Információ

10.2: A DNS szerkezete és funkciója – Biológia

10.2: A DNS szerkezete és funkciója – Biológia


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Tanulási célok

  • Ismertesse a dezoxiribonukleotidok biokémiai szerkezetét!
  • Határozza meg a dezoxiribonukleotidok szintézisében használt bázispárokat!
  • Magyarázza meg, miért írják le a DNS kettős hélixét antiparallelnek!

A mikrobiális metabolizmusban a makromolekulák három osztályát tárgyaltuk: fehérjéket, lipideket és szénhidrátokat. Ebben a fejezetben a makromolekulák negyedik osztályát tárgyaljuk: a nukleinsavakat. Más makromolekulákhoz hasonlóan a nukleinsavak is monomerekből, úgynevezett nukleotidokból állnak, amelyek polimerizálva nagy szálakat képeznek. Minden nukleinsavszál bizonyos nukleotidokat tartalmaz, amelyek meghatározott sorrendben jelennek meg a szálon belül, ezt nevezzük bázisszekvenciának. A dezoxiribonukleinsav (DNS) bázisszekvenciája felelős az örökletes információ átviteléért és megőrzéséért a sejtben. A Mechanisms of Microbial Genetics című részben részletesen tárgyaljuk, hogy a DNS milyen módon használja saját bázisszekvenciáját saját szintézisének irányítására, valamint az RNS és a fehérjék szintézisét, ami viszont változatos szerkezetű és szerkezetű termékeket eredményez. funkció. Ebben a részben a DNS alapvető szerkezetét és működését tárgyaljuk.

DNS nukleotidok

A nukleinsavak építőkövei a nukleotidok. A DNS-t alkotó nukleotidokat dezoxiribonukleotidoknak nevezzük. A dezoxiribonukleotid három komponense egy öt szénatomos cukor, az úgynevezett dezoxiribóz, egy foszfátcsoport és egy nitrogéntartalmú bázis, egy nitrogéntartalmú gyűrűszerkezet, amely a nukleinsavszálak közötti komplementer bázispárosodásért felelős ((PageIndex{1}) )). Az öt szénatomos dezoxiribóz szénatomjai 1', 2', 3', 4' és 5' számmal vannak jelölve (az 1' jelentése „egy prím”). A nukleozid öt szénatomos cukrot és nitrogénbázist tartalmaz.

A dezoxiribonukleotidot a nitrogéntartalmú bázisok szerint nevezik el ((PageIndex{2}) ábra). A nitrogéntartalmú adenin (A) és guanin (G) a purinok; kettős gyűrűs szerkezetük van, hat széngyűrűvel ötszéngyűrűhöz olvadva. A pirimidinek, a citozin (C) és a timin (T) kisebb nitrogéntartalmú bázisok, amelyek csak hat szénatomos gyűrűszerkezettel rendelkeznek.

Az egyes nukleozid-trifoszfátok egymással kovalens kötésekkel egyesülnek, amelyeket 5'-3' foszfodiészter kötésként ismerünk, vagy olyan kötésekkel, amelyek során az egyik nukleotid cukrának 5' szénatomjához kapcsolódó foszfátcsoport a következő cukor 3' szénatomjának hidroxilcsoportjához kapcsolódik. nukleotid. A nukleotidok közötti foszfodiészter kötés alkotja a cukor-foszfát gerincet, a váltakozó cukor-foszfát szerkezetet, amely egy nukleinsav szál vázát alkotja ((PageIndex{3}) ábra). A polimerizációs folyamat során dezoxinukleotid-trifoszfátokat (dNTP) használnak. A cukor-foszfát gerinc felépítéséhez a két terminális foszfát pirofoszfátként szabadul fel a dNTP-ből. A kapott nukleinsavszál 5' szénatomos végén szabad foszfátcsoportot és 3' szénatomos végén szabad hidroxilcsoportot tartalmaz. A nukleotid-trifoszfátból a két fel nem használt foszfátcsoport pirofoszfátként szabadul fel a foszfodiészter kötés kialakulása során. A pirofoszfát ezt követően hidrolizálódik, felszabadítva a nukleotid polimerizációhoz használt energiát.

(PageIndex{1}) gyakorlat

Mit jelent a nukleinsavszál 5' és 3' vége?

A kettős spirál felfedezése

Az 1950-es évek elejére számottevő bizonyíték gyűlt össze arra vonatkozóan, hogy a DNS a sejtek genetikai anyaga, és most a verseny indult háromdimenziós szerkezetének felfedezéséért. Ez idő tájt Erwin Chargaff osztrák biokémikus1(1905–2002) különböző fajok DNS-tartalmát vizsgálva felfedezték, hogy az adenint, a timint, a guanint és a citozint nem azonos mennyiségben találták meg, és ez fajról fajra változott, de nem ugyanazon faj egyedei között. Azt találta, hogy az adenin mennyisége nagyon közel volt a timin mennyiségének, a citozin mennyisége pedig nagyon közel volt ahhoz, hogy egyenlő legyen a guanin mennyiségével, vagyis A = T és G = C. Ezeket az összefüggéseket Chargaff-szabályoknak is nevezik.

Más tudósok is aktívan kutatták ezt a területet a 20. század közepén. 1952-ben Linus Pauling (1901–1994) amerikai tudós volt a világ vezető szerkezetkémikusa, és a DNS szerkezetének megoldásának egyik kedvence. Pauling korábban felfedezte az α fehérje hélixeinek szerkezetét röntgendiffrakció segítségével, és a laboratóriumában készített DNS röntgendiffrakciós felvételei alapján egy háromszálú DNS modellt javasolt.2 Ugyanakkor a brit kutatók, Rosalind Franklin (1920–1958) és végzős hallgatója, R.G. Gosling röntgendiffrakciót is használt a DNS szerkezetének megértéséhez ((PageIndex{4}) ábra). Franklin tudományos szakértelme volt az, amely a DNS-ről jobban definiált röntgendiffrakciós felvételeket eredményezett, amelyek egyértelműen megmutatják a DNS általános kettős hélix szerkezetét.

James Watson (1928–), amerikai tudós és Francis Crick (1916–2004), brit tudós az 1950-es években együtt dolgoztak a DNS szerkezetének feltárásán. Chargaff szabályait, valamint Franklin és Wilkins DNS-szálak röntgendiffrakciós képeit használták a kettős spirális DNS-molekula purin-pirimidin párosításának összeállítására ((PageIndex{5}) ábra). 1953 áprilisában Watson és Crick publikálta a DNS kettős hélix modelljét Természet.3 Ugyanebben a számban Wilkins és munkatársai dolgoztak,4 valamint Franklin és Gosling,5 mindegyik a DNS molekulaszerkezetének különböző aspektusait írja le. 1962-ben James Watson, Francis Crick és Maurice Wilkins fiziológiai és orvosi Nobel-díjat kapott. Sajnos addigra Franklin meghalt, és akkoriban a Nobel-díjat nem posztumusz osztották ki. A munka azonban folytatódott a DNS szerkezetének megismerésén. 1973-ban Alexander Rich (1924–2015) és munkatársai képesek voltak DNS-kristályok elemzésére a DNS szerkezetének megerősítése és további tisztázása érdekében.6

(PageIndex{2}) gyakorlat

Mely tudósok kapják a legtöbb elismerést a DNS molekulaszerkezetének leírásáért?

DNS szerkezete

Watson és Crick azt javasolta, hogy a DNS két szálból álljon, amelyek egymás köré csavarodva jobbkezes hélixet alkotnak. A két DNS-szál antiparallel, így az egyik szál 3'-vége a másik 5'-vége felé néz ((PageIndex{6}) ábra). Mindegyik szál 3' végén van egy szabad hidroxilcsoport, míg minden szál 5' végén van egy szabad foszfátcsoport. A polimerizált nukleotidok cukor és foszfátja képezi a szerkezet gerincét, míg a nitrogéntartalmú bázisok egymásra halmozódnak. Ezek a nitrogéntartalmú bázisok a molekula belsejében kölcsönhatásba lépnek egymással, bázispárosodnak.

A DNS diffrakciós mintázatának elemzése megállapította, hogy a DNS-ben fordulatonként körülbelül 10 bázis van. A cukor-foszfát gerincek aszimmetrikus távolsága nagyobb barázdákat (ahol a gerinc messze van egymástól) és kisebb barázdákat (ahol a gerinc közel van egymáshoz) generál ((PageIndex{6}) ábra). Ezek a barázdák olyan helyek, ahol a fehérjék kötődhetnek a DNS-hez. Ezeknek a fehérjéknek a kötődése megváltoztathatja a DNS szerkezetét, szabályozhatja a replikációt, vagy szabályozhatja a DNS RNS-vé történő transzkripcióját.

A bázispárosodás a purin és a pirimidin között megy végbe. A DNS-ben az adenin (A) és a timin (T) komplementer bázispárok, a citozin (C) és guanin (G) pedig szintén komplementer bázispárok, megmagyarázva Chargaff szabályait ((PageIndex{7}) ábra). A bázispárokat hidrogénkötések stabilizálják; Az adenin és a timin két hidrogénkötést hoz létre közöttük, míg a citozin és a guanin három hidrogénkötést hoz létre közöttük.

A laboratóriumban a kettős hélix két DNS-szálát magas hőmérsékletnek vagy bizonyos vegyi anyagoknak kitéve megszakíthatja a komplementer bázisok közötti hidrogénkötéseket, így a szálak két különálló DNS-szálra (ssDNS) válhatnak szét. Ezt a folyamatot DNS-denaturációnak nevezik, és analóg a fehérjék denaturációjával, amint azt a Proteins részben leírták. Az ssDNS-szálak kétszálú DNS-vé (dsDNS) is összeállíthatók újraillesztéssel vagy renaturálással a kémiai denaturálószerek lehűtésével vagy eltávolításával, lehetővé téve ezeknek a hidrogénkötéseknek a megújulását. A DNS ily módon történő mesterséges manipulálásának képessége számos fontos biotechnológiai technika alapja ((PageIndex{8}) ábra). A C = G bázispár közötti további hidrogénkötés miatt a magas GC tartalmú DNS nehezebben denaturálható, mint az alacsonyabb GC tartalmú DNS.

További információért tekintse meg a DNS-szerkezetről készült animációt a DNS-oktatóközpontban.

(PageIndex{3}) gyakorlat

Mi a DNS két komplementer bázispárja, és hogyan kapcsolódnak egymáshoz?

DNS funkció

A DNS tárolja a sejt felépítéséhez és irányításához szükséges információkat. Ennek az információnak az anyától a leánysejtekig történő átvitelét vertikális géntranszfernek nevezik, és ez a DNS-replikáció folyamatán keresztül történik. A DNS akkor replikálódik, amikor egy sejt másolatot készít a DNS-éről, majd a sejt osztódik, ami egy DNS-másolat helyes eloszlását eredményezi minden egyes sejtben. A DNS enzimatikusan is lebontható, és nukleozidok és nukleotidok forrásaként használható a sejt számára. Más makromolekulákkal ellentétben a DNS nem tölt be szerkezeti szerepet a sejtekben.

(PageIndex{4}) gyakorlat

Hogyan továbbítja a DNS a genetikai információkat az utódoknak?

ÚT KEZELÉSE A NŐKNEK A TUDOMÁNYOS ÉS EGÉSZSÉGÜGYI SZAKMABAN

Történelmileg a nők alulreprezentáltak a tudományokban és az orvostudományban, és úttörő munkájukat gyakran viszonylag észre sem vették. Például, bár Rosalind Franklin végzett röntgendiffrakciós vizsgálatokat, amelyek kimutatták a DNS kettős spirális szerkezetét, Watson és Crick az ő adataira építve vált híressé ezzel a felfedezéssel. Továbbra is nagy a vita afelől, hogy az adatok megszerzése megfelelő volt-e, és hogy a személyiségi konfliktusok és a nemi elfogultság hozzájárultak-e jelentős hozzájárulásának késleltetett elismeréséhez. Hasonlóképpen, Barbara McClintock úttörő munkát végzett a kukorica genetikájában az 1930-as és az 1950-es évek között, felfedezve a transzpozonokat (ugró géneket), de csak jóval később ismerték fel, 1983-ban fiziológiai és orvosi Nobel-díjat kapott (() PageIndex{9})).

A nők ma még mindig alulreprezentáltak a tudomány és az orvostudomány számos területén. Míg a természettudományi alapképzési diplomák több mint felét nőknek adják, addig a természettudományos doktori fokozatok mindössze 46%-át adják ki nőknek. Az akadémián a nők száma a szakmai előmenetel minden szintjén folyamatosan csökken, a Ph.D. szintű tudósok kevesebb mint egyharmadát töltik be hivatali pályán, és kevesebb mint egynegyedét a nőknek. teljes professzori állások 4 éves főiskolákon és egyetemeken.7 Még az egészségügyi szakmákban is, mint szinte minden más területen, a nők gyakran alulreprezentáltak számos orvosi pályán, és lényegesen kevesebbet keresnek, mint férfi társaik, amint azt egy 2013-ban közzétett tanulmány is mutatja. Az American Medical Association folyóirata.8

Miért léteznek továbbra is ilyen egyenlőtlenségek, és hogyan törjük meg ezeket a ciklusokat? A helyzet összetett, és valószínűleg különböző tényezők kombinációjából adódik, beleértve azt is, hogy a társadalom miként határozza meg a lányok viselkedését fiatal koruktól kezdve, és hogyan támogatja érdekeiket szakmailag és személyesen egyaránt. Egyesek azt sugalmazták, hogy a nők nem tartoznak a laboratóriumba, például a Nobel-díjas Tim Hunt, akinek 2015-ös nyilvános megjegyzései azt sugallják, hogy a nők túl érzelmesek a tudományhoz.9 széles körben elítélték.

Talán a lányokat fiatal koruktól kezdve jobban kellene támogatni a természettudományok és a matematika területén ((PageIndex{9}) ábra). Tudományos, technológiai, mérnöki és matematikai (STEM) programok, amelyeket az Amerikai Egyetemi Nők Szövetsége (AAUW) szponzorál10 és a National Aeronautics and Space Administration (NASA)11 kiváló példái az ilyen támogatást nyújtó programoknak. A tudományban dolgozó nők hozzájárulását szélesebb körben ismertetni kell a nyilvánossággal, és a fiatal lányokat célzó marketingnek több képet kell tartalmaznia történelmileg és szakmailag sikeres női tudósokról és egészségügyi szakemberekről, ösztönözve minden derék fiatal elmét, beleértve a lányokat és a nőket is, hogy karriert folytassanak. a tudományban és az orvostudományban.

2. rész

Tünetei alapján Alex orvosa azt gyanítja, hogy egy élelmiszer eredetű betegségben szenved, amelyet utazásai során szerzett. Lehetséges bakteriális fertőzés (pl. enterotoxigén E. coli, Vibrio cholerae, Campylobacter jejuni, Salmonella), vírusfertőzés (rotavírus vagy norovírus) vagy protozoonfertőzés (Giardia lamblia, Cryptosporidium parvum, vagy Entamoeba histolytica).

Kezelőorvosa székletmintát rendel a lehetséges kórokozók (pl. baktériumok, ciszták) azonosítására és vér jelenlétének felderítésére, mert bizonyos típusú fertőző ágensek (pl. C. jejuni, Salmonella, és E. histolytica) véres székletképződéssel járnak.

Alex székletmintája nem mutatott sem vért, sem cisztákat. Székletmintájának elemzése és közelmúltbeli utazási előzményei alapján a kórházi orvos azt gyanította, hogy Alex enterotoxigén okozta utazói hasmenésben szenved. E. coli (ETEC), a legtöbb utazó hasmenésének kórokozója. A diagnózis ellenőrzése és más lehetőségek kizárása érdekében Alex orvosa elrendelte a székletmintájának diagnosztikai laboratóriumi vizsgálatát, hogy megkeresse az ETEC specifikus virulenciafaktorait kódoló DNS-szekvenciákat. Az orvos utasította Alexet, hogy igyon sok folyadékot, hogy pótolja azt, amit elveszített, és kiengedte a kórházból.

Az ETEC számos plazmid által kódolt virulenciafaktort termel, amelyek patogénné teszik a tipikushoz képest E. coli. Ezek közé tartoznak a szekretált toxinok, a hőre labilis enterotoxin (LT) és a hőstabil enterotoxin (ST), valamint a kolonizációs faktor (CF). Mind az LT, mind az ST a kloridionok kiválasztódását okozza a bélsejtekből a bél lumenébe, ami ennek következtében vízveszteséget okoz a bélsejtekből, ami hasmenést okoz. A CF egy bakteriális fehérjét kódol, amely elősegíti, hogy a baktérium a vékonybél nyálkahártyájához tapadjon.

(PageIndex{5}) gyakorlat

Miért használt Alex orvosa genetikai elemzést ahelyett, hogy akár baktériumokat izolált volna a székletmintából, akár csak a székletminta Gram-festését?

Kulcsfogalmak és összefoglalás

  • Nukleinsavak -ből állnak nukleotidok, amelyek mindegyike tartalmaz egy pentózcukrot, egy foszfátcsoportot és a nitrogén bázis. Dezoxiribonukleotidok DNS-en belül tartalmazzák dezoxiribóz mint a pentózcukor.
  • A DNS tartalmazza a pirimidinek citozin és timin, és a purinok adenin és guanin.
  • Nukleotidok foszfodiészter kötésekkel kapcsolódnak egymáshoz az egyik nukleotid 5' foszfátcsoportja és egy másik 3' hidroxilcsoportja között. A nukleinsav szál szabad foszfátcsoportot tartalmaz az 5' végén és szabad hidroxilcsoportot a 3' végén.
  • Chargaff felfedezte, hogy az összeg adenin körülbelül megegyezik a mennyiséggel timin a DNS-ben, és hogy a mennyiség a guanin megközelítőleg egyenlő citozin. Ezekről a kapcsolatokról később megállapították, hogy a komplementer bázispárosítás következményei.
  • Watson és Crick Chargaff, Franklin és Gosling, valamint Wilkins munkáira építve javasolta a kettős hélix modellt és a DNS-szerkezet bázispárosítását.
  • A DNS két komplementer orientált szálból áll nem párhuzamos egymásnak a foszfodiészter gerincek a molekula külsején. Az egyes szálak nitrogéntartalmú bázisai egymással szemben állnak, a komplementer bázisok pedig hidrogénkötéssel stabilizálják a kettős hélixet.
  • A hő vagy a vegyszerek megszakíthatják a hidrogénkötéseket a komplementer bázisok között, denaturálva a DNS-t. A vegyszerek lehűtése vagy eltávolítása a DNS renaturálódásához vagy újraillesztéséhez vezethet azáltal, hogy lehetővé teszi a hidrogénkötések átalakulását a komplementer bázisok között.
  • A DNS tárolja a sejt felépítéséhez és irányításához szükséges utasításokat. Ezt az információt a szülőtől az utódig továbbítják vertikális géntranszfer.

Több választási lehetőség

Az alábbiak közül melyik nem található meg a DNS-ben?

A. timin
B. foszfodiészter kötések
C. komplementer bázispárosítás
D. aminosavak

D

Ha egy DNS-molekulán belül a bázisok 30%-a adenin, hány százaléka a timin?

A. 20%
B. 25%
C. 30%
D. 35%

C

A DNS-ben a bázispárosodásra vonatkozó alábbi állítások közül melyik helytelen?

A. A purinok mindig bázispárokat alkotnak pirimidinekekkel.
B. Az adenin guaninhoz kötődik.
C. A bázispárokat hidrogénkötések stabilizálják.
D. A bázispárosítás a kettős hélix belsejében történik.

B

Ha egy DNS-szál az 5'-ATTCCGGATCGA-3' szekvenciát tartalmazza, az alábbiak közül melyik a komplementer DNS-szál szekvenciája?

A. 5ʹ-TAAGGCCTAGCT-3ʹ
B. 5ʹ-ATTCCGGATCGA-3ʹ
C. 3'-TAACCGGTACGT-5'
D. 5ʹ-TCGATCCGGAAT-3ʹ

D

A DNS denaturációja során az alábbiak közül melyik történik?

A. A komplementer bázisok közötti hidrogénkötések megszakadnak.
B. A foszfodiészter kötések megszakadnak a cukor-foszfát gerincben.
C. A cukor-foszfát gerincen belüli hidrogénkötések megszakadnak.
D. A komplementer bázisok közötti foszfodiészter kötések megszakadnak.

A.

Töltse ki az üres

A szabad foszfátcsoportot tartalmazó nukleinsavszál végét ________-nak nevezzük.

5ʹ vége

Igaz hamis

Rosalind Franklin és R.G. Gosling fontos volt a DNS helikális természetének bemutatásában.

Igaz

Az A-T bázispár több hidrogénkötéssel rendelkezik, mint a C-G bázispár.

Hamis

Rövid válasz

Mi a szerepe a foszfodiészter kötéseknek a DNS cukor-foszfát gerincében?

Mit jelent az „ellenpárhuzamos” kifejezés?

Miért nehezebb a magas GC tartalmú DNS denaturálódása, mint az alacsony GC tartalmú DNS?

Kritikus gondolkodás

Egy bizonyos DNS-minta 22%-ban timint tartalmaz. Használja Chargaff szabályait a másik három nitrogénbázis százalékos arányának kitöltéséhez.

Ha figyelembe vesszük a DNS kettős hélix szerkezetét, miben különbözne a szerkezet, ha két purin között bázispárosodás áll fenn? Két pirimidin között?

Lábjegyzetek

  1. 1 N. Kresge et al. "Chargaff szabályai: Erwin Chargaff munkája." Journal of Biological Chemistry 280 (2005): e21.
  2. 2 L. Pauling, „A Proposed Structure for the Nuclein Acids”. Proceedings of the National Academy of Science of Amerikai Egyesült Államok 39 sz. 2 (1953):84–97.
  3. 3 J.D. Watson, F.H.C. Görcs. "A dezoxiribóz nukleinsav szerkezete." Természet 171 sz. 4356 (1953): 737–738.
  4. 4 M.H.F. Wilkins et al. "A dezoxipentóz nukleinsavak molekuláris szerkezete." Természet 171 sz. 4356 (1953): 738–740.
  5. 5 R. Franklin, R.G. Kisliba. „Molecular Configuration in Sodium Thymonucleate.” Természet 171 sz. 4356 (1953): 740–741.
  6. 6 R.O. Day et al. "A kettős hélix kristályos töredéke: a dinukleozid-foszfát guanilil-3',5'-citidin szerkezete." Proceedings of the National Academy of Sciences of Amerikai Egyesült Államok 70 sz. 3 (1973): 849–853.
  7. 7 N. H. Wolfinger „A tudósnők számára nincs megfelelő idő a gyermekvállalásra.” Az Atlanti 2013. július 29. www.theatlantic.com/sexes/arc...ildren/278165/.
  8. 8 S.A. Seabury et al. „A férfi és női egészségügyi szakemberek keresetének trendjei az Egyesült Államokban, 1987 és 2010 között.” Az American Medical Association Belgyógyászati ​​folyóirata 173 sz. 18 (2013): 1748–1750.
  9. 9 E. Chung. Tim Hunt, Szexizmus és tudomány: Az igazi „baj a lányokkal” a laborokban. CBC News Technológia és Tudomány, 2015. június 12. http://www.cbc.ca/news/technology/ti...labs-1.3110133. Hozzáférés: 2016.08.04.
  10. 10 Amerikai Egyetemi Nők Szövetsége. „STEM-csővezeték építése lányok és nők számára.” www.aauw.org/what-we-do/stem-education/. Hozzáférés: 2016. június 10.
  11. 11 Országos Repülési és Űrhivatal. „Outreach Programs: Women and Girls Initiative.” http://women.nasa.gov/outreach-programs/. Hozzáférés: 2016. június 10.


Nézd meg a videót: Fotoszintézis - alapok (Lehet 2022).