Deoxyribonukleinsyre (DNA): Model, Kemisk Sammensætning og Transformationsforsøg
Læs denne artikel for at lære om model, kemisk sammensætning og transformationseksperimenter af DNA!
Deoxyribonukleinsyre (DNA):
DNA findes i cellerne af alle levende organismer undtagen i nogle plantevirus. I bakteriofager og vira er der en central kerne af DNA, som er indesluttet i et proteinovertræk. I bakterier og i mitokondrier og plastider af eukaryote celler er DNA cirkulært og ligger nøgent i cytoplasmaet.
I kernerne af eukaryote celler forekommer DNA i form af lange spiralformede og ikke-forgrenede tråde, kromosomerne. I kromosomerne findes DNA i kombination med proteiner, der danner nukleoproteiner, kromatinmaterialet. Flere linjer af indirekte beviser har længe antydet, at DNA indeholder den genetiske information af levende organismer.
De vigtigste resultater opnået under anvendelse af flere forskellige eksperimentelle procedurer viste, at størstedelen af DNA'et er placeret i kromosomer, hvorimod RNA og proteiner er mere rigelige i cytoplasmaet. Derudover eksisterer der en præcis korrelation mellem mængden af DNA pr. Celle og antallet af sæt af kromosomer pr. Celle.
De fleste somatiske celler af diploide organismer indeholder for eksempel nøjagtigt to gange mængden af DNA som haploide kønsceller eller gameter af samme art. Endelig er DNA-molekylets sammensætning i alle de forskellige celler i en organismer den samme (med sjældne undtagelser), mens sammensætningen af RNA og proteiner varierer både kvalitativt og kvantitativt fra en celletype til en anden. Selvom disse korrelationer stærkt antyder, at DNA er det genetiske materiale, er de på ingen måde det. Direkte bevis har fastslået, at den genetiske information er kodet i DNA'et.
Transformationseksperimenter:
Transformationseksperimenter blev oprindeligt udført af Frederick Griffith i 1928. Han injicerede en blanding af to stammer af pneumokokker (Diplococcus pneumoniae) i mus. En af disse to stammer, S III var virulent, og den anden stamme R II var ikke virulent. Varmdræbt virulent stamme SIII, når det blev injiceret individuelt, forårsagede ikke døden, hvilket viste, at infektivitet efter varmeaflivning er tabt.
Musene injiceret med en blanding af RII (levende) og S III (varme dræbt) døde, og virulente pneumokokker kunne isoleres fra disse mus. Opfattelsen var, at en del af de døde SIII-celler (transformationsprincippet) skal have konverteret levende RII-celler til S III.
OT Avery, CM MacLeod og M. McCarty i 1944 gentog Griffiths eksperimenter i et in vitro-system og producerede de første direkte beviser for, at det genetiske materiale er DNA snarere end protein eller RNA. De viste, at komponenten af cellen ansvarlig for fænomenet transformation i bakterien Diplococcus pneumoniae er DNA. Disse forsøg involverede anvendelsen af enzymer, der nedbryder DNA, RNA eller protein.
I separate forsøg blev højrenset DNA fra S III-celler behandlet med:
(1) Deoxyribonuclease (DNAase), som nedbryder DNA,
(2) Ribonuclease (RNAase), som nedbryder RNA eller
(3) Proteaser (som nedbryder proteiner) og derefter testes for dets evne til at transformere RII-celler til SIII. Kun DNAase havde ingen effekt på DNA-præparatets transformerende aktiviteter, det eliminerede fuldstændig al transformerende aktivitet. Disse eksperimenter indikerede således, at DNA og ikke proteinerne eller RNA'et er det genetiske materiale.
Yderligere direkte beviser, der tyder på, at DNA er det genetiske materiale, blev demonstreret af AD Hershey og MJ Chase i bakteriofag T2.
Kemisk sammensætning af DNA:
Kemiske analyser har vist, at DNA er sammensat af tre forskellige typer af molekyler.
1. Phosphorsyre (H3P04) har tre reaktive (-OH) grupper, hvoraf to er involveret i dannelse af sukkerphosphat-rygrad i DNA.
2. Pentosukker:
DNA indeholder 2'-deoxy-D-ribose (eller simpelthen deoxyribose), hvilket er årsagen til navnet deoxyribosekernsyre.
3. Organiske baser:
De organiske baser er heterocykliske forbindelser indeholdende nitrogen i deres ringe; derfor kaldes de også nitrogenholdige baser. DNA indeholder sædvanligvis fire forskellige baser kaldet adenirie (A), guanin (G), thymin (T) og cytosin (C).
Disse fire baser er grupperet i to klasser på grundlag af deres kemiske struktur:
(1) pyrimidin (T og C) og
(2) purin (A, G).
I DNA findes fire forskellige nukleosider. Disse er:
(i) deoxycytidin
(ii) deoxythymidin,
(iii) deoxyadenosin og
(iv) deoxyguanosin.
Tilsvarende er fire nukleotider i DNA:
(i) deoxycytidylsyre eller deoxycytidylat,
(ii) deoxythymidylsyre eller deoxythymidylat,
(iii) deoxyadenylsyre eller deoxyadenylat og
(iv) deoxyguanylsyre eller deoxyguanylat.
Da sammensætningen af DNA fra mange forskellige organismer blev analyseret af E. Chargaff og kollegaer (1950), blev det observeret, at (i) uanset kilden forekommer purin- og pyrimidinkomponenterne i lige store mængder i et molekyle, (ii) mængden af adenin (A) er ækvivalent med mængden af thymin (T) og af cytosin (C) er ækvivalent med guanin (G) og (iii) basisforholdet A + T / G + C er konstant for en bestemt arter.
Watson og Crick Double Helix Model af DNA:
Strukturen af DNA blev først udledt af JD Watson og FH Crick i 1953. På grundlag af Chargaffs data foreslog Wilkins og Franklins røntgendiffraktionsfund og afledninger fra deres egne modelbygninger, at Watson og Crick foreslog, at DNA eksisterer som en dobbelt helix i hvilken de to polynukleotidkæder er viklet om hinanden i en spiral.
Hver polynukleotidkæde består af en sekvens af nucleotider, der er bundet sammen af phosphodiesterbindinger, der danner tilstødende deoxyribosedel. De to polynukleotidstrenger holdes sammen i deres spiralformede konfiguration ved hydrogenbinding mellem baser i modstående tråde, hvor de resulterende basepar stables mellem de to kæder vinkelret på molekylets akse som trinnene i en spiralstige.
Baseparingen er specifik, adenin er altid parret med thymin, og guanin er altid parret med cytosin. Således består alle basepar af en purin og en pyrimidin. Specificiteten af basisparring resulterer fra basernes hydrogenbindingskapacitet i deres normale konfigurationer.
I deres mest almindelige strukturelle konfigurationer danner adenin og thymin to hydrogenbindinger og guanin og cytosin tre hydrogenbindinger. Analog hydrogenbinding mellem cytosin og aden er for eksempel ikke generelt muligt.
Når først sekvensen af baser i en streng af en DNA-dobbelthelix er kendt, er sekvensen af baser i den anden streng også automatisk kendt på grund af den specifikke baseparring. De to tråde af en dobbelt helix siges således at være komplementære (ikke identiske); Det er denne egenskab, komplementaritet mellem de to tråde, der gør DNA unikt egnet til at gemme og transmittere genetisk information.
Baseparerne i DNA stables 3, 4A ° fra hinanden med 10 basepar per drejning (360 °) af dobbelthelixen. Sukkerfosfat-rygradene af de to komplementære tråde er antiparallelle; det er de har modsatte kemiske polaritet.
Da man bevæger sig ensrettet langs en DNA-dobbelthelix, går phosphodiesterbindingerne i en streng fra et 3'-carbon af et nukleotid til en 5'-carbon i det tilstødende nukleotid, medens de i den komplementære streng går fra en 5'-carbon til 3'-carbon .
A-, B- og Z-form for DNA:
Langt størstedelen af de DNA molekyler, der er til stede i de vandige protoplasmer af levende celler eksisterer næsten helt sikkert i Watson-Crick-dobbelthelixformen beskrevet ovenfor. Dette kaldes B-form af DNA og viser højrehåndet coiling. Den indeholder 10, 4 basepar per tur (i stedet for de 10 ovennævnte). Dehydreret DNA forekommer i A-formen, som også er en højrehåndet helix, men den har 11 basepar per omgang.
Visse DNA-sekvenser forekommer i Z-form, hvilket viser venstrehånds coiling, indeholder 12 basepar per tur. I Z-DNA følger sukkerphosphat-rygraden en zig-zagged sti, der giver navnet Z-DNA eller Z-form.
Specifikke segmenter af et DNA-molekyle kan gennemgå konformationsændringer fra B-form til Z-form og vice versa; Disse ændringer kan skyldes visse specifikke reguleringsproteiner. Z-form DNA'et er postuleret til at spille en rolle i genregulering.
Beviser til støtte for dobbelt helisk struktur af DNA:
Den dobbelte spiralformede struktur af DNA givet af Waston og Crick understøttes af følgende beviser.
1. MHF Wilkins og hans kolleger studerede DNA ved røntgenkrystallografi og støttede sin dobbelt spiralformede struktur.
2. Kornberg og hans associerede forsøgte at syntetisere DNA i et medium fri for DNA i nærværelse af enzym-DNA-polymerase og nukleotider, byggestenene af DNA. De fandt ud af, at DNA-syntese ikke forekommer i et DNA-frit medium med alle nødvendige forbindelser. Først når en del DNA blev tilsat som primer til det samme medium, startede DNA-syntese.
