DNA: היסטוריה, פונקציות, מבנה, רכיבים - ביולוגיה - 2025

ה- DNA (חומצה deoxyribonucleic) הוא הבי-מולקולה המכילה את כל המידע הדרוש ליצירת גוף ולשמירה על פעולתו. זה מורכב מיחידות הנקראות נוקלאוטידים, בתורם מורכבים מקבוצת פוספטים, מולקולת סוכר של חמישה פחמן ובסיס חנקני.

ישנם ארבעה בסיסים חנקניים: אדנין (A), ציטוזין (C), גואנין (G) ותימין (T). אדנין מזדווג תמיד עם תימין וגואנין עם ציטוזין. ההודעה הכלולה בגדיל ה- DNA הופכת ל- RNA שליח וזה משתתף בסינתזה של חלבונים.

ה- DNA היא מולקולה יציבה במיוחד, טעונה באופן שלילי ב- pH פיזיולוגי, המקשרת לחלבונים חיוביים (היסטונים) כדי לדחוס ביעילות בגרעין התאים האוקריוטים. שרשרת DNA ארוכה יחד עם חלבונים נלווים שונים, יוצרים כרומוזום.

הִיסטוֹרִיָה

בשנת 1953, ג'יימס ווטסון האמריקאי והפרנסיס קריק הבריטי הצליחו להבהיר את המבנה התלת ממדי של ה- DNA, בזכות העבודה בקריסטלוגרפיה שבוצעו על ידי רוזלינד פרנקלין ומוריס ווילקינס. הם גם ביססו את מסקנותיהם על עבודתם של סופרים אחרים.

כאשר DNA נחשף לקרני רנטגן, נוצר דפוס דיפרקציה שניתן להשתמש בו כדי להסיק את מבנה המולקולה: סליל של שתי שרשראות אנטי-פארליות המסתובבות ימינה, כאשר לשתי השרשראות מצטרפות קשרי מימן בין הבסיסים. . התבנית שהתקבלה הייתה כדלקמן:

ניתן להניח את המבנה בעקבות חוקי הפיזור של בראג: כאשר אובייקט מוצב באמצע קרן רנטגן הוא משתקף, מכיוון שהאלקטרונים של האובייקט מתקשרים עם הקורה.

ב- 25 באפריל 1953 התפרסמו תוצאות ווטסון וקריק בכתב העת היוקרתי "Nature", במאמר בן שני עמודים בלבד שכותרתו "מבנה מולקולרי של חומצות גרעין", שהיה מהפך לחלוטין את תחום הביולוגיה.

בזכות תגלית זו, החוקרים קיבלו את פרס נובל לרפואה בשנת 1962, למעט פרנקלין שנפטר לפני הלידה. נכון לעכשיו תגלית זו היא אחד הממצאים הגדולים להצלחת השיטה המדעית לרכוש ידע חדש.

רכיבים

מולקולת ה- DNA מורכבת מנוקלאוטידים, יחידות המורכבות מסוכר חמש פחמן המחובר לקבוצת פוספט ובסיס חנקני. סוג הסוכר המצוי ב- DNA הוא סוג הדוקסיריבוזה ומכאן שמו, חומצה deoxyribonucleic.

ליצירת השרשרת, הנוקלאוטידים מקושרים בצורה קוולנטית על ידי קשר מסוג פוספודיאסטר דרך קבוצת 3'-הידרוקסיל (-OH) מסוכר ו -5 'פוספפו של הנוקלאוטיד הבא.

אין להתבלבל בין נוקלאוטידים לבין נוקלאוזידים. האחרון מתייחס לחלק של נוקלאוטיד שנוצר רק על ידי פנטוזה (סוכר) והבסיס החנקני.

ה- DNA מורכב מארבעה סוגים של בסיסים חנקניים: אדנין (A), ציטוזין (C), גואנין (G) ותימין (T).

בסיסי החנקן מסווגים לשתי קטגוריות: פורינים ופירימידינים. הקבוצה הראשונה מורכבת מטבעת של חמישה אטומים המחוברים לטבעת אחרת בת שש, ואילו הפירימידינים מורכבים מטבעת אחת בלבד.

מבין הבסיסים שהוזכרו, אדנין וגואנין הם נגזרות של פורין. לעומת זאת, תימין, ציטוזין ואורציל (שנמצאים במולקולת RNA) שייכים לקבוצת הפירימידינים.

מִבְנֶה

מולקולת DNA מורכבת משתי שרשראות של נוקלאוטידים. "שרשרת" זו מכונה גדיל DNA.

שני הגדילים מקושרים על ידי קשרי מימן בין הבסיסים המשלימים. בסיסי החנקן מקושרים בצורה קוולנטית לשדרה של סוכרים ופוספטים.

ניתן לחבר כל נוקליאוטיד הממוקם על גדיל אחד עם נוקליאוטיד ספציפי אחר בגדיל השני, ליצירת הסליל הכפול הידוע. על מנת ליצור מבנה יעיל, A תמיד מזדווג עם T באמצעות שני קשרי מימן, ו- G עם C על ידי שלושה קשרים.

חוק שרף

אם נחקור את הפרופורציות של בסיסים חנקניים ב- DNA, נגלה שכמות A זהה לכמות T וזהה עם G ו- C. דפוס זה ידוע כחוק של צ'ארף.

זיווג זה הוא חיובי מבחינה אנרגטית, מכיוון שהוא מאפשר לשמור על רוחב דומה לאורך המבנה, ושומר על מרחק דומה לאורך מולקולת עמוד השדרה הסוכר-פוספט. שימו לב שבסיס טבעת מתיישר עם טבעת אחת.

דגם סליל כפול

מוצע כי הסליל הכפול מורכב מ- 10.4 נוקליאוטידים בכל סיבוב, מופרדים על ידי מרחק ממרכז למרכז של 3.4 ננומטר. תהליך הגלגול מביא להיווצרות חריצים במבנה, היכולת לצפות בחריץ גדול יותר וקטן יותר.

החריצים נוצרים מכיוון שהקשרים הגליקוזידיים בזוגות הבסיס אינם זה מול זה, ביחס לקוטר שלהם. Pyrimidine O-2 ו- purine N-3 נמצאים בחריץ הקטין ואילו החריץ העיקרי נמצא באזור ההפוך.

אם אנו משתמשים באנלוגיה של סולם, הריבים מורכבים מזוגות הבסיס המשלימים זה לזה, ואילו השלד מתאים לשני מסילות התפיסה.

קצות מולקולת ה- DNA אינם זהים, וזו הסיבה שאנו מדברים על "קוטביות". אחד מקצותיו, ה- 3 ', נושא קבוצה -OH, בעוד שבקצה ה- 5' יש את קבוצת הפוספט החופשית.

שני הגדילים ממוקמים בצורה אנטי-פארלית, מה שאומר שהם ממוקמים בצורה הפוכה ביחס לקוטביות שלהם, כדלקמן:

בנוסף, רצף אחד הגדילים חייב להיות משלים לבן זוגו, אם זה מיקום יש A, בגדיל האנטי-פאראללי חייב להיות T.

אִרגוּן

בכל תא אנושי ישנם שני מטרים של DNA שחייבים לארוז ביעילות.

יש לדחוס את הגדיל כך שיוכל להכיל אותו בגרעין מיקרוסקופי בקוטר 6 מיקרומטר שתופס רק 10% מנפח התא. זה אפשרי הודות לרמות הדחיסה הבאות:

היסטונים

באיקריוטים ישנם חלבונים המכונים היסטונים, שיש להם יכולת להיקשר למולקולת ה- DNA, בהיותם הרמה הראשונה של הדחיסה של הגדיל. להיסטונים יש מטענים חיוביים כדי להיות מסוגלים ליצור אינטראקציה עם המטענים השליליים של ה- DNA, המסופקים על ידי פוספטים.

היסטונים הם חלבונים החשובים כל כך לאורגניזמים אוקיארוטיים עד שהם כמעט ולא השתנו במהלך האבולוציה - כזכור ששיעור נמוך של מוטציות מעיד על כך שהלחצים הסלקטיביים על אותה מולקולה חזקים. פגם בהיסטונים עלול לגרום לדחיסה לקויה ב- DNA.

ניתן לשנות היסטונים ביוכימיים ותהליך זה משנה את רמת הדחיסה של החומר הגנטי.

כאשר "hypoacetylated" של היסטונים, הכרומטין מעובה יותר מכיוון שצורות אצטילטיות מנטרלות את המטענים החיוביים של הליזינים (חומצות אמינו טעונות חיובית) בחלבון.

נוקלאוזומים וסיבי 30 ננומטר

גדיל ה- DNA מתפתל להיסטונים והם יוצרים מבנים הדומים לחרוזים על שרשרת פנינים, הנקראים נוקלאוזומים. בלב מבנה זה שני עותקים מכל סוג של היסטון: H2A, H2B, H3 ו- H4. איחוד ההיסטונים השונים נקרא "אוקטמר היסטון".

האוקטאמר מוקף בכ- 146 זוגות בסיסים, המעגלים פחות מפעמיים. תא דיפלואידי האנושי מכיל כ 6.4 x 10 ⁹ נוקליאוטידים מאורגנים 30 מיליון נוקלאוזום.

ארגון לנוקלאוזומים מאפשר לדחוס DNA ליותר משליש מאורכו המקורי.

בתהליך של מיצוי של חומר גנטי בתנאים פיזיולוגיים ניתן לראות כי נוקלאוזומים מסודרים בסיב 30 ננומטר.

כרומוזומים

הכרומוזומים הם היחידה התפקודית של תורשה, שתפקידה לשאת את הגנים של הפרט. גן הוא קטע של DNA המכיל את המידע לסינתזה של חלבון (או סדרת חלבונים). עם זאת, ישנם גם גנים המקודדים לאלמנטים רגולטוריים, כמו RNA.

לכל התאים האנושיים (למעט גמט ותאי דם אדומים) שני עותקים של כל כרומוזום, האחד בירושה מהאב והשני מהאם.

הכרומוזומים הם מבנים המורכבים מחיבור DNA ארוך ליניארי הקשור למתחמי החלבון שהוזכרו לעיל. בדרך כלל באיקריוטים, כל החומר הגנטי הכלול בגרעין מחולק לסדרה של כרומוזומים.

ארגון בפרוקריוטות

פרוקריוטות הם אורגניזמים חסרי גרעין. במינים אלה, החומר הגנטי מפותל מאוד יחד עם חלבונים אלקליין בעלי משקל מולקולרי נמוך. באופן זה ה- DNA דחוס ונמצא באזור מרכזי בחיידק.

יש מחברים שקוראים לעיתים קרובות למבנה זה "כרומוזום חיידקי", אם כי אין לו את אותם מאפיינים כמו כרומוזום אקוקרוטי.

כמות DNA

לא כל מיני האורגניזמים מכילים כמות זהה של DNA. למעשה, ערך זה משתנה מאוד בין מינים ואין קשר בין כמות ה- DNA למורכבות האורגניזם. סתירה זו ידועה כ"פרדוקס ערכי ה- C ".

ההנמקה ההגיונית היא להיות אינטואיטיבי שככל שהאורגניזם מורכב יותר, כך יש לו יותר DNA. עם זאת, זה לא נכון באופיו.

לדוגמא, הגנום של דג הריאות Protopterus aethiopicus הוא 132 מגה-גודל (ניתן לכמת DNA בפיקוגרמות = pg) ואילו הגנום האנושי שוקל 3.5 גרם בלבד.

יש לזכור שלא כל ה- DNA של אורגניזם מקודד לחלבונים, כמות גדולה זו קשורה לאלמנטים רגולטוריים ולסוגים השונים של RNA.

צורות מבניות של DNA

מודל ווטסון וקריק, המופק מתבניות דיפרקציה של רנטגן, ידוע כסליל ה- B-DNA והוא הדגם "המסורתי" והידוע ביותר. עם זאת, ישנן שתי צורות שונות אחרות, הנקראות A-DNA ו- Z-DNA.

DNA - א

גרסת ה- A מסתובבת ימינה, ממש כמו ה- DNA, אך היא קצרה ורחבה יותר. טופס זה מופיע כאשר הלחות היחסית יורדת.

ה- A-DNA מסתובב בכל 11 זוגות בסיסים, כאשר החריץ העיקרי צר ועמוק יותר מ- B-DNA. לגבי החריץ הקטין זה שטחי ורחב יותר.

DNA - Z

הגרסא השלישית היא Z-DNA. זוהי הצורה הצרה ביותר, שנוצרה על ידי קבוצה של הקסנוקליאוטידים המאורגנים בדופלקס של שרשרות אנטי-פראלליות. אחת התכונות הבולטות ביותר של צורה זו היא שהיא פונה שמאלה, בעוד ששתי הדרכים האחרות עושות זאת ימינה.

ה- Z-DNA מופיע כאשר ישנם רצפים קצרים של פירימידינים ופורינים המתחלפים זה בזה. הגולקוס העיקרי הוא שטוח והקטין צר ועמוק יותר בהשוואה ל- B-DNA.

למרות שבתנאים פיזיולוגיים מולקולת ה- DNA היא ברובה בצורת B שלה, קיומם של שתי הגרסאות המתוארות חושף את הגמישות והדינמיות של החומר הגנטי.

מאפיינים

מולקולת ה- DNA מכילה את כל המידע וההוראות הנחוצות לבניית אורגניזם. מערך המידע הגנטי באורגניזמים נקרא הגנום.

ההודעה מקודדת על ידי "האלף-בית הביולוגי": ארבעת הבסיסים שהוזכרו קודם, A, T, G ו- C.

ההודעה יכולה להוביל להיווצרותם של סוגים שונים של חלבונים או קוד עבור אלמנט רגולטורי כלשהו. להלן הסבר להלן התהליך שבאמצעותו יכולים מסדי נתונים להעביר הודעה:

שכפול, תעתיק ותרגום

ההודעה המוצפנת בארבע האותיות A, T, G ו- C מביאה לפנוטיפ (לא כל רצפי ה- DNA קוד לחלבונים). כדי להשיג זאת, על ה- DNA לשכפל את עצמו בכל תהליך של חלוקת תאים.

שכפול ה- DNA הוא שמרני למחצה: גדיל אחד משמש כתבנית להיווצרות מולקולת הבת החדשה. שכפול המשולב על ידי מספר אנזימים, כולל פרימזה DNA, הלייזה DNA, ליגאז DNA וטופואיזומראז.

בהמשך יש להעביר את ההודעה - שנכתבת בשפת רצף בסיס - למולקולת ביניים: RNA (חומצה ריבונוקלאית). תהליך זה נקרא תעתיק.

כדי שתתרחש שעתוק, אנזימים שונים חייבים להשתתף, כולל RNA פולימראז.

אנזים זה אחראי להעתקת המסר של ה- DNA והפיכתו למולקולת RNA של שליח. במילים אחרות, מטרת התמלול היא להשיג את המסנג'ר.

לבסוף, התרגום של ההודעה למולקולות RNA של שליח מתרחש, הודות לריבוזומים.

מבנים אלה לוקחים את ה- RNA של המסנג'ר ויוצרים יחד עם מכונות התרגום את החלבון שצוין.

הקוד הגנטי

ההודעה נקראת ב"שלשות "או בקבוצות של שלוש אותיות המפרטות חומצה אמינית - אבני הבניין של חלבונים. אפשר לפענח את המסר של השלשות כיוון שהקוד הגנטי כבר נחשף במלואו.

התרגום מתחיל תמיד בחומצת האמינו מתיונין, המקודדת על ידי השלישייה המתחילה: AUG. ה- U מייצג את האורציל הבסיסית ומאפיין RNA ומחליף את התימין.

לדוגמה, אם ל- RNA של השליח יש את הרצף הבא: AUG CCU CUU UUU UUA, הוא מתורגם לחומצות האמיניות הבאות: מתיונין, פרולין, לאוצין, פנילאלנין ופנילאלנין. שימו לב ששני שלשות - במקרה זה UUU ו- UUA - עשויים לקוד עבור אותה חומצת אמינו: פנילאלנין.

בשל תכונה זו נאמר כי הקוד הגנטי מנוון, מכיוון שחומצת אמינו מקודדת ביותר מרצף שלשות, למעט חומצת האמינו מתיונין, המכתיבה את תחילת התרגום.

התהליך מופסק באמצעות שלשות של עצירה או עצירה ספציפיות: UAA, UAG ו- UGA. הם ידועים תחת שמות אוקר, ענבר ואופל, בהתאמה. כאשר הריבוזום מזהה אותם הם לא יכולים עוד להוסיף עוד חומצות אמינו לשרשרת.

תכונות כימיות ופיזיקליות

חומצות גרעין הן חומציות באופיין ומסיסות במים (הידרופילים). היווצרות קשרי מימן בין קבוצות הפוספט לקבוצות ההידרוקסיל של פנטוזות עם מים יכולה להתרחש. זה טעון שלילי ב- pH פיזיולוגי.

פתרונות ה- DNA הם בעלי צמיגות גבוהה, בגלל יכולת ההתנגדות לעיוות של הסליל הכפול, שהוא נוקשה מאוד. הצמיגות יורדת אם חומצת הגרעין חד-גדילית.

מדובר במולקולות יציבות ביותר. מבחינה הגיונית, יש להתייחס למאפיין זה במבנים הנושאים מידע גנטי. בהשוואה ל- RNA, ה- DNA יציב הרבה יותר מכיוון שהוא חסר קבוצת הידרוקסיל.

ניתן לטפל בחום ב- DNA, כלומר הגדילים נפרדים כאשר המולקולה חשופה לטמפרטורות גבוהות.

כמות החום שיש למרוח תלויה באחוז ה- G - C של המולקולה, מכיוון שבסיסים אלה קשורים על ידי שלושה קשרי מימן, מה שמגדיל את ההתנגדות להפרדה.

לגבי ספיגת האור, יש להם שיא בגובה של 260 ננומטר, אשר עולה אם חומצת הגרעין חד-גדילית, מכיוון שטבעות הנוקליאוטידים נחשפים ואלו אחראים לספיגה.

אבולוציה

לדברי Lazcano et al. 1988 ה- DNA מתגלה בשלבי מעבר מ- RNA, בהיותו אחד האירועים החשובים ביותר בתולדות החיים.

הכותבים מציעים שלושה שלבים: תקופה ראשונה בה היו מולקולות הדומות לחומצות גרעין, מאוחר יותר הגנומים היו מורכבים מ- RNA וכשלב האחרון הופיעו הגנומים של ה- DNA הכפול.

עדויות מסוימות תומכות בתיאוריה של עולם ראשוני המבוסס על RNA. ראשית, סינתזת חלבון יכולה להתרחש בהיעדר DNA, אך לא כאשר חסר RNA. יתרה מזאת, מולקולות RNA עם תכונות קטליטיות התגלו.

לגבי סינתזה של deoxyribonucleotides (קיימים ב- DNA) הם תמיד מגיעים מהפחתה של ribonucleotides (קיימים ב- RNA).

החידוש האבולוציוני של מולקולת DNA ודאי הצריך נוכחות של אנזימים המסנתרים מבשרי DNA ומשתתפים בתעתיק הפוך של RNA.

על ידי חקר האנזימים הנוכחיים ניתן להסיק כי חלבונים אלה התפתחו מספר פעמים וכי המעבר מ- RNA ל- DNA מורכב יותר ממה שהאמינו בעבר, כולל תהליכים של העברת ואובדן גנים ותחליפים שאינם אורתולוגיים.

רצף DNA

רצף DNA מורכב מלהבהיר את רצף גדיל ה- DNA מבחינת ארבעת הבסיסים המרכיבים אותו.

הכרת רצף זה חשובה ביותר במדעי הביולוגיה. ניתן להשתמש בו כדי להבחין בין שני מינים דומים מאוד מבחינה מורפולוגית, כדי לגלות מחלות, פתולוגיות או טפילים ואף יש להם שימוש משפטי.

רצף סנגר פותח בשנות העשרים והיא הטכניקה המסורתית לבירור רצף. למרות גילה, זוהי שיטה תקפה ונמצאת בשימוש נרחב בקרב חוקרים.

שיטת סנגר

השיטה משתמשת בפולימראז DNA, אנזים אמין ביותר המשכפל DNA בתאים, ומסנתז גדיל חדש של DNA תוך שימוש בקודם הקיים כמדריך. האנזים דורש פריימר כדי ליזום סינתזה. הפריימר הוא מולקולה קטנה של DNA המשלימה למולקולה שיש לבצע ברצף.

בתגובה מתווספים נוקלאוטידים שישולבו בחוט ה- DNA החדש על ידי האנזים.

בנוסף לגרעינים ה"מסורתיים ", השיטה כוללת סדרה של דידויקסינוקוטיאוטידים לכל אחד מהבסיסים. הם נבדלים מהנוקלאוטידים הסטנדרטיים בשני מאפיינים: מבחינה מבנית, הם אינם מאפשרים לפולימרז ה- DNA להוסיף עוד נוקלאוטידים לחוט הבת ויש להם סמן פלורסנט שונה לכל בסיס.

התוצאה היא מגוון של מולקולות DNA באורכים שונים, מכיוון שהדידיוקסינוקליאוטידים שולבו באקראי ועצרו את תהליך השכפול בשלבים שונים.

ניתן להפריד בין מגוון מולקולות זה לפי אורכן, וקוראת זהות הנוקלאוטידים באמצעות פליטת אור מהתווית הפלואורסצנטית.

רצף הדור הבא

טכניקות הרצף שפותחו בשנים האחרונות מאפשרות ניתוח מאסיבי של מיליוני דגימות בו זמנית.

בין השיטות הבולטות ביותר הן רצף פירוזה, רצף על ידי סינתזה, רצף על ידי קשירה ורצף רצף מהדור הבא מאת יון טורנט.

הפניות

1. אלברטס, ב., ג'ונסון, א., לואיס, ג'יי, ואח '. (2002). ביולוגיה מולקולרית של התא. מהדורה רביעית. ניו יורק: גרלנד מדע. מבנה ה- DNA ותפקידו. ניתן להשיג ב: ncbi.nlm.nih.gov/
2. אלברטס, ב., ג'ונסון, א., לואיס, ג'יי, ואח '. (2002). ביולוגיה מולקולרית של התא. מהדורה רביעית. ניו יורק: גרלנד מדע. DNA כרומוזומלי ואריזתו בסיבי הכרומטין. ניתן להשיג ב: ncbi.nlm.nih.gov
3. ברג, JM, Tymoczko, JL, Stryer, L. (2002). בִּיוֹכִימִיָה. מהדורה 5. ניו יורק: WH פרימן. סעיף 27.1, DNA יכול להניח מגוון של צורות מבניות. ניתן להשיג ב: ncbi.nlm.nih.gov
4. Fierro, A. (2001). היסטוריה קצרה של גילוי מבנה ה- DNA. כב 'Méd Clínica Las Condes, 20, 71-75.
5. Forterre, P., Filée, J. & Myllykallio, H. (2000-2013) מקור ואבולוציה של מכונות שכפול DNA ו- DNA. בתוך: מסד הנתונים של מאדאם קורי Bioscience. אוסטין (טקסס): Landes Bioscience. ניתן להשיג ב: ncbi.nlm.nih.gov
6. Lazcano, A., Guerrero, R., Margulis, L., & Oro, J. (1988). המעבר האבולוציוני מ- RNA ל- DNA בתאים מוקדמים. כתב העת להתפתחות מולקולרית, 27 (4), 283-290.
7. Lodish, H., Berk, A., Zipursky, SL, et al. (2000). ביולוגיה מולקולרית של התא. מהדורה רביעית. ניו יורק: WH פרימן. פרק 9.5, ארגון ה- DNA הסלולרי לכרומוזומים. ניתן להשיג ב: ncbi.nlm.nih.gov/books
8. Voet, D., Voet, JG, & Pratt, CW (1999). יסוד הביוכימיה. ניו יורק: ג'ון ווילי ובניו.