Deoksyribonukleinsyre (DNA): Modell, Kjemisk Sammensetning og Transformasjonseksperimenter

Les denne artikkelen for å lære om modell, kjemisk sammensetning og transformasjonseksperimenter av DNA!

Deoksyribonukleinsyre (DNA):

DNA er funnet i cellene til alle levende organismer unntatt i noen plantevirus. I bakteriofager og virus er det en sentral kjerne av DNA som er innelukket i et proteinlag. I bakterier, og i mitokondrier og plastider av eukaryotiske celler, er DNA sirkulært og ligger naken i cytoplasma.

I kjernene til eukaryotiske celler forekommer DNA i form av lange spiralformede og ikke-forgrenede tråder, kromosomene. I kromosomene finnes DNA i kombinasjon med proteiner som danner nukleoproteiner, kromatinmaterialet. Flere linjer med indirekte bevis har lenge antydet at DNA inneholder den genetiske informasjonen om levende organismer.

De viktigste resultatene som ble oppnådd ved hjelp av flere forskjellige eksperimentelle prosedyrer viste at det meste av DNA ligger i kromosomene, mens RNA og proteiner er mer rikelig i cytoplasma. Videre eksisterer en presis korrelasjon mellom mengden av DNA per celle og antallet sett av kromosomer per celle.

De fleste somatiske celler av diploide organismer inneholder for eksempel nøyaktig dobbelt så mye DNA som haploide bakterier eller gameter av samme art. Endelig er DNA-molekylets sammensetning i alle de forskjellige cellene i en organisme den samme (med sjeldne unntak), mens sammensetningen av RNA og proteiner varierer både kvalitativt og kvantitativt fra en celletype til en annen. Selv om disse korrelasjonene sterkt antyder at DNA er det genetiske materialet, er de på ingen måte bevis på det. Direkte bevis har fastslått at den genetiske informasjonen er kodet i DNA.

Transformasjonseksperimenter:

Transformasjonseksperimenter ble først utført av Frederick Griffith i 1928. Han injiserte en blanding av to stammer av pneumokokker (Diplococcus pneumoniae) i mus. En av disse to stammene, S III var virulent og den andre stammen R II var ikke-virulent. Varme drept virulent stamme SIII, da det ble injisert individuelt, forårsaket ikke døden, noe som viste at smittefare etter at varmen drepte, mistet.

Musene injisert med en blanding av RII (levende) og S III (varme drept) døde og virulente pneumokokker kunne isoleres fra disse musene. Inferansen var at en del av de døde SIII-cellene (transformasjonsprinsippet) må ha konvertert levende RII-celler til S III.

OT Avery, CM MacLeod og M. McCarty i 1944 gjentok Griffiths eksperimenter i et in vitro-system og ga det første direkte beviset på at det genetiske materialet er DNA heller enn protein eller RNA. De viste at komponenten av cellen som er ansvarlig for fenomenet transformasjon i bakterien Diplococcus pneumoniae, er DNA. Disse forsøkene involverte bruk av enzymer som nedbryter DNA, RNA eller protein.

I separate eksperimenter ble høyt renset DNA fra S III-celler behandlet med:

(1) Deoksyribonuklease (DNAase) som nedbryter DNA,

(2) Ribonuklease (RNAase) som nedbryter RNA eller

(3) Proteaser (som nedbryter proteiner) og deretter testet for sin evne til å transformere RII-celler til SIII. Bare DNAase hadde ingen effekt på DNA-preparatets transformerende aktiviteter, det eliminerte helt all transformerende aktivitet. Disse forsøkene indikerte således at DNA og ikke proteiner eller RNA er det genetiske materialet.

Ytterligere direkte bevis som indikerer at DNA er det genetiske materialet ble demonstrert av AD Hershey og MJ Chase i bakteriofag T2.

Kjemisk sammensetning av DNA:

Kjemiske analyser har vist at DNA består av tre forskjellige typer molekyler.

1. Fosforsyre (H3P04) har tre reaktive (-OH) grupper, hvorav to er involvert i dannelse av sukkerfosfat-ryggraden i DNA.

2. Pentose sukker:

DNA inneholder 2'-deoksy-D-ribose (eller bare deoksyribose) som er årsaken til navnet deoksyribosnukleinsyre.

3. Organiske baser:

De organiske baser er heterocykliske forbindelser som inneholder nitrogen i deres ringer; derfor kalles de også nitrogenholdige baser. DNA inneholder vanligvis fire forskjellige baser kalt adenirie (A), guanin (G), tymin (T) og cytosin (C).

Disse fire basene er gruppert i to klasser på grunnlag av deres kjemiske struktur:

(1) pyrimidin (T og C) og

(2) purin (A, G).

I DNA er det funnet fire forskjellige nukleosider. Disse er:

(i) deoksycytidin

(ii) deoksythymidin,

(iii) deoksyadenosin og

(iv) deoksyguanosin.

Tilsvarende er fire nukleotider i DNA:

(i) deoksycytidylsyre eller deoksycytidylat,

(ii) deoksytymidylsyre eller deoksytymidylat,

(iii) deoksyadenylsyre eller deoksyadenylat og

(iv) deoksyguanylsyre eller deoksyguanylat.

Da sammensetningen av DNA fra mange forskjellige organismer ble analysert av E. Chargaff og kollegaer (1950), ble det observert at (i) uansett kilden, forekommer purin- og pyrimidinkomponentene i like mengder i et molekyl, mengden av adenin (A) er ekvivalent med mengden tymin (T) og cytosin (C) er ekvivalent med den for guanin (G) og (iii) basisforholdet A + T / G + C er konstant for en bestemt arter.

Watson og Crick Double Helix Modell av DNA:

DNA-strukturen ble først utledet av JD Watson og FH Crick i 1953. På grunnlag av Chargaffs data, foreslo Wilkins og Franklins røntgendiffraksjonsfunn og avledninger fra egne modellbygg, at Watson og Crick foreslo at DNA eksisterer som en dobbel spiral der de to polynukleotidkjedene er viklet rundt hverandre i en spiral.

Hver polynukleotidkjede består av en sekvens av nukleotider koblet sammen ved fosfodiesterbindinger, som danner tilstøtende deoksyribosedeler. De to polynukleotidstrenger holdes sammen i deres spiralformede konfigurasjon ved hydrogenbinding mellom baser i motstående strenger, idet de resulterende basepar blir stablet mellom de to kjedene vinkelrett på molekylets akse som trinnene i en spiralstige.

Baseparingen er spesifikk, adenin er alltid parret med tymin, og guanin er alltid parret med cytosin. Således består alle basepar av en purin og en pyrimidin. Specificiteten av baseparingen resulterer fra hydrogenbindingskapasiteten til basene i deres normale konfigurasjoner.

I de vanligste strukturelle konfigurasjonene danner adenin og tymin to hydrogenbindinger og guanin og cytosin tre hydrogenbindinger. Analog hydrogenbinding mellom cytosin og adenin er for eksempel ikke generelt mulig.

Når sekvensen av baser i en streng av en DNA-dobbelthelix er kjent, er sekvensen av baser i den andre streng også automatisk kjent på grunn av den spesifikke baseparingen. De to strengene i en dobbelt helix er således sagt å være komplementære (ikke identiske); Det er denne egenskapen, komplementariteten til de to strengene, som gjør DNA unikt egnet til å lagre og overføre genetisk informasjon.

Baseparene i DNA stables 3, 4A ° fra hverandre med 10 basepar per sving (360 °) av dobbelthelixen. Sukkerfosfatbensbenene til de to komplementære strengene er antiparallelle; det er at de har motsatt kjemisk polaritet.

Når man beveger enveis langs en DNA-dobbeltspiral, går fosfodiesterbindingene i en streng fra et 3'-karbon av ett nukleotid til en 5'-karbon i det tilstøtende nukleotid mens de i komplementærstrengen går fra en 5'-karbon til 3'-karbon .

A-, B- og Z-form av DNA:

Det store flertallet av DNA-molekylene som er tilstede i de vandige protoplasmaene av levende celler eksisterer nesten helt sikkert i Watson-Crick-dobbelthelixformen beskrevet ovenfor. Dette kalles B-form av DNA og viser høyrehendt spole. Den inneholder 10, 4 basepar per sving (i stedet for de 10 nevnte ovenfor). Dehydrert DNA forekommer i A-formet, som også er en høyrehendt helix, men den har 11 basepar per sving.

Visse DNA-sekvenser forekommer i Z-form, som viser venstrehånds coiling, inneholder 12 basepar per sving. I Z-DNA følger sukkerfosfat-ryggraden en zig-zagged bane som gir den navnet Z-DNA eller Z-form.

Spesifikke segmenter av et DNA-molekyl kan gjennomgå konformasjonsendringer fra B-form til Z-form og vice versa; Disse forandringene kan forårsakes av noen spesifikke regulatoriske proteiner. Z-form DNA er postulert for å spille en rolle i genregulering.

Bevisstater til støtte for dobbelt helisk struktur av DNA:

Den dobbelte spiralformede strukturen av DNA gitt av Waston og Crick støttes av følgende bevis.

1. MHF Wilkins og hans kollegaer studerte DNA ved røntgenkrystallografi og støttet sin doble spiralformede struktur.

2. Kornberg og hans medarbeidere forsøkte å syntetisere DNA i et medium fri for DNA i nærvær av enzym DNA-polymerase og nukleotider, byggeblokkene av DNA. De fant ut at i DNA-fri medium med alle nødvendige forbindelser ikke forekommer DNA-syntese. Først da noe DNA ble tilsatt som en primer til samme medium, startet DNA-syntese.