinogén aminosav közötti megfelelést genetikai kódnak nevezzük . Ezt a kódot úgy valósítják meg, hogy a különböző transzfer RNS-ek fizikailag összekapcsolják az adott aminosavat és a különböző antikodonokat, a különböző transzfer RNS-ek szerint, amelyek ugyanahhoz az aminosavhoz képesek kötődni. Így a DNS-ben lévő génen belül egy adott nukleáris bázis szekvencia átalakítható a sejt citoplazmájában fehérjét alkotó aminosavak pontos szekvenciájává.
Több kodon van, mint amennyi aminosavat kódolni kell. A genetikai kód tehát degeneráltnak mondható. A proteinogén aminosavakon kívül a transzláció végét is kódolja, három specifikus STOP kodon nevű kodont használva : TAA, TGA és TAG a DNS-en.
A DNS összes biológiai funkciója függ a fehérjékkel való kölcsönhatásoktól . Ezek a nem specifikus interakcióktól a fehérjékkel való kölcsönhatásokig terjedhetnek, amelyek specifikusan kötődnek egy adott DNS- szekvenciához . Az enzimek szintén kötődhetnek a DNS-hez, és ezek közül különösen fontos szerepet játszanak a DNS-replikációt biztosító polimerázok és annak RNS- be történő transzkripciója .
A DNS-hez kötődő strukturális fehérjék jól ismert példákat nyújtanak a fehérjék és a DNS közötti nem specifikus kölcsönhatásokra. Ez belül tartjuk kromoszómák által komplexképzésre szerkezeti fehérjék, amelyek kondenzálódnak DNS egy kompakt szerkezet az úgynevezett kromatin . Az eukarióták , ez a szerkezet a kicsi alap fehérjék úgynevezett hiszton , miközben magában foglalja számos fehérje különféle in prokarióták . A hisztonok egy korong alakú komplexet alkotnak a DNS-nek nevezett nukleoszómának, amely egy kétszálú DNS-molekula két teljes körét tartalmazza a fehérje köré tekerve. Ezek a nem-specifikus kölcsönhatás áll fenn a bázikus maradékok a hisztonok és a sav gerincét alkotja váltakozó OSE - foszfát hordozó nukleinsav bázisok a DNS kettős spirál. Ily módon olyan ionos kötések jönnek létre, amelyek függetlenek a DNS-bázis szekvenciától . Ezek az bázikus aminosavmaradékok kémiai változásokon mennek keresztül, például metilezésen , foszforilezésen és acetilezésen . Ezek a kémiai módosítások módosítják a DNS és a hisztonok közötti kölcsönhatások intenzitását, így a DNS többé-kevésbé hozzáférhetővé válik a transzkripciós faktorok számára, és ezáltal modulálja a transzkripciós aktivitást . A DNS-hez nem specifikusan kötődő egyéb fehérjék közé tartozik a nagy elektroforetikus mobilitású csoport , a HMG néven ismert nukleáris fehérje , amely a hajlított vagy csavart DNS-hez kötődik. Ezek a fehérjék fontosak a nukleoszómahálózatok hajlításához és a kromoszómákat alkotó nagyobb struktúrákba rendezésükhöz.
A DNS-sel nem specifikus kölcsönhatásban lévő fehérjék közül azok, amelyek specifikusan kötődnek az egyszálú DNS-hez , speciális csoportot alkotnak. A emberekben , protein A a legjobban ismert képviselője. Akkor fordul elő, amikor a kettős spirál két szála elválik egymástól, különösen a DNS-replikáció , a rekombináció és a helyreállítás során . Úgy tűnik, hogy ezek a fehérjék stabilizálják az egyszálú DNS-t, és megakadályozzák, hogy őshurok - hajtű struktúrák - képződjenek, vagy nukleázok által lebomlanak .
DNS-szekvenciára specifikus fehérjékEzzel szemben más fehérjék csak specifikus DNS- szekvenciákhoz kötődnek . A proteinek közül a leginkább tanulmányozott a különböző transzkripciós faktorok , amelyek a fehérjék, amelyek szabályozzák a transzkripció . Mindegyik transzkripciós faktor csak egy adott DNS-szekvencia-készlethez kötődik, és aktiválja vagy gátolja azokat a géneket, amelyeknek egyik ilyen szekvenciája közel van a promóterhez . A transzkripciós tényezők ezt kétféleképpen valósítják meg. Először közvetlenül vagy más mediátor fehérjék révén kötődhetnek a transzkripcióért felelős RNS polimerázhoz ; ez a polimerázt a promóter szintjén helyezi el, és lehetővé teszi a transzkripció megkezdését. Kötődhetnek olyan enzimekhez is , amelyek promóter szinten módosítják a hisztonokat, amelynek hatása megváltoztatja a DNS hozzáférhetőségét a polimerázhoz.
Mivel ezek a DNS-célpontok eloszthatók egy szervezet genomjában , az egyik típusú transzkripciós faktor aktivitásának változása több ezer gént érinthet. Ezért ezek a fehérjék gyakran a jelátviteli folyamatok célpontjai, amelyek szabályozzák a környezeti változásokra, a sejtek fejlődésére vagy a differenciálódásra adott reakciókat . Ezeknek a transzkripciós faktoroknak a DNS-sel való kölcsönhatásának sajátossága abból a tényből fakad, hogy ezek a fehérjék számos kapcsolatot létesítenek a nukleáris bázisok széleivel , ami lehetővé teszi számukra a DNS-szekvencia "olvasását". Ezen kölcsönhatások többsége a DNS kettős spirál fő hornyában történik, ahol a bázisok a leginkább hozzáférhetők.
A nukleázok olyan enzimek , amelyek hasítják a szálak a DNS katalizálja a hidrolízist a foszfodiészter kötések . Nukleázok bontó nukleotid végén található DNS-szálak nevezzük exonukleázok , míg azok, amelyek hasítják nukleotidot belsejében található DNS-szálakat nevezzük endonukleázokkal . A molekuláris biológiában a leggyakrabban alkalmazott nukleázok a restrikciós enzimek , amelyek specifikus szekvenciákon hasítják a DNS-t . Így az EcoRV enzim felismeri az 5'-GATATC-3 ' hat bázis szekvenciáját, és középen hasítja. In vivo ezek az enzimek megvédik a baktériumokat a fágok által okozott fertőzéstől azáltal, hogy emésztik ezeknek a vírusoknak a DNS-ét, amikor az a baktérium sejtjébe kerül . A molekulatechnikában molekuláris klónozási technikákban és a genetikai ujjlenyomat meghatározására használják őket .
DNS-ligázokEzzel szemben a DNS-ligázoknak nevezett enzimek visszahelyezhetik a törött vagy hasított DNS-szálakat. Ezek az enzimek különösen fontosak a DNS-replikáció során, mert ezek azok, amelyek a lemaradó szálon, más néven indirekt szálon keletkezett Okazaki-fragmenseket varrják a replikációs villa szintjén. Részt vesznek a DNS-helyreállításban és a genetikai rekombinációs mechanizmusokban is .
A topoizomerázok vannak enzimek , amelyek mind egy tevékenység nukleáz és tevékenység ligáz . A DNS-giráz példa ilyen enzimekre. Ezek a fehérjék megváltoztatják a DNS szupertekercselésének sebességét egy kettős spirál megszakításával, hogy a két képződött szegmens egymáshoz képest foroghasson a szupertekercsek felszabadításával, mielőtt újra összevarrják őket. Más típusú topoizomerázok képesek kettős spirál levágására, hogy egy újabb kettős spirál szegmens áthaladjon az így kialakult résen, mielőtt az utóbbit lezárná. A topoizomerázok elengedhetetlenek a DNS-t érintő számos folyamatban, például a DNS transzkripciójában és replikációjában .
HelicasesA helikázok a fajta molekuláris motorok . A nukleozid- trifoszfát , lényegében az ATP kémiai energiáját használják fel a bázispárok közötti hidrogénkötések megszakítására és a DNS kettős spiráljának letekerésére mindkét szál felszabadításához . Ezek az enzimek elengedhetetlenek a legtöbb folyamathoz, amelyekhez enzimekre van szükség a DNS bázisainak eléréséhez .
DNS-polimerázokA DNS-polimerázok olyan enzimek , hogy szintetizálni láncok polinukleotidok a nukleozid trifoszfátok . Az általuk szintetizált láncok sorrendjét a mátrixnak nevezett, már létező polinukleotidlánc szekvenciája határozza meg . Ezek az enzimek úgy működnek, hogy folyamatosan nukleotidokat adnak a növekvő polipeptidlánc 3'-végének hidroxiljához . Emiatt az összes polimeráz az 5'-3 ' irányban működik . Nukleozid-trifoszfát, amelynek bázis komplementer, hogy a sablon párok , hogy azt a aktív helyén ezen enzimek, amely lehetővé teszi a polimerázok előállításához DNS- szálak , amelynek szekvenciáját pontosan komplementer, hogy a sablon szál.. A polimerázokat az általuk használt szálak típusa szerint osztályozzák.
A replikáció során a DNS-függő DNS-polimerázok másolatot készítenek a DNS-szálakról. A genetikai információk megőrzése érdekében elengedhetetlen, hogy az egyes kópiák bázisszekvenciája pontosan kiegészítse a sablon szál bázisszekvenciáját. Ehhez sok DNS-polimeráz képes korrigálni esetleges replikációs hibáikat - korrektúra funkció . Ezért képesek azonosítani a bázispár kialakulásának hibáját a templátszál és az imént beillesztett bázisban lévő növekvő szál között, és ezt a nukleotidot lehasítják 3 '→ 5'-exonukleáz aktivitás alkalmazásával a replikáció megszüntetése érdekében hiba. A legtöbb organizmusban a DNS-polimerázok nagy komplexekben működnek, úgynevezett repiszómákban , amelyek számos komplementer alegységet tartalmaznak , például bilincseket - DNS csipeszt - és helikázokat .
Az RNS-függő DNS-polimerázok egy olyan speciális polimerázok osztálya, amelyek képesek egy RNS- szekvenciát DNS-be másolni . Ezek közé tartozik a reverz transzkriptáz , amely egy virális enzim részt vesz a fertőzés gazdasejtek sejtek által retrovírusok , és telomeráz , számára alapvető enzim telomer replikáció . A telomeráz szokatlan polimeráz, mivel szerkezetében saját RNS-templátot tartalmaz.
RNS polimerázokAz átírást egy RNS-polimeráz DNS-függő végzi, amely DNS-szekvenciát másol RNS-be . A gén transzkripciójának megkezdéséhez az RNS-polimeráz először megköti a promóter nevű DNS-szekvenciát, és elválasztja a DNS szálait. Ezután a gént alkotó DNS-szekvenciát egy komplementer RNS-szekvenciába másolja, amíg el nem éri a terminátornak nevezett DNS-régiót , ahol megáll és leválik a DNS-ről. DNS-polimeráz-függő DNS- ként az RNS-polimeráz II - enzim, amely az emberi genom legtöbb génjét átírja - egy nagy, több komplementer és szabályozó alegységet tartalmazó fehérjekomplexumban működik .
Minden sejtosztódást megelőz a DNS-replikáció, amely kromoszóma- replikációhoz vezet . Ez a folyamat általában megőrzi a sejt genetikai információit , mind a két leánysejt örökli az anyasejtével megegyező teljes genetikai felépítést. Azonban néha ez a folyamat nem normálisan megy végbe, és a sejt genetikai információja megváltozik. Ebben a genetikai mutáció esetén beszélünk . A genotípus ezen változása nem lehet következményes, vagy éppen ellenkezőleg, megváltoztathatja a megváltozott gének expressziójából eredő fenotípust is .
A DNS kettős spirál általában nem lép kölcsönhatásba a DNS más szegmenseivel, és az emberi sejtekben a különböző kromoszómák még mindegyikük egy saját régiót foglal el a kromoszóma területnek nevezett magban . A különböző kromoszómáknak ez a fizikai szétválasztása elengedhetetlen a DNS mint stabil és tartós genetikai információ- tároló működéséhez, mivel azon ritka esetek egyike, amikor a kromoszómák kölcsönhatásba lépnek a genetikai rekombinációért felelős keresztezés során , vagyis amikor két DNS kettős hélix van törött, cserélje le szakaszaikat és hegesszen össze.
A rekombináció lehetővé teszi, kromoszómák, hogy a génállomány és új kombinációi gének , ami növeli a hatékonyságot a természetes szelekció , és lehet műszeres a gyors fejlődése új fehérjék . A genetikai rekombináció a DNS helyreállítása során is bekövetkezhet , különösen a DNS kettős spirál mindkét szálának egyidejű törése esetén.
A kromoszomális rekombináció leggyakoribb formája a homológ rekombináció , amelyben a két kölcsönhatásban lévő kromoszóma nagyon hasonló szekvenciákat oszt meg . A nem homológ rekombinációk súlyosan károsíthatják a sejteket, mivel transzlokációhoz és genetikai rendellenességekhez vezethetnek . A rekombinációs reakcióban katalizálja a enzimek úgynevezett rekombinázok , mint például a Rad51 fehérjét . Ennek a folyamatnak az első lépése a kettős hélix mindkét szálának endonukleáz vagy DNS károsodás által okozott törése . A rekombináz által katalizált lépések sorozata azt eredményezi, hogy a két hélix összekapcsolódik legalább egy Holliday-csatlakozással , amelyben az egyes kettős spirálok egyszálú szegmensei a másik kettős spirál komplementer szálához vannak hegesztve. A Holliday-csomópont keresztezett kereszteződés, amely, amikor a szálak szimmetrikus szekvenciákkal rendelkeznek, a kromoszóma-pár mentén mozoghatnak, egyik szálat a másikra cserélve. A rekombinációs reakciót a csomópont hasításával és a felszabadult DNS varrásával állítják meg .
A DNS által kódolt genetikai információ nem feltétlenül időben rögzített, és bizonyos szekvenciák valószínűleg a genom egyik részéből a másikba mozognak . Ezek a mobil genetikai elemek . Ezek az elemek mutagének és megváltoztathatják a sejtek genomját . Közülük megtalálhatók különösen transzpozonok és retrotranszpozonok , utóbbiak az előbbiektől eltérően egy köztes RNS- n keresztül hatnak, amely egy DNS-szekvenciát ad vissza a reverz transzkriptáz hatására . Mozognak a genomon belül hatása alatt transzpozázok , különösen enzimek , amelyek leválnak őket egy helyen, és tegye vissza őket, hogy egy másik helyre a sejt genomjába, és úgy gondolják, hogy felelősek a migráció nem kevesebb, mint 40% a humán genom , hogy a Homo sapiens evolúciója során .
Ezek az átültethető elemek az élőlények genomjának fontos részét képezik, különösen azokban a növényekben, ahol gyakran a nukleáris DNS nagy részét képviselik , például kukoricában, ahol a genom 49–78% -a retrotranszpononokból áll. A búzában a genom közel 90% -a ismétlődő szekvenciákból és 68% transzponálható elemekből áll. Az emlősökben a genom csaknem fele - 45-48% - transzponálható elemekből vagy azok remanenseiből áll, és az emberi genom mintegy 42% -a retrotranszpozonokból áll, míg 2-3% -a DNS transzpozonokból áll. Ezért fontos elemek a szervezetek genomjának működésében és evolúciójában.
Az úgynevezett I. és II. Csoport intronok további mobil genetikai elemek. Ezek ribozimok , azaz RNS-szekvenciák felruházott katalitikus tulajdonságokkal , mint az enzimek , amelyek képesek autokatalízis saját splicing . Azok a csoportban I kell -guanin nukleotidok a funkciót, eltérően a csoport a II . Az I. csoportba tartozó intronok például szórványosan megtalálhatók a baktériumokban , jelentősebben az egyszerű eukariótákban és nagyon sok magasabb rendű növényben . Végül a Gram-pozitív baktériumok nagyszámú bakteriofágjának génjeiben találhatók meg , de a Gram-negatív baktériumok közül csak néhány fágban - pl . A T4 fágban .
Egy sejt genetikai információja a plazmamembránon keresztül felszívódó exogén genetikai anyag beépülésének hatására alakulhat ki . Vízszintes géntranszferről beszélünk , szemben az élőlények szaporodásából származó vertikális transzferrel . Fontos evolúciós tényező sok organizmusban, különösen az egysejtűekben . Ez a folyamat gyakran bakteriofágokat vagy plazmidokat foglal magában .
A joghatóságra képes baktériumok valószínűleg közvetlenül felszívják a külső DNS-molekulákat, és beépítik a saját genomjukba , a genetikai átalakulásnak nevezett folyamatba . Ezt a DNS-t plazmidként is megszerezhetik egy másik baktériumtól a baktériumok konjugálásának folyamatával . Végül átvehetik ezt a DNS-t bakteriofágon ( víruson ) keresztül transzdukció útján . Az eukarióták exogén genetikai anyagot is kaphatnak egy transzfekciónak nevezett folyamat révén .
A DNS minden genetikai információt tartalmaz, amely lehetővé teszi az élőlények életét, növekedését és szaporodását. Azt azonban nem tudni, hogy a Föld életének 4 milliárd éve alatt a DNS mindig is játszotta-e ezt a szerepet. Az egyik elmélet azt sugallja, hogy egy másik nukleinsav , az RNS volt a hordozója a bolygónkon megjelenő első életformák genetikai információinak. Az RNS központi szerepet játszott volna a sejtanyagcsere korai formájában, amennyiben valószínűleg mind genetikai információt közvetít, mind katalizálja a ribozimokat képző kémiai reakciókat . Ez az RNS-világ , amelyben az RNS az öröklődés támogatásaként és enzimként is szolgált volna , négy nukleáris bázissal befolyásolta volna a genetikai kód fejlődését , amely kompromisszumot kínál a genetikai információk kódolásának pontossága között, amelyet az egyrészt kis számú bázis, másrészt nagyobb számú monomer által kedvelt enzimek katalitikus hatékonysága .
Nincs azonban közvetlen bizonyíték a metabolikus és genetikai rendszerek múltbeli létezésére a ma ismert rendszerektől eltérően, mivel továbbra is lehetetlen kinyerni a genetikai anyagot a legtöbb kövületből . A DNS nem marad fenn több mint egymillió évig, mielőtt rövid részekre bomlik. A létezése intakt legrégebbi DNS már javasolt, különösen egy baktérium életképes kinyert kristály a só régi 150 millió évvel, de ezek a publikációk továbbra is vitatott.
A DNS egyes komponensei - adenin , guanin és rokon szerves vegyületek - kialakulhatnak az űrben . A laboratóriumban olyan DNS és RNS alkotóelemeket is kaptak , mint az uracil , citozin és timin, olyan körülmények között , amelyek a meteoritokban található egyszerűbb vegyületekből, például a pirimidinből reprodukálják a bolygóközi és csillagközi környezetben tapasztaltakat . Pyrimidine, mint valami policiklusos aromás szénhidrogének (PAH-k) - a leggazdagabb szén vegyületek kimutatható az univerzumban - képezheti a vörös óriás csillagok vagy csillagközi felhők .
Módszereket fejlesztettek ki a DNS élőlényektől történő megtisztítására, például a fenol-kloroform extrakcióra , és a laboratóriumban történő manipulálására, mint például a restrikciós enzimek és a PCR . A modern biológia és biokémia ezeket a technikákat széles körben alkalmazza a molekuláris klónozásban (in) . A rekombináns DNS egy olyan szekvenciáját szintetikus DNS összeállítható olyan más DNS-szekvenciák. Az ilyen DNS képes átalakítani az organizmusokat plazmidok formájában vagy egy vírusvektor segítségével . Az így kapott genetikailag módosított organizmusok (GMO-k) felhasználhatók például rekombináns fehérjék előállítására, amelyeket orvosi kutatásban vagy a mezőgazdaságban használnak fel .
Kivont DNS vérből , ondó , nyál , egy töredéke a bőr vagy a haj hozott egy bűncselekmény helyszínén lehet használni a kriminalisztika , hogy meghatározzuk egy gyanúsított DNS ujjlenyomat . Ebből a célból, a szekvenciát a DNS-szegmensek, például mikroszatellit szekvenciákat vagy miniszatellit összehasonlítjuk, hogy az egyének választott alkalomra, vagy a már felsorolt adatbázisokban. Ez a módszer általában nagyon megbízható a gyanús személy DNS-ének azonosításához. Az azonosítás azonban bonyolultabbá válhat, ha a bűncselekmény helyszínét egynél több személy DNS-je szennyezi. A DNS-azonosítást 1984-ben Sir Alec Jeffreys brit genetikus fejlesztette ki, és 1987-ben használták először arra, hogy egy nemi erőszakot sorozatgyilkosnak tévedjenek .
Amennyiben a DNS idővel felhalmozza az öröklődés által közvetített mutációkat , olyan történelmi információkat tartalmaz, amelyek a genetikusok által elemezve különböző történelmű organizmusok szekvenciáinak összehasonlításával lehetővé teszik ezen organizmusok evolúciójának, vagyis ezeknek az evolúciójának a nyomon követését. filogenezis . Ez a tudományág, amely a genetikát a paleobiológia szolgálatába állítja , hatékony vizsgálati eszközt kínál az evolúciós biológiában . Ha összehasonlítjuk a DNS-szekvenciákat ugyanazon faj , populáció genetika is lehet tanulmányozni a történelem bizonyos populációk élőlény, egy olyan területen, kezdve az ökológiai genetika antropológia . Így a mitokondriális DNS emberi populációkon belüli tanulmányozását használják fel a Homo sapiens vándorlásának nyomon követésére . Az X haplocsoportot például paleodemográfiával tanulmányozták, hogy értékeljék a paleo-indiánok lehetséges rokonságát a felső paleolitikum európai populációival .
( fr ) Az élet három területét hangsúlyozó filogenetikai fa : az eukarióták vörös színnel, az archeák zöld színnel és a baktériumok kék színnel jelennek meg.
Az emberi migráció térképe az emberi mitokondriális genom filogenetikai vizsgálata alapján .
A bioinformatika magában foglalja a DNS- szekvenciákat is tartalmazó biológiai adatok manipulálását, kutatását és feltárását . A DNS-szekvenciák tárolására és keresésére szolgáló technikák fejlesztése másutt széles körben alkalmazott számítógépes fejlődéshez vezetett , különös tekintettel a keresési algoritmusok alrendszerére , a gépi tanulásra és az adatbáziselméletre . Azokat a karakterlánc- keresési algoritmusokat fejlesztettük ki , amelyek lehetővé teszik a hosszabb betűk sorozatában szereplő betűsorok megtalálását a nukleotidok meghatározott szekvenciáinak keresésére . A DNS-szekvencia összehangolható más DNS-szekvenciákkal a homológ szekvenciák azonosítása és az őket megkülönböztető specifikus mutációk felkutatása céljából. Ezeket a technikákat, beleértve a több szekvencia összehangolását, a fehérjék filogenetikai összefüggéseinek és funkcióinak tanulmányozására használják .
A genom teljes szekvenciáját reprezentáló adatok tárházai, például a Human Genome Project által létrehozott adatok olyan méretet érnek el, hogy azokat nehéz használni annotációk nélkül, amelyek azonosítják a gének és szabályozó elemek elhelyezkedését az egyes kromoszómákon . A funkcionális fehérjéket vagy RNS-eket kódoló génekhez kapcsolódó jellegzetes motívumokkal rendelkező DNS-szekvenciák régiói génpredikciós algoritmusokkal azonosíthatók , amelyek lehetővé teszik a kutatók számára, hogy előre jelezzék bizonyos géntermékek jelenlétét és lehetséges működését a testben. kísérletileg izolálják. Összehasonlíthatók a teljes genomok is, amelyek kiemelhetik az egyes organizmusok evolúciós történetét, és lehetővé tehetik az összetett evolúciós események tanulmányozását.
A DNS nanotechnológia a molekuláris felismerés (en) DNS és általában a nukleinsavak egyedülálló tulajdonságait használja fel elágazó elágazású DNS-komplexek létrehozására, amelyek önmagukban állnak össze , érdekes tulajdonságokkal felruházva. Ebből a szempontból a DNS-t strukturális anyagként használják, nem pedig a biológiai információk hordozójaként. Ez kétdimenziós periodikus tömbök létrehozásához vezetett, függetlenül attól, hogy téglákba vannak-e szerelve, vagy DNS-origami eljárással , vagy háromdimenziósak, amelyek sokszög alakúak . DNS- nanogépeket és algoritmikus önszerelést tartalmazó konstrukciókat is gyártottak . Az ilyen DNS-struktúrák felhasználhatók más molekulák , például arany nanorészecskék és sztreptavidin molekulák elrendezésének megszervezésére , amely fehérje nagyon rezisztens komplexeket képez a biotinnal . A DNS-en alapuló molekuláris elektronikai kutatások arra késztették a Microsoft céget, hogy kifejlesszen egy DNS- alapú molekuláris nanoelektronikai komponensek egyes megvalósítási módjaiban használt DNS-szál elmozdulás (DSD) nevű programozási nyelvet .
Mivel az élőlények a DNS-t használják genetikai információik tárolására , bizonyos kutatócsoportok azt is tanulmányozzák, mint a digitális információk tárolására szánt közeget, ugyanúgy, mint a számítógépes memóriát . A nukleinsavak valóban azt az előnyt jelentenék, ha az információsűrűséget lényegesen nagyobb mértékben tárolják, mint a hagyományos médiumokat - elméletileg több mint tíz nagyságrendet -, és az élettartama is jóval magasabb.
Ez elméletileg lehetséges, hogy kódolják a két bit a adatok per nukleotid , amely lehetővé teszi tárolási kapacitás elérése 455 millió terabájt per gramm DNS egyszálú maradnak olvasható évezredek még a nem-ideális tárolási feltételeket, és a kódoló a technikával maximálisan 215.000 terabájt grammonként DNS 2017-ben javasolták; Összehasonlításképpen : a kétoldalas kétrétegű DVD csupán 17 gigabájtot tartalmaz 16 g- os tipikus tömegnél - ez 400 milliárdszor kisebb tárolókapacitást jelent tömegegységre számítva. Az Európai Bioinformatikai Intézet egy csapatának így 2012-ben sikerült 757 051 bájtot kódolnia a 17 940 195 nukleotidból , ami kb. 2200 terabájt / gramm DNS tárolási sűrűségnek felel meg . A svájci csapat a maga részéről 2015 februárjában publikált egy tanulmányt, amely a szilícium-dioxidba beágyazott DNS robosztusságát mutatja, mint tartós információs közeget.
Ezenkívül más csapatok azon dolgoznak, hogy információt közvetlenül az élő sejtekben tárolhassanak , például azért, hogy számlálókat kódoljanak a sejt DNS-ére, hogy meghatározzák az osztódások vagy differenciálódások számát , amelyek felhasználhatók lehetnek a rák és az öregedés kutatásában .
DNS-t először izoláljuk 1869 svájci biológus Friedrich Miescher mint egy foszfor- gazdag anyagot a gennyet használt sebészeti kötszerek. Mivel ezt az anyagot a sejtek magjában találták meg , Miescher nukleinnak nevezte . 1878-ban a német biokémikus, Albrecht Kossel izolálta ennek a "nukleinnak" a nem fehérje komponensét - a nukleinsavakat -, majd azonosította az öt nukleáris bázist . 1919-ben, az amerikai biológus Phoebus Levene azonosított összetevői nukleotidok , azaz a jelenléte egy bázis , egy operációs rendszer környezet és egy foszfát- csoport . Azt javasolta, hogy a DNS nukleotidláncból álljon, amelyeket foszfátcsoportjaik összekapcsolnak. Úgy gondolta, hogy a láncok rövidek, és hogy a bázisok többször, fix sorrendben követték egymást. 1937-ben William Astbury brit fizikus és molekuláris biológus röntgenkristályográfiával készítette el a DNS első diffrakciós mintázatát , amely megmutatta, hogy a DNS rendezett szerkezetű.
A 1927 , orosz biológus Nikolai Koltsov intuited hogy az öröklődés támaszkodott „óriás örökletes molekula” alkotja „két tükör szál egymással, ami reprodukálni egy félig konzervatív módon használja az egyes területek, mint a modell.” Úgy vélte azonban, hogy ezek olyan fehérjék, amelyek genetikai információt hordoznak. A 1928 , az angol bakteriológus Frederick Griffith elvégzett egy híres kísérlet, amely most a nevét viseli , és amelyben azt bizonyította, hogy az élő, nem virulens baktériumok érintkezésbe hozzuk virulens baktérium ölte meg hőt lehet átalakítani virulens baktérium. Ez a kísérlet megnyitotta az utat a DNS mint genetikai információ vektorának azonosítására 1944-ben Avery, MacLeod és McCarty kísérlete révén . Jean Brachet belga biokémikus 1946-ban bebizonyította, hogy a DNS a kromoszómák alkotóeleme , és a DNS öröklődésben betöltött szerepét 1952- ben Hershey és Chase kísérletei megerősítették, amelyek kimutatták, hogy a T2 fág genetikai anyaga DNS-ből áll.
Az első antiparallel kettős spirál szerkezetét máig az a megfelelő modell DNS-t 1953-ban megjelent az amerikai biokémikus James Watson és a brit biológus Francis Crick a egy ma már klasszikusnak cikket a lapban Nature . Ők dolgoznak a témában, mivel 1951 a Cavendish Laboratory of Cambridge University és tartják fenn magánlevelezés az osztrák biokémikus Erwin előzővel , amelyet eredetileg a szabályok előzővel , megjelent a tavaszi 1952, amely szerint, a DNS-molekulában található , a szint az egyes purin bázisok lényegében egyenlő a szint a két pirimidin bázisok , pontosabban a szint guanin megegyezik a a citozin , valamint, hogy a szint adenin megegyezik a a timin , ami arra utalt, az adenin és a timin, valamint a guanin és a citozin összekapcsolásának gondolata .
A 1952. május brit diák Raymond Gosling , aki munka mellett Rosalind Franklin a John Randall csapata vett egy röntgendiffrakciós kép ( Plate 51 ) egy erősen hidratált DNS kristály. Ezt a pillanatfelvételt Franklin tudta nélkül megosztották Crickkel és Watsonnal, és fontos szerepet játszott a DNS helyes struktúrájának megállapításában. Franklin azt is jelezte a két kutatónak, hogy a szerkezet foszforvázának ezen kívül kell lennie, és nem a központi tengely közelében, mint az egyik gondolat. Ő volt továbbá azonosította a helyet klaszter DNS kristályok, amelyek lehetővé Crick, hogy meghatározza, hogy a két DNS-szál volt ellentétes irányú. Míg Linus Pauling és Robert Corey közzé molekuláris modellje egy nukleinsav kialakítva három láncot összefonódik, összhangban az ötleteket az idő, a foszfát- csoportok közel a középső tengelyt és a nukleinsav bázisok kifelé, Crick és Watson véglegesített februárjában 1953-ban kétláncú antiparallell modelljüket a külső foszfátcsoportokkal és a kettős spirál belsejében található nukleáris bázisokkal dolgozták. Ezt a modellt tekintik az első helyes DNS-szerkezetnek, amelyet valaha is javasoltak.
Ez a munka a Nature folyóirat 1953. április 25-i számában jelent meg öt cikkben, amelyek leírják a Crick és Watson által véglegesített struktúrát, valamint az ezt alátámasztó bizonyítékokat. Az első cikkben, a Nukleinsavak molekuláris szerkezete: A struktúra a dezoxiribóz nukleinsavra , Crick és Watson kijelenti: "Nem kerülte el figyelmünket, hogy az általunk feltett specifikus párosítás azonnal javaslatot tesz az anyag replikációjának lehetséges mechanizmusára. Genetika ”. Ezt a cikket a brit Maurice Wilkins et al. a röntgendiffrakció vizsgálata B-DNS-sel in vivo , amely alátámasztotta a kettős hélix szerkezet létezését az élő sejtekben és nem csak in vitro , valamint Franklin és Goslin munkájának első publikációja a röntgendiffrakcióval nyert adatokról és saját elemzési módszerüket.
Rosalind Franklin 1958-ban halt meg rákban, ezért nem kapja meg az 1962-ben odaítélt fiziológiai vagy orvosi Nobel-díjat , "a nukleinsavak molekuláris szerkezetével kapcsolatos felfedezéseikért és az élő anyag genetikai információinak továbbadásában betöltött jelentőségükért". Francis Crick, James Watson és Maurice Wilkins, akiknek egy szavuk sem volt Franklin munkájának elismerése; továbbra is vitatott az a tény, hogy nem kapcsolódott ehhez a Nobel-díjhoz.
A 1957 , Crick publikált egy alakítására, amit ma ismert, mint a alapvető elmélete molekuláris biológia leírja a kapcsolatot a DNS, RNS, és fehérje , köré a "»adapter«. A visszaigazolást a mód félig konzervatív replikáció a kettős spirál jött 1958 a kísérlet Meselson és Stahl . Crick és mtsai. folytatták munkájukat, és megmutatták, hogy a genetikai kód az egymást követő kodon nevű nukleáris bázisok hármasain alapszik , amelyek lehetővé tették a genetikai kód megfejtését Robert W. Holley , Har Gobind Khorana és Marshall W. Nirenberg részéről . Ezek a felfedezések a molekuláris biológia születését jelentették .
A DNS spirális szerkezete számos művészt inspirált, a leghíresebb a szürrealista festő, Salvador Dalí , akit 1956 és 1976 között kilenc festmény inspirált , köztük a Paysage de papillon (A nagy maszturbátor egy szürrealista tájon, DNS-sel) (1957) -1958) és Galacidalacidesoxyribonukleicacid (1963).
„ 757 051 bájt információt nyertünk vissza 337 pg DNS-ből, így az információ tárolási sűrűsége 2,2 PB / g volt (= 757 051/337 × 10 −12 ) . Megjegyezzük, hogy ez az információ sűrűsége ahhoz, hogy tárolja az amerikai Nemzeti Archívum és Nyilvántartási Minisztérium Electronic Records Levéltár 2011 összesen ~ 100 TB in < 0,05 g DNS-t, az Internet Archive Wayback Machines féle 2 PB archív honlapok ~ 1 g az DNS és a CERN 80 PB CASTOR rendszere ~ 35 g DNS- ben lévő LHC-adatokhoz . "
„ 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. "
„Azt hiszem, a nyálmirigyek [ Drosophila ] kromoszómáinak nagyságát a genonémák szaporodása határozza meg. Ezzel a kifejezéssel jelölöm a kromoszóma axiális szálát, amelyben a genetikusok a gének lineáris kombinációját keresik; … A normál kromoszómában általában csak egy genonéma van; sejtosztódás előtt kiderül, hogy ez a genonéma két szálra oszlik. "
„A Butterfly Landscape (a nagy maszturbátor a szürrealista tájban, DNS-sel) megmutatja Dali felvételét. Noha ez volt az első, amelyet csak néhány évvel hoztak létre Watson és Crick bejelentése után a kettős spirálról, a DNS megjelenik Dali számos jövőbeli művében. A teremtés ügynökeként talán könnyen belátható, hogy miért pillangók erednek a festmény ikonikus szerkezetéből. De az is látszik, hogy Dali a DNS-t nemcsak a teremtés, hanem az Isten nagyobb eszméjének szimbolizálására használta, és ezért lehet, hogy a molekulaszerkezet egy része láthatóan kiugrik a felhőkből. "
„Salvador Dali munkájának inspirációs forrásaként idézi fel a tudományhoz, különösen a DNS-hez való viszonyát. Költői dimenziót ad a tudománynak és plasztikai célokra tereli. Lépteti és felhasználja fantáziái és a „paranoid-kritikus” módszer szolgálatában. "