Dezoksiribonukleinske kiseline-DNA

Dezoksiribonukleinske kiseline ( Slušati I / D ja ɒ K S i ° r aɪ b oʊ nj ʊ ˌ K L sam ɪ k, - ˌ K L eɪ ɪ k / ; [1] DNA) je molekula koja nosi većina genetskih uputa koje se koriste u rast, razvoj, funkcioniranje i reprodukcija svih poznatih živih organizama i mnogih virusa . DNA i RNA su nukleinske kiseline s; uz proteina i složenih ugljikohidrata , oni su jedna od tri glavne vrste makromolekule koje su neophodne za sve poznate oblike života . Većina DNA molekule se sastoje od dva biopolimera lanaca namotana oko drugoga tako da tvore dvostruku uzvojnicu . Dva lanca DNK poznati su kao polinukleotidi , budući da se sastoji od jednostavnijih jedinica zove nukleotida . [2] Svaki nukleotid sastoji od sadrži dušik nukleobaze -either citozina (C), guanin (G), adenin (A) ili timin (T) -as i kao šećer nazivaju deoksiriboze i fosfatne skupine . Nukleotidi su spojeni jedan na drugi u nizu od kovalentne veze između šećera jednog nukleotida i fosfata sljedeći, što rezultira u izmjenično šećer-fosfatne okosnice . Prema sparivanja baza pravilima (A sa T i C s G), vodikove veze vežu dušične baze dvaju odvojenih polinukleotidne niti da dvolančanu DNA. Ukupna količina srodnih DNA parova baza na Zemlji se procjenjuje na 5,0 x 10 37, a teži 50 milijardi tona . [3] Za usporedbu, ukupna masa od biosfere Procijenjeno je da se što je više 4 TTC (bilijun tona ugljik ). [4]

DNA pohranjuje biološke informacije . DNA okosnica je otporan na cijepanja i obje niti strukture dvostruke uzvojnice pohraniti istu biološku podatke. Biološki podaci replicirati kako su ta dva smjera odvojeni. Značajan dio DNA (više od 98% kod ljudi) je ne-kodiranje , što znači da se ti dijelovi ne služe kao obrasci za proteinskim sekvencama.

Dva lanca DNA se izvoditi u suprotnim smjerovima jedna prema drugoj, te su stoga anti-paralelne . U prilogu svakog šećera jedan je od četiri vrste nukleobaza (neformalno, baza). To je slijed ovih četiri nukleobaza uz okosnicu koja kodira biološke informacije. Pod genetskog koda , RNA niti preračunavaju se navesti redoslijed aminokiselina u roku od proteina. Ove RNA prvotno su stvorene pomoću DNK lance kao predložak u procesu koji se naziva transkripcija .

Unutar stanice, DNA je organizirana u dugim strukturama koje nazivamo kromosomi . Tijekom diobe stanica ove kromosomi se umnožavati u procesu replikacije DNA , pod uvjetom da svaka stanica vlastiti kompletan set kromosoma. Eukariotskim organizmima ( životinje , biljke , gljive i protisti ) pohranjuju se većina njihovog DNK unutar stanične jezgre i neke njihove DNK u organele , kao što su mitohondrijima i kloroplastima . [5] s druge strane, prokarioti ( bakterije i Archaea ) pohraniti svoje DNA samo u citoplazmi . Unutar kromosoma, kromatina proteine ​​kao što su histona kompaktan i organizirati DNK. Ove kompaktne strukture voditi interakcije između DNK i drugih proteina, pomaže kontrolu koji se dijelovi DNK na prijepis.

DNK je prvi put izoliran Friedrich Miescher 1869. svojoj molekularnoj strukturi je identificiran od strane James Watson i Francis Crick 1953. godine, čiji je model izgradnje napori bili vođeni rendgenske difrakcije podataka dobivenih od strane Rosalind Franklin . DNK se koristi od strane istraživača kao molekularni alat za istraživanje fizikalnih zakona i teorije, kao što su ergodičke teorem i teorije elastičnosti . Jedinstvena materijalna svojstva DNA su je atraktivna molekula za materijalne znanstvenika i inženjera koji su zainteresirani za mikro i nano-izmišljotina. Među značajnim napretkom u ovom području su DNK origami i DNA-based hibridni materijali. [6]

Nekretnine

Kemijska struktura DNA, vodikove veze prikazani su kao isprekidane crte

DNK je duga polimer napravljen od ponavljanja jedinica zove nukleotida . [7] [8] Struktura DNA ne statična, [9] sve vrste sastoji se od dva spiralna lanca svaki smotan oko iste osi, a svaki s terena od 34 angstrema (3.4 nm ) i radijus od 10 angstrema (1,0 nanometarskih). [10] Prema drugom istraživanju, kada se mjeri u određenom rješenjem, DNA lanac izmjerena 22 do 26 angstrema široke (2,2 do 2,6 nanometara), te jedan nukleotid jedinica mjerena 3.3 (0,33 nm) dugo. [11] Iako je svaki pojedinac ponavljajuća jedinica je vrlo mala, DNA polimeri mogu biti vrlo velike molekule koje sadrže milijune nukleotida. Na primjer, DNK u najvećem ljudskom kromosomu , kromosom broj 1 , sastoji se od oko 220 milijuna parova baza [12] i da će biti dugačak 85 mm, ako se uspravi.

U živim organizmima DNA obično ne postoji kao jedne molekule, nego kao par molekula koje se održavaju čvrsto zajedno. [13] [14] Te dvije dugačke niti plesti kao loze, u obliku dvostruke spirale . Nukleotidni ponavlja sadrži oba segmenta kostura molekule, koja ima lanac skupa, i nukleobaza koja stupa u interakciju s drugim DNK u zavojnici. Nukleobazu vezan za šećer naziva se nukleozid i baze povezan s šećera i jednog ili više fosfatnih skupina naziva nukleotida . Polimer sadrži više vezan nukleotida (slično kao i DNA) zove se polinukleotid . [15]

Okosnica DNK se sastoji od naizmjeničnih fosfata i šećera ostataka. [16] šećera u DNA je 2-deoksiriboza , što je pentoza (peteročlani ugljika ) šećer. Šećeri su spojeni fosfatnih grupa koje čine fosfodiesternim vezama između trećeg i petog ugljikovih atoma u susjednim šećera prstenova. Ti asimetrični obveznice znači niti DNA ima smjer. U dvostruke spirale smjer nukleotida u jednom cjedilu je suprotno njihovom smjeru u drugom cjedilu: Niti se antiparalelni. Asimetrične krajevi DNA lanaca se nazivaju 5 ' (pet premijera) i 3' (tri premijera) završava sa 5 'kraj ima terminalnu fosfatne skupine i 3' kraj terminala hidroksilnu skupinu. Jedan od glavnih razlika između DNA i RNA je šećer, s 2-dezoksiriboze DNK zamjenjuje alternativnim pentoze šećera riboze u RNA. [14]

Dio DNK. Baze leže vodoravno između dvije spiralne niti. [17] ( animirani verziju ).

Dvostruka spirala DNA stabilizira prvenstveno dvije sile: vodikove veze između nukleotida ili baznih-slaganje interakcija među aromatskim . Nukleobaza [18] U vodenom okolišu stanice, što su konjugirani π veze nukleotidnih baza poravnati okomito na os DNA molekula, smanjuje njihovu interakciju s solvata ljuske i stoga, slobodne energije Gibbs . Četiri nalaze u DNA baze adenin (skraćeno A), citozin (C), gvanin (G) i timin (T). Te četiri baze su pričvršćena na šećer i / ili fosfata da se oblikuje cjelovita nukleotida, kao stoje prikazano na adenozin monofosfat . Adenin parova s timin i gvanin parova s citozin . To je zastupao AT parova baza i GC parova baza. [19] [20]

nukleobaze klasifikacija

Nukleobaze su razvrstani u dvije vrste: purina , A i G, taljenje pet i šest članova koji heterocikličkih spojeva , a pirimidina , a šesteročlani prstenovi C i T. [14] Peti pirimidina nukleobaze uracil (U ), obično zauzima mjesto timina u RNK, a razlikuje se od timina by nedostaje metil grupu na svom prstenu. Osim RNA i DNA je veliki broj umjetnih analoga nukleinskih kiselina također su stvoreni za proučavanje svojstva nukleinske kiseline, ili za upotrebu u biotehnologiji. [21]

Uracil se obično ne nalaze u DNA, javlja se samo kao proizvod razgradnje citozina. Međutim, u nizu bakteriofaga - Bacillus subtilis bakteriofage PBS1 i PBS2 i Yersinia bakteriofag piR1-37 - timin zamijenjen uracil. [22] Drugi faga - Stafilokokni fag S6 - je identificirana sa genom kojima je timin zamijenjen uracil. [23]

Base J (beta-d-glucopyranosyloxymethyluracil), modificirani oblik uracil, također se nalazi u velikom broju organizama: od bičaši Diplonema i Euglena , svu kinetoplastid . Rodova [24] Biosinteza J javlja u dva koraka: u prvi korak specifičan timidina u DNA se pretvara u hydroxymethyldeoxyuridine; u drugom HOMedU je glikolizirani formirati J. [25] proteini koji vežu posebno na toj bazi su identificirani. [26] [27] [28] Ti proteini se daleki srodnici Tet1 onkogena koji je uključen u patogenezu od akutne mijeloidne leukemije . [29] J izgleda da djeluje kao prestanak signal za RNA polimerazom II . [30] [31]

Većih i manjih brazde DNA. Manji utor je vezno mjesto za boju Hoechst 33258 .

Grooves

Twin spiralne lance čine DNK kičmu. Još jedna dvostruka zavojnica može se naći prateći prostori, ili utore, između nitima. Ove šupljine su u susjedstvu baznih parova i može pružiti vezno mjesto . Kao niti ne simetrično smješteni s obzirom na drugi, utori su nejednako veličine. Jedan utor, glavni utor, široka 22, a drugi, manji utor, široka 12 a. [32] Širina glavne utor znači da su rubovi baza su više dostupni u većim utor nego u manja utor. Kao rezultat toga, proteini kao što su transkripcijski faktori koji se mogu vezati na određene sekvence u dvostruku uzvojnicu DNA obično kontakt sa strane bazama izloženih u glavni utor. [33] Ova situacija se razlikuje u neuobičajenim konformacija DNA unutar stanice ( vidi dolje), ali su veliki i mali utori se označavaju da odražavaju razlike u veličini koja će se vidjeti ako se DNA zakrenuti natrag u uobičajenom obliku B.

Baza uparivanje

Daljnje informacije: Osnovna par

U dvostruke spirale DNK, svaka vrsta nukleobaze na jedan ogranak obveznice sa samo jednom vrstom nukleobaze na drugoj cjedilu. To se zove komplementarne sparivanju baza . Evo, purine čine vodikove veze na pirimidina, je adenin veza samo na timina u dvije vodikove veze, a citozin veza samo na gvanin u tri vodikove veze. Ovaj dogovor dva nukleotida vežu zajedno preko dvostruke spirale se naziva parova baza. Kao vodikove veze nisu kovalentne , mogu se podijeliti i pridružio relativno lako. Dva lanca DNK u dvostruke spirale, dakle, može se izvući osim kao patent, bilo mehaničke sile ili visokoj temperaturi . [34] Kao rezultat ovog komplementarnosti, sve informacije u nizu dvostruke uzvojnice od DNA spirale je umnožen na svaku pojedinu programsku aktivnost, što je bitno u replikaciju DNA. Doista, to je reverzibilna i specifična interakcija između komplementarnih parova baza je kritična za sve funkcije DNA u živim organizmima. [8]

Baza par GC.svg

Baza par AT.svg

Vrhu, GC par baza s tri vodikove veze . Dno, AT parova baza sa dvije vodikove veze. Ne-kovalentne vodikove veze između parova su prikazani isprekidanim linijama.

Dvije vrste parova baza formiraju različiti broj vodikovih veza, AT formiraju dvije vodikove veze, a GC formiranje tri vodikove veze (vidi slike, desno). DNA s visokim GC-sadržaj je stabilniji od DNA niskim GC sadržaja.

Kao što je već rečeno, većina DNA molekule su zapravo dvije niti polimera, vezani zajedno u spiralni način nekovalentnim vezama; ovo dvostruke niti struktura (dsDNA) održava u velikoj mjeri od intrastrand baze slaganje interakcije, koji su najjači za G, C gomila. Dva lanca mogu razdvojiti - proces poznat kao taljenja - kako bi se dobilo dvije jednolančane molekule DNA (ssDNA) molekule. Topljenja događa na visoke temperature, niske soli i visokom pH (nizak pH i topi DNK, ali budući da je DNK nestabilna zbog kiseline depurination, niski pH se rijetko koristi).

Stabilnost oblika dsDNA ne ovisi samo o sadržaju GC-(% G, C basepairs), ali također i na sekvenci (od slaganja je sekvenca specifično) i duljine (dulji molekule su stabilniji). Stabilnost se može mjeriti na različite načine; čest način je "temperatura taljenja", što je temperatura na kojoj se 50% DS molekula pretvara u ss molekula; taljenje temperatura ovisi o ionske jakosti i koncentracije DNA. Kao posljedica toga, on je i postotak GC parova baza, a ukupna duljina DNA dvostruke spirale koja određuje jačinu povezanost između dvaju trakova DNA. Duge DNA spirale s visokim GC-sadržaja imaju jači-interaktivnih pramenove, dok kratke spirale s visoka na sadržaj imaju manje-interakciji nitima. [35] U biologiji, dijelovi dvostruke spirale DNK koje je potrebno odvojiti lako, kao što je TATAAT Pribnow kutija u nekim promotorima , imaju tendenciju da imaju visoki sadržaj AT, što nitima lakše razvlači. [36]

U laboratoriju će snaga ove interakcije može se mjeriti po pronalaženju temperaturu potrebnu razbiti vodikove veze, njihova temperatura taljenja (koji se nazivaju T m vrijednosti). Kad su svi parovi baza u dvostruku uzvojnicu DNA taline, niti razdvojiti i postojati u otopini kao dvije potpuno nezavisne molekula. To jednolančane DNA molekule (ssDNA) nemaju jedan zajednički oblik, ali neki konformacije su stabilniji od drugih. [37]

Razum i negativna

Daljnje informacije: Sense (molekularna biologija)

DNA sekvenca se zove "smisao" ako je slijed je isto kao da je RNK primjerak koji je preveden na proteinima. [38] Sekvenca na suprotnoj cjedilu naziva "negativna" slijed. Oba osjetni i antisense sekvence mogu postojati na različitim dijelovima istog lanca DNA (tj obje niti može sadržavati i smisao i antisens sekvence). U prokariota i eukariota, neosjetljivim RNA sekvence su proizvodili, ali su funkcije ovih RNA nisu u potpunosti jasni. [39] Jedna od ideja je da se antisense RNA koji su uključeni u regulaciju ekspresije gena kroz RNA-RNA sparivanja baza. [40]

Nekoliko DNA sekvence u prokariota i eukariota, a više u plazmida i virusa , zamagliti razliku između osjetnih i komplementarnih niti tako da se preklapaju gene . [41] U tim slučajevima, neki DNA sekvence učiniti dvostruko dužnost, kodiranje jednog proteina kada se čitaju uz jednu lanac, a drugi protein kada se pročitaju u suprotnom smjeru duž druge niti. U bakterija , ovaj preklapanje može biti uključen u regulaciji transkripcije gena, [42] , dok je u virusima, preklapajući geni povećati količinu podataka koja se može kodirana u malom virusnog genoma. [43]

Supercoiling

Daljnje informacije: DNA supercoil

DNK može biti upletena poput užeta u procesu zvanom DNK supercoiling . Sa DNA u svom "opušteno" stanje, struk obično kruži os dvostruke spirale svakih 10.4 parova baza, ali ako je DNA je upletena u niti postaju čvršće ili slabije rana. [44] Ako se DNK je upletena u smjer spirale, to je pozitivna supercoiling i baze se drže čvrsto zajedno više. Ako su upletena u suprotnom smjeru, to je negativan supercoiling i podnožja razdvojiti lakše. U prirodi, većina DNA ima blagi negativan supercoiling koja je uvedena od strane enzima nazvanih topoizomeraza . [45] Ovi enzimi su potrebni za ublažavanje uvijanje naprezanja uvesti u DNA lanaca tijekom procesa kao što su transkripcija i replikaciju DNA . [46]

S lijeva na desno, strukturama A, B i Z DNK

Alternativni strukture DNA

Dodatne informacije: Molekularna struktura nukleinskih kiselina: struktura za dezoksiriboze nukleinske kiseline , Molecular modeli DNA i struktura DNA

DNA postoji mnogo mogućih konformacija koji sadrže A-DNA , B-DNA, i Z-DNA oblici, iako samo B-DNA i Z-DNA su direktno promatraju u funkcionalnim organizmima. [16] Konformacija DNK donosi zavisi razina hidratacije, DNA sekvenca, količina i smjer supercoiling, kemijski modifikacije baza, tipu i koncentraciji metalnih iona , kao i prisutnosti poliamina u otopini. [47]

Prvi objavljeni izvještaji o A-DNA rentgenski difrakcije u prahu -i također B-DNA korištene analize na temelju Patterson pretvara da pruža samo ograničenu količinu strukturnih informacija za orijentiranih vlakana DNA. [48] [49] Alternativni analiza zatim je predložio Wilkins i sur., 1953., za in vivo B-DNA difrakcija X-zraka / raspršenja uzorke visoko u hidratiziranom DNA vlakana u smislu trgovima Bessel funkcije . [50] u istom časopisu, James Watson i Francis Crick predstavili su svoje molekularno modeliranje analizu rendgenske difrakcije uzoraka DNK sugerirati da je struktura bila dvostruko helix. [10]

Iako je "B-DNA obrazac" je najčešće pod uvjetima koje se nalaze u stanicama, [51] to nije dobro definirana konformacija, ali obitelj srodnih DNA konformacije, [52] koji se javljaju na visokim razinama hidratacije prisutna u živim stanicama , Njihove odgovarajuće X-zraka i raspršenja obrasci su karakteristične molekularne paracrystals sa značajnim stupnjem poremećaja. [53] [54]

U usporedbi s B-DNA, obrazac A-DNA je širi dešnjak spirala, s plitkim, širine manje utora i uži, dublji glavni žlijeb. A oblik se javlja u ne-fiziološkim uvjetima u djelomično sušenog uzoraka DNA, dok se u stanici može se proizvesti hibridnih parova u DNA i RNA, kao i na enzim-DNA kompleksima. [55] [56] Segmenti DNA gdje su baze su kemijski modificirani metilacije može proći veći promjene u građi i usvojiti Ž . Evo, niti okrenuti spiralni osi u ljevoruke spirale, suprotno od uobičajenih oblika B. [57] Ove neobične strukture mogu se prepoznati po veznih proteina specifičnih Z-DNA i može biti uključen u regulaciju transkripcije . [58]

Kemija Alternativni DNA

Već dugi niz godina exobiologists su predložili postojanje sive biosfere , pretpostaviti mikrobiološku biosferu Zemlje koja koristi radikalno različite biokemijske i molekularne procese od trenutno poznate života. Jedan od prijedloga bio je postojanje oblika života koji koriste arsen umjesto fosfora u DNA . U izvješću u 2010. godini u mogućnosti u bakteriji GFAJ-1 , najavljeno je, [59] [59] [60] iako je istraživanje sporno, [60] [61] , a dokazi upućuju na to da je bakterija aktivno sprečava ugradnju arsena u DNA okosnica i druge biomolekule. [62]

Quadruplex strukture

Dodatne informacije: G-quadruplex

Na krajevima linearnih kromosoma specijalizirane regije DNA zove telomere . Glavna funkcija tih regija je omogućiti stanice replicirati kromosoma završava pomoću enzima telomeraze , kao i enzima koji normalno replicirati DNK se ne može kopirati ekstremne 3 'krajeve kromosoma. [63] Ove specijalizirane kromosoma kape također pomaže u zaštiti DNA krajeve i zaustaviti popravka DNK sustava u stanici tretirati ih kao šteta da se ispravi. [64] u ljudskim stanicama , telomere su obično dužine od jedne uzvojnice DNA koja sadrži nekoliko tisuća ponavljanja jednostavne TTAGGG nizu. [65]

DNA quadruplex formirana telomera ponavlja. Petlja savijena konformacija DNA okosnica je vrlo različita od tipične DNA spirale. [66]

Ove gvanm bogate sekvence mogu stabilizirati kromosoma završava formiranjem struktura složenih kompleta od četiri baznih jedinica, a ne uobičajenih parova baza koje se nalaze u drugim molekulama DNA. Ovdje, četiri gvanm baze tvore se ravna ploča, a te ravne četiri bazne jedinice zatim slažu jedna na drugu, tako da tvore stabilnu G-quadruplex strukturu. [67] Ove strukture stabilizira vodikovim vezama između rubova baze i chelation metalnog iona u središtu svakog od četiri osnovne jedinice. [68] Druge strukture može se dobiti, sa središnjom grupi od četiri baze dolaze bilo iz jednog lanca savijenog oko baze, ili više različitih paralelnih lanaca, svaki doprinosi jednu bazu na središnje strukture.

Osim ovih složenih struktura, telomere također čine velike strukture petlje zove telomera petlje ili t-petlje. Evo, jednolančane DNA kovrče oko u dugom krugu stabilizira telomera proteina koji se vežu. [69] Na samom kraju T-petlja, jednolančana telomera DNA se održava na području dvostruke uzvojnice DNA telomera cjedilu narušavanja dvostruko spiralni DNA i sparivanja baza u jednom od dva smjera. Ova trostruka uzvojnica struktura naziva se pomak petlje ili D-loop . [67]

Branch-DNA-single.svg Branch-DNA-multiple.svg

Jedan ogranak Više grane

Razgranate DNA može formirati mreže sadrže više podružnica.

razgranate DNA

Daljnje informacije: razgranate DNA i DNA nanotehnologija

U DNK, habanje događa kada nisu komplementarne regije postojati na kraju inače komplementarne dvostrukog lanca DNA. Međutim, razgranate DNA može dogoditi ako se uvede i treća nit DNK i sadrži susjedne regije da se mogu povezati s oštećenim krajevima već postojeće dvostrukog lanca. Iako je najjednostavniji primjer razgranate DNA uključuje samo tri smjera DNA, kompleksi uključuju dodatne pramenove i više grane su također moguće. [70] razgranate DNA može se koristiti u nanotehnologiji za izgradnju geometrijskih oblika, u poglavlju o uporabi tehnologije u nastavku.

Kemijske promjene i promijenjena DNK za pakiranje

Cytosin.svg 5-Methylcytosine.svg Thymin.svg

citozin 5-metilcitozin timin

Struktura citozina sa i bez 5-metil skupine. Deamination pretvara 5-metilcitozin u timina.

Bazne modifikacije i DNA pakiranje

Daljnje informacije: metilacije DNA i modeliranjem kromatina

Ekspresija gena pod utjecajem je kako DNA se pakira u kromosomima u strukturi zove kromatina . Bazne modifikacije mogu biti uključeni u pakiranje, s regijama koje imaju ekspresiju niskim ili bez gena obično sadrži visoke razine metilacije od citozina baza. DNA pakiranje i njezin utjecaj na ekspresiju gena također može doći od kovalentne modifikacije histona proteinske jezgre oko koje DNA je omotan u strukturi kromatina ili inače pregradnja provodi modeliranjem kromatina kompleksa (vidi modeliranjem kromatina ). Tu je, nadalje, preslušavanje između metilacije DNA i histona modifikacije, tako da oni mogu koordinirano djelovati kromatina i ekspresija gena. [71]

Za jedan primjer, citozin metilacije, proizvodi 5-metilcitozin , što je važno za X-kromosoma inaktivacije . [72] Prosječna razina metilacije varira između organizama - Crv Caenorhabditis elegans nedostaje citozin metilacije, a kralježnjaci imaju višu razinu, s do 1% njihove DNA koja sadrži 5-metilcitozin. [73] Unatoč važnosti 5-metilcitozin, može deaminate ostaviti timin bazu, tako da metilni citozini su osobito skloni mutacijama . [74] Drugi bazne modifikacije uključuju adenin metilacije u bakterijama , prisutnost 5-hydroxymethylcytosine u mozgu , [75] i glikozilacija uracila za proizvodnju "J baze" u kinetoplastids . [76] [77]

Šteta

Daljnje informacije: oštećenja DNA (prirodno) , mutacije , a DNA teorija oštećenja starenja

Kovalentna produkt između metabolički aktivnim oblikom benzo [a] pirena , glavni mutagen u duhanskom dimu , te DNA [78]

DNK može biti oštećena od strane mnogih vrsta mutageni , kojima se mijenja DNA. Mutageni su oksidirajućih sredstava , alkilirajuće agense i također velike energije elektromagnetskog zračenja , kao što su ultraljubičasto svjetlo i X-zrake . Vrsta oštećenja DNA proizvedene ovisi o vrsti mutagen. Na primjer, UV svjetlo može oštetiti DNK stvara timin dimera koji su unakrsne veze između pirimidinskih baza. [79] S druge strane, oksidansi, kao što slobodnih radikala ili vodikovim peroksidom proizvesti više oblika oštećenja, uključujući i baznih izmjenama, osobito gvanozin i dvaput nit se lomi. [80] tipična ljudska stanica sadrži oko 150.000 baze koje su pretrpjeli oksidativnog oštećenja. [81] Od tih oksidativnih oštećenja, najopasniji su dvostruko cjedilu pauze, kao što su to teško popraviti i može proizvoditi točkaste mutacije , umetanja i brisanja iz DNA sekvence, kao i kromosomske translokacije . [82] Ove mutacije mogu uzrokovati rak . Zbog inherentnih ograničenja u mehanizmima popravka DNA, ako su ljudi živjeli dovoljno dugo, da će sve na kraju razviti rak. [83] [84] DNK štete koje se javljaju, naravno , s obzirom na normalne stanične procese koji stvaraju reaktivne vrste kisika, hidrolize aktivnosti stanične vode, itd, također se javljaju često. Iako je većina od tih šteta popravljena, u bilo kojoj stanici neki DNK oštećenje može ostati bez obzira na djelovanje za popravak. Ovi preostali DNA oštećenja nakupljaju s godinama u sisavaca postmitotičkih tkiva. Ova akumulacija Čini se da je važan temeljni uzrok starenja. [85] [86] [87]

Mnogi mutageni stane u prostor između dva susjedna parova baza, to se zove interkaliranja . Većina interkalatori su aromatični i planarne molekule; primjeri uključuju etidijev bromid , akridini , daunomicin , i doksorubicin . Da bi intercalator da stane između parova baza, baze smije odvojiti, iskrivljeno lance DNA koje odmotavanje dvostruke spirale. To inhibira i transkripcije i replikaciju DNA, uzrokuje toksičnost i mutacije. [88] Kao rezultat toga, umetanje DNK može biti kancerogeni , te u slučaju talidomid, a teratogen . [89] Drugi, kao što benzo [a] pirena diol epoksida i aflatoksin oblik DNA adukata koji induciraju greške u replikaciji. [90] Međutim, zbog njihove sposobnosti da inhibiraju DNA transkripcije i replikacije, ostali slični toksina se također koriste u kemoterapiji za brzo raste inhibiraju raka stanica. [91]

biološke funkcije

Lokacija Eukarioti nuklearne DNA u kromosomima.

DNA se obično javlja kao linearnih kromosoma u eukariota , te kružnim kromosoma u prokariota . Skup kromosoma u stanici čini njegov genom ; ljudski genom ima oko 3 milijarde parova baza DNK raspoređeni u 46 kromosoma. [92] Podaci nosi DNA se održava u slijedu komada DNA zove gena . Prijenos od genetičke informacije u genima postiže se komplementarnim sparivanjem baza. Na primjer, u transkripciji, kada je stanica koristi informacije u genu, DNA sekvenca je preuzet u komplementarnu RNA sekvencu putem privlačenja između DNK i odgovarajućim RNA nukleotida. Obično je to kopija RNA se potom koristi za napraviti odgovarajući slijed proteina u procesu koji se zove prijevod , što ovisi o istom interakcije između RNA nukleotida. U alternativnoj modi, stanica može jednostavno kopirati svoje genetske informacije na DNK replikacije proces naziva. Pojedinosti tih funkcija su pokrivene u drugim člancima; Ovdje je fokus na interakcije između DNK i drugih molekula koje posreduju funkciju genoma.

Geni i genomi

Daljnje informacije: Stanična jezgra , kromatina , kromosoma , gena i nekodirajuće DNK

Genomska DNA čvrsto i uredno je pakiran u procesnoj zove kondenzacija DNK kako bi odgovarao male raspoložive količine stanice. Kod eukariota, DNA se nalazi u jezgri stanica , kao što su male količine u mitohondrijima i kloroplastima . U prokariota, DNK se održati u roku od nepravilnog oblika tijela u citoplazmi zove nukleoid . [93] genetske informacije u genomu se održava u genima, a kompletan set tih podataka u organizmu se zove njegov genotip . Gen je jedinica nasljeđivanja i na područje DNA koji utječe na određenu karakteristiku u organizmu. Geni sadrže otvoreni okvir čitanja koji se mogu transkribirati, kao i regulatornih sekvenci , kao što su promotori i pojačivači , koji kontroliraju transkripciju otvorenog okvira čitanja.

U mnogim vrstama , samo mali dio ukupnog sekvenci genoma kodira protein. Na primjer, samo oko 1,5% ljudskog genoma sastoji se od kodiranje proteina eksona , s više od 50% ljudske DNA se sastoji od nekodirajuće ponavljaju sekvence . [94] Razlog za prisutnost toliko nekodirajuće DNA u eukariotskim genomima i izvanredne razlike u veličini genoma , ili C-vrijednost , među vrstama predstavlja dugogodišnju zagonetku poznat kao " C-vrijednost zagonetke ". [95] Međutim, neki DNA sekvence koje to ne kod proteina još uvijek može kodirati funkcionalan nekodirajuće RNA molekule, koje su uključene u regulaciji ekspresije gena . [96]

T7 RNA polimeraze (plava) proizvodnju mRNA (zeleno) iz DNA kalupa (narančaste). [97]

Neki nekodirajuće DNK sekvence igraju strukturne uloge u kromosomima. Telomere ja centromeraobično sadrže nekoliko Gena, vo Su važni ZA funkciju i stabilnost kromosoma. [64] [98] Bogata spremnik odredišne ​​nekodirajuće DNK u Ljudi Supseudogena, Koje Su kopije Geni Koji Su Je onemogućio mutacije. [99] TE sekvence Su obično Samo molekularnifosili , Iako se ponekad mogu poslužiti Kao Sirovina genetskog materijala Za stvaranje novih Gena Kroz process gena dupliciranja ja razilaženja. [100]

Transkripcija i prijevod

Daljnje informacije: Genetic code , Transkripcija (genetika) A Poliribosomi

GEN Je slijed DNA Koji sadrži genetičke informacije TE može utjecati na fenotiporganizma. Unutar Gena slijed Baza duž DNK definiramessenger RNAsekvence Koja zatim određuje jednu ILI Više proteinskih sekvenci. Odnos Između nukleotidnih sekvenci Gena I.amino-kiselina sekvenci proteina određena Je pravilima prevođenja , Poznatih pod zajedničkim nazivom u genetičkom kodu. Genetski Kod se sastoji OD tri slova "izrazom" zovu kodona nastaju smještena je Niza OD tri nukleotida (NPR ACT, CAG, TTT).

U prepisivanju kodona Gena se kopiraju u RNK Strane RNA polimeraze. This kopija RNK Je tada dekodira pomoćuribosoma Koji glasi RNA sekvence po sparivanja Baza glasnik RNA na prijenos RNA, Koja nosi aminokiseline. Budući da Su 4 Baze u kombinaciji tri slova, postoji 64 mogućih kodona (4 3 kombinacije). Ovi kodiraju Dvadesetstandardnih aminokiselina., What većine aminokiselina Više moguće kodon Tu Su i tri "zaustavljanje" ILI "gluposti" kodona označiti kraj područje kodiranja; Su TAA, TGA, mogu označiti kodona.

DNA replikacije. Dvostruka Spirala odmata sahelikaze ja topoizomeraze. Dalje, JednaDNA polimeraza stvara vodeći cjedilukopiju. Drugi DNA polimeraza veze nacjedilu zaostaju. Ovaj tekst enzim Cini povremena segmente (nazivajuOkazaki fragmenti ) PRIJE DNA ligaze IH spaja.

Odgovor

Daljnje informacije: replikacija DNA

Dijeljenje staniceJe bitno ZA organizam rasti, Ali KADA SE stanica dijeli, Mora ponoviti DNA u genom, Tako da SU DVIJE stanice kćeri imaju Isti genetski informacije Kao njihov roditelj. Struktura dvolančane DNA omogućuje jednostavan mehanizam ZAreplikaciju DNA. Ovdje Su DVIJE trake Su odvojeni, A zatim svaka plaža Jekomplementarna DNA slijed ponovno OD Strane enzima pod nazivom DNA polimeraze. Ovaj tekst enzim Cini komplementarni lanac po pronalaženju ispravne Baze Kroz komplementarne sparivanja Baza, i lijepljenjem na izvornom cjedilu. Kao DNA polimeraza može Samo proširiti lanac DNK u 5 'napraviti 3' smjeru, različiti mehanizmi koriste se kopirati antiparalelni nitima dvostruke spirale. [101] nA Ovaj tekst način, Baza na starim lanaca diktira Koja Je Baza pojavljuje na novi lanac, A stanica završi sa savršenom kopijom svoje DNA.

Izvanstanični nukleinske kiseline

Goli izvanstanični DNA (Edna), većina Je izdana OD Strane stanične smrti, gotovo Je sveprisutan u okoliš. . Njegova koncentracija u TLU može Biti Kao visok Kao 2 ug / L, a njegova koncentracija u prirodnim vodenim sustavima može Biti Kao visok 88 ug / L [102] moguće razne funkcije predloženi Su zA Edna: kako može Biti uključen u horizontalnom Gena prijenos; [103] se može Dati hranjive Molarni višak tvari, [104] , A ​​može djelovati Kao pufer zA zapošljavanje ILI titraciju Jonsko ILI antibiotika [105] ekstracelularnog DNK djeluje Kao funkcionalne komponente ekstracelularnog matriksa ubiofilmabrojnih bakterijskih Vrsta. Da može djelovati Kao Faktor prepoznavanja reguliranja privitak i raspršivanje određenih tipova stanica u biofilma; [106] da može doprinijeti formiranju biofilma; [107] ., A može doprinijeti biofilm fizičku snagu i otpornost na biološki stres [108]

Interakcije s proteinima

SVE funkcije DNA ovisi o interakcijama s proteinima. Teprotein interakcijemogu Biti nespecifični ILI protein može specifično vezati NA jednu DNK. Enzimi mogu vezati na DNA i na njima, polimeraza koje kopiraju DNK Baze sekvencija transkripcije sam replikacije DNK Su posebno važni.

Proteini Koji vežu DNA

Dodatne informacije: DNA-vezujući protein

Nucleosome1.png

Interakcija DNA (prikazano na naranče) s histona(prikazana plavom bojom). Ti proteini, osnovne aminokiseline vežu na kiselih fosfatnih grupa na DNA.

Strukturni proteini Koji vežu DNA Dobro razumjeti primjeri nespecifične DNA-protein interakcije. Unutar kromosoma, DNK se održava u kompleksima SA strukturalnim proteinima. Uslugom Ovi proteini organizirati DNA u kompaktnu strukturu zovekromatina. Kod eukariota se ta structure uključuje DNA vezanje na kompleks malih bazičnih proteina Koji se nazivajuhistoni, DOK Je u prokariota uključeno Više Vrsta proteina, [109] [110] histona se formirao kompleks u obliku diska zovenukleosomKoji sadrži DVIJE potpune zavoja dvostruke uzvojnice DNA omotan Oko svoje površine. Te nespecifične interakcije nastaju bazičnih ostataka u histona stvaranjeionske vezekiseloj šećer-fosfatnoj strukturi DNA, TE Su stoga uvelike neovisna o bazne sekvence. [111] Kemijske modifikacije ovih baznih aminokiselinskih ostataka uključujemetiliranje , fosforilaciju ja acetilacijom. [112] TE kemijske promjene mijenjaju jačinu interakcije Između DNK i histona, what Je Više ILI manje DNA dostupnitranskripcijskih faktoraJa mijenja brzinu transkripcije. [113] Drugi nespecifično DNA- proteini Koji vežu na kromatin uključuju option Proteine ​​Visoke kretanje, Koji se vežu na saviti ILI iskrivljene DNA. [114] Ti proteini važno Kod savijanja nizove nukleosomima posredovanjem IH u većim strukturama koje Cine kromosoma. [115]

Posebnu skupinu proteina DNA-vezujući proteini Su DNA-vezujući Koja se specifično vežu jednolančanu DNA. Kod Ljudi, replikacijaprotein AJe najbolje razumio Član Ove obitelji, A koristi se u postupcima u Kojima Je odvojena dvostruka Spirala, uključujući replikaciju DNA, rekombinacije i popravka DNA. [116] Ti proteini Koji vežu se Cini da se stabilizira jednolančana DNA i štite OD formiranjamatičnih petlje ILI se razgrađuje nukleazama ,

lambda represor helix-turn-helixtranskripcijski Faktor vezan ZA njegov cilj DNK [117]

Nasuprot Tome, Drugi proteini Su se razvili da se vežu na određene sekvence DNA. Najviše se intenzivno proučavali Su se raznifaktori transkripcije, Koja Su proteini Koji reguliraju transkripciju. Svaki transkripcijski Faktor veze na JEDAN određeni Skup DNA sekvenci i Napredne ILI inhibira transkripciju Gena Koji Su Ove sekvence U blizini njihovih promotora. Faktori transkripcije za učiniti na Dva načina. Prvo, ONI mogu vezati RNA polimeraze odgovoran ZA prepisivanje, Bilo izravno ILI Preko drugih posredničkim proteina; . do smješta polimeraze na promotora i omogućuje da započne transkripcija [118] Alternativno, transkripcijski faktori mogu vezatienzimeKoji mijenjaju histona na promotora. OVO mijenja dostupnost DNK predloška na polimeraze. [119]

Kao Ove DNA ciljevi se mogu pojaviti tijekom organizma genoma, promjene u Aktivnosti jednog TIPA transkripcijskog faktora mogu utjecati na tisuće. [120] preme Tome, ti proteini Su često ciljevi ZAprijenosa signala postupaka Koji kontroliraju odgovora na promjene okoline ILI staničnu diferencijacijuI RAZVOJ. Specifičnost interakcija TIH transkripcijskih faktora 's DNK Dolazi Iz bjelančevina čineći Više kontakata na rubovima DNA Baza, dopuštajući im da "čitati" DNK. Većina TIH Baza u interakciji Su u glavnim utor, pri čemu se Baze Su najviše dostupni. [33 ]

Restrikcijskog enzima EcoRV(Zeleno) u kompleks sa supstratom DNK [121]

Enzimi DNA-modificiranje

Nuklezama ja ligaza

Nukleaze Su enzimi koje smanjuju lance DNA kataliziranjem hidrolize OD fosfodiesternim vezama. Nukleazama Koji hidroliziraju nukleotida sa Kraja Lanca DNK zovu seegzonukleaza , DOK endonukleazeizrezati u nitima. Najčešće korišteni nukleaze umolekularnoj biologiji Su restrikcijske endonukleaze, Koji izrezani DNA na specifičnim sekvencama. Na? Poslije, enzim EcoRV prikazan Je na lijevoj prepoznaje 6 Osnovnom slijed 5'-GATATC-3 'ja Cini Rez na vertikale. U prirodi, ovi enzimi štitebakterije Protiv faga infekcijom probavljanje faga DNK KADA uđe u bakterijske stanice, djeluju Kao Dio ograničenje modifikacije sustava. [122] u tehnologiji, TE slijed specifične nukleaze koriste umolekularnim kloniranjem ja DNA fingerprinting ,

Enzimi se zove DNK ligasesmože ponovno rezati ILI lomiti koplja DNA. [123] ligases Su posebno važni üzaostaju cjedilu replikacije DNA, DOK Su se udružiti kratke segmente DNA proizvedene u replikaciji viliceu potpuni primjerak DNA kalupa. Također se koriste ZApopravak DNA ja rekombinacije gena. [123]

Topoizomeraza I helicases

TopoizomerazaSu enzimi s objektivnu nukleazom ja ligaze Aktivnosti. Ovi proteini promijeniti količinusupercoilingu DNA. vima OD TIH enzima rad rezanjem DNK spiralu i dopuštajući JEDAN Dio rotirati, Cime se smanjuje njegovu razinu supercoiling; enzim Onda brtvi pauzu DNA. [45] Drugi tipovi ovih enzima Su sposobni ZA rezanje jedne DNK spiralu, A zatim prolazi Drugi pramen DNA Kroz Ovaj tekst pauze, PRIJE ponovnog spirale. [124] topoizomeraza Su potrebni ZA mnoge procese Koji uključuju DNK, Kao Sto Je DNA replikaciji i transkripciji, [46]

Helicases Su proteini Koji Su Jedna Vrsta molekularne motora. ONI koriste kemijsku energiju unukleozid-trifosfata , uglavnom ATP, Razbiti vodikove veze Između Baze i odmotati na dvostruku uzvojnicu DNA ü jednu nitima. [125] Ti enzimi Su neophodni ZA većinu procesa u Kojima enzimi potrebni ZA access DNK Baze.

polimeraze

Polimeraze Su enzimi Koji sintetiziraju polinukleotidne lance nukleozida trifosfata. Slijed njihovih Proizvoda Su stvorili na temelju postojećih polinuklcotidna lancima-koje se zovu predloške . Ovi enzimi funkcioniraju uzastopnim dodavanjem nukleotida na 3 'hidroksilnu grupuna kraju rastućeg polinukleotidne Lanca. Kao posljedica toga, SVE polimeraze rad u 5 'premom 3' smjeru. [126] Uaktivnom mjestuovih enzima, ulazni nukleozid trifosfat parova Baza na predložak: omogućuje polimeraze DA točno sintetizirati komplementarni lanac njihove predloška, ​​Polimeraze Su klasificirane premom vrsti predloška Koji se služe.

U replikacije DNA, DNA-ovisna DNA polimerazanapraviti kopije DNA polinuklcotidna lanaca. U cilju očuvanja biološke informacije, bitno Je da Je slijed Baza u svaku kopiju upravo Su komplementarni slijed Baza u predlošku cjedilu. Mnogi DNA polimeraze imajulekturaaktivnost. Ovdje Je polimeraza prepoznaje povremene pogreške u sintezi reakcije nedostatka sparivanja Baza Između neusklađenosti nukleotida. Ako se otkrije nepodudarnost, 3 'učiniti 5' aegzonukleazeaktivnost Napredne i netočne Baza uklonjena. [127] U većini organizama, DNA polimeraza of freedom Sig u velikom kompleksu se zovereplisome Koja sadrži Više pomoćnih podjedinica, Kao what Je DNA spona ILI helicases. [128]

RNA ovisne DNA polimeraze Su specijalizirani klasa polimeraza koje kopiraju sekvencu RNA Lanca u DNA. ONI uključujureverzne transkriptaze , Koja Je virusni enzim uključen u infekcije stanica retrovirusi ja telomeraze, Koja Je potrebna ZA replikaciju telomera, [63] [129] telomeraze neobična polimeraze Jr sadrži vlastitu RNA predloška u obliku Dio njegove strukture. [64]

Transkripcija se provodi pomoću DNK-ovisna RNA polimerazaKoja kopira sekvenci DNK u RNK. Za Početak transkripcije Gena, RNA polimeraza veze za slijed DNA zove promotor i razdvaja lance DNK. Za Onda kopira genski slijed uRNK transkripta DOK NE dosegne Regija DNA naziva terminator, GDJE SE zaustavlja i odvaja OD DNK. Kao i Kod ljudske DNA polimeraze DNA-ovisneRNA polimeraze II , Enzima Koji prepisuje da Geni u ljudskom genomu, djeluje Kao Dio velikog proteinskom kompleksus Više regulatornih i pomoćnim podjedinicama. [130]

genetičke rekombinacije

Holliday Junction.svg

Holliday junction coloured.png

Struktura Holliday spoju Srednji u genetičke rekombinacije. Četiri odvojene DNK NiTi Su boje crvena, plava, zelena i žuta. [131]

Daljnje informacije: genetičke rekombinacije

Rekombinacija uključuje lom i ponovnog Dva kromosoma (M i F) ZA PROIZVODNJU DVIJE preurediti kromosoma (C1 i C2).

DNA Spirala se obično NE reagiraju s drugim segmentima DNK, TE u ljudskim stanicama različitih kromosoma i zauzimaju odvojena područja u jezgri pod nazivom " kromosoma teritorija". [132] Za fizičko odvajanje različitih kromosoma Je važno ZA sposobnost DNA of freedom Sig Kao stabilna spremište ZA informacije, Kao JEDAN OD rijetkih trenutaka kromosomi međusobno djeluju ükromosomskim crossovera Koja se događa tijekom spolnog razmnožavanja , Kada Je genetska rekombinacijadogodi. Kromosomska crossover Je KADA DVIJE DNA spirale slomiti, zamijeniti JEDAN DIO, a zatim ponovno.

Rekombinacija omogućuje kromosome ZA razmjenu genetsku informaciju i proizvodi Nove kombinacije Gena, what povećava učinkovitost prirodne selekcijeA može Biti važno u brzi Razvoj novih proteina. [133] genetičke rekombinacije također mogu Biti uključeni u POPRAVAK DNA, posebno u stanične Odgovor na dvostruko cjedilu pauze. [134]

Najčešći spremnik odredišne ​​kromosomske križanja homologna rekombinacija, GDJE Su Dva kromosoma Koji Su uključeni dijele VRLO slične sekvence. Non-homologna rekombinacija može Biti štetno ZA stanice, Kao what se može proizvestikromosomske translokacijeja genetske abnormalnosti. Reakcija rekombinacije katalizira enzima poznatih Kaorecombinases poput RAD51. [135] Prvi Korak u rekombinacije Je dvolančani pauza uzrokovanog sendonukleazomILI oštećenja DNA. [136] Serija koraka katalizirane djelomično OD rekombinazi dovodi učiniti spajanja DVIJE spirale s barem jednimHollidayevih spoju, U kojem JE segmenta jednog Lanca u svakoj spirale Kali komplementarnom lancu u drugom spirale. Holliday čvorište Je tetrahedralnog čvorište strukturu Koja se može pomicati duž para kromosoma, zamjene JEDAN pramen ZA druge. Zatim se reakcija rekombinacije prekinuti cijepanjem čvora i ponovno ligaciju oslobađa DNK. [137]

Evolucija

Daljnje informacije: RNA svijet hipoteza

DNK sadrži genetske informacije koje omogućuje SVIM modernim Živa Bica funkcionirati, rasti i razmnožavati se. Međutim, nejasno Je drzite liniju Dugo Je u 4 milijarde Godina upovijesti životaDNK Je izvršio svoju funkciju, Kao what Je predloženo da Su najraniji oblici Života mogu imati koristi RNK Kao svoj ​​genetski materijal. [138] [139] RNA može djelovati Kao središnji Dio ranogstaničnog metabolizma Kao ŠTO SE može i prenijeti genetsku informaciju i izvode katalizu u sklopu ribosomi. [140] Ovaj tekst drevniRNA svijet GDJE nukleinske kiseline Koji bi bio korišten i ZA katalizu i genetike Su mogle utjecati na evolucijapostojećeg genetskog koda Temelji se na četiri nukleotidnih Baza. Da bi se događa, Jr Je number različitih Baza u takvom organizmu Je trade-off Između malog broja Baza povećava točnost replikacije i Veliki number Baza povećava katalitičke efikasnosti ribosomi. [141] IPAK, NE postoji izravna dokazi o drevnim genetskim sustavima, Kao oporavak DNK Iz većine fosila Je nemoguće, Jr DNK preživljava u okolini ZA manje OD Milijun Godina, ja polako degradirati u kratkim fragmentima u otopini. [142] Potraživanja ZA Starije DNK Su napravljene, OD kojih Su najpoznatiji izvjesce o izolaciji održiv bakterije Iz Soli kristala 250 milijuna Godina, [143] , Ali Ove tvrdnje Su kontroverzne. [144] [145]

Građevni blokovi DNK ( adenin , gvanin ja srodnih organskih molekula ) Mogu Biti extraterrestrially formirana nesigurnosti svemiru. [146] [147] [148] Kompleks DNA iRNA organski spojevi Iz života , Uključujući i uracil , citozin ja timin , Također Su Bili formirana u laboratoriju mahuna uvjetima oponaša onih nesigurnosti vanjskom prostoru , Upotrebom polaznih Kemikalija, Kao Sto Su pirimidina , Pronađena u meteoritima. Pirimidina, Kao japolicikličkih aromatskih ugljikovodika (PAH), najviše ugljik-bogata kemijskim NaCl u svemiru , Možda Su formirana ü crvenim divovima ILI međuzvjezdane prašineja oblaka plina. [149]

Koristi se u tehnologiji

Skulptura DNA napravljen OD kolica

Genetski inženjering

Daljnje informacije: Molekularna biologija , metode nukleinskih kiselina A Genetski inženjering

Razvijene Su metode ZA pročišćavanje DNK organizama, Kao Sto Su ekstrakcija fenola kloroformom ja manipulirati u laboratoriju, Kao what je restrikcijskim digest ja lančane reakcije polimeraze. Modernabiologija ja biokemija Bi intenzivno korištenje TIH tehnika u Tehnologije rekombinantne DNA. Rekombinantne DNKJe ČOVJEK napravio DNA slijed Koji JE sastavljen OD drugih sljedova DNA. Mogu setransformirati u organizmima u obliku plazmida , BSG u odgovarajućem obliku, pomoću uporabe virusnim vektorom. [150] Ugenetski modificirani organizmi proizvodi se mogu koristiti ZA PROIZVODNJU Proizvoda, Kao Sto Su rekombinantni proteini , Koji se koriste u medicinskom istraživanju, [151] ILI SE može uzgajati üpoljoprivredi. [152] [153]

DNA profiliranje

Daljnje informacije: DNA profiliranje

Forenzičari mogu koristiti DNK u krvi , spermi , kože , sline ILI kose pronađene na mjestu zločinaidentificirati odgovarajući DNK pojedinca, Kao Sto JE počinitelja. Ovaj tekst proces • Je formalno nazivaDNK profiliranje , Ali isto Tako se može nazvati " genetskog otiska". U DNK profiliranje, duljina varijabilnih dijelova repetitivne DNA, Kao Sto Sukratke tandem ponavljanja ja minisatellites, Uspoređuju među ljudima. Jajnih stanica Metoda je pozvana obično iznimno pouzdana tehnika ZA identificiranje odgovarajući DNK. [154] IPAK, identifikacija može Biti komplicirano, ako Je scena kontaminirani DNK smještena je nekoliko Ljudi. [155] DNA profiliranje Je razvijen u 1984 OD Strane britanske genetičar sirAlec Jeffreys, [156] , A ​​Prvi stavi se u forenzici osuditi Colin Pitchfork u da 1988Enderby ubojstavaslučaju. [157]

Razvoj forenzične znanosti, i sposobnost da se sada dobila genetski odgovara na minutu uzoraka krvi, kože, sline ILI Kose dovela učiniti preispitivanja velikom broju slučajeva. Dokazi se sada može otkrila da bi not znanstveno moguće u VRIJEME prvobitnog ispitivanja. U kombinaciji s uklanjanjemDouble JeopardyPrava u nekim mjestima, da se može dopustiti slučajevi da se ponovno KADA Su prethodni pokusi nisu uspjeli proizvesti dovoljno dokaza da uvjeri porotu. Ljudi zaduženi ZA teška kaznena Djela može SE tražiti DA daju uzorak DNK ZA odgovarajući svrhe. Najočitiji obranu DNA utakmice dobivenih forenzički Je tvrditi da unakrsne kontaminacije dokaza došlo. Da je dovelo učiniti pedantan strogih postupaka rukovanja s novim slučajevima teškog kriminala. DNA profiliranje također se koristi ZA identifikaciju žrtava masovnih Nezgode incidenata. [158] Osima ŠTO pozitivno identificiranje tijela ILI dijelova tijela u ozbiljnim nesrećama, DNA profiliranje uspješno se koristi ZA identifikaciju pojedinačnih žrtve u masovne grobnice ratnih - odgovara ZA članove obitelji.

DNA profiliranje također koristi u očinstva DNA testiranjeKAKO bi se utvrdilo Je li netko Je biologicalparent ILI djed ILI baka djeteta s vjerojatnosti roditeljstva obično 99,99% KADA SE navodni roditelj biološki ODNOSI SE NA dijete. normální metode DNK sekvenciranja dogoditi NAKON rođenja, Ali tu Su i Nove metode ZA testiranje očinstva, majka Je Jos uvijek trudna. [159]

DNA enzimima ILI katalitički DNA

Daljnje informacije: Deoxyribozyme

Deoxyribozymes, Koji se nazivaju DNAzymes ILI katalitički DNA prvo Otkrivena u 1994. [160] ONI Su uglavnom Jednostruka DNA sekvence izolirane Iz velikog bazena slučajnih sljedova DNA Kroz kombinatorne zabrana attachable pod nazivom in vitro izboru ILISELEX. DNAzymes kataliziraju različite kemijske reakcije, uključujući RNA / cijepanje DNA, RNA / DNA ligacijom, aminokiseline fosforilacije / defosforiliranje, formiranje veza ugljik-ugljik, SL DNAzymes može poboljšati brzinu katalizator kemijskih reakcija to 100000000000 puta Preko uncatalyzed reakciju. [161] najviše proučavanih Skupina DNAzymes Su RNK odcjepljuju DNAzymes Koji se koriste ZA detekciju različitih metalnih Iona i projektiranje terapeutska sredstva. Nekoliko metala specifična DNAzymes Su izvijestili uključujući GR-5 DNAzyme (olovo-specifičan), [160] CA1-3 DNAzymes (Bakar-specifična), [ 162] 39E DNAzyme (uranyl specifični) i NaA43 DNAzyme (natrij-specifične). [163] NaA43 DNAzyme, Koji Je izvijestio da se Više OD 10.000 puta selektivniji ZA natrij nad drugim metalnim ionima, korištena Je da bi natrijev senzor u realnom vremenu u živim stanicama.

Bioinformatika

Daljnje informacije: Bioinformatika

Bioinformatika uključuje Razvoj tehnika ZA pohranu, mina podataka , Pretraživati ​​i manipulacije bioloških podataka, uključujući DNA sekvenca nukleinskihpodataka. ONI Su doveli učiniti Široko primjenjuje Napredak uračunalnoj znanosti , osobito string traži algoritme , strojno učenje ja teoriju baze podataka. [164] String Pretraživanje ILI podudaranje algoritama Koji Nadji pojavu Niza slova unutar većeg slijed slova, razvili Su se tražiti određene sekvence nukleotida. [165] slijed DNA Koji može Bitiusklađen s drugim DNA sekvencama identificirati homolognih sljedova i pronađite određene mutacijekoje IH CINE različitima. Ove Tehnike, A posebnovišestruki poravnanje sekvenci , Koriste se ZA proučavanje filogenetskeodnose i funkcije proteina. [166] PODACI setovi predstavljaju vrijednosti OD sljedova DNA, poput onih u produkciji cijelog genoma 'Human Genome Project, Su teško koristiti bez napomene da Je identificirati lokacije Gena i regulatornih elemenata na svakom kromosomu. Te regije DNA sekvenci koje imaju karakteristične uzorke povezane s protein-ILI RNA-kodiranje Gena mogu se prepoznati pogena pronalaženje algoritmi Koji omogućuju istraživačima predvidjeti prisutnost pojedinih genskih proizvodaJa njihovih mogućih of freedom Sig u organizmu, CAK sam PRIJE Nego Sto Su žuč u izolaciji eksperimentalno. [167] Cijele genomi također može Biti u odnosu, what može baciti Svjetlo na evolucijskoj povijesti pojedinog organizma i dopustiti ispitivanje složenih evolucijskih događaja.

DNK nanotehnologije

Struktura DNA na lijevoj Strani (shematski prikazan) CE samostalno spojiti u strukturi vizualizirani mikroskopa atomskih sila na desnoj Strani. DNK nanotehnologije Je polje koje nastoji osmisliti nano strukture UZ Pomoc molekularnog prepoznavanjasvojstva DNA Molekula. Slika Iz Strong 2004 .

Daljnje informacije: DNK nanotehnologije

DNA nanotehnologija koristi jedinstvena molekulsko prepoznavanjesvojstva DNA i ostalih nukleinskih kiselina ZA stvaranje Samo-sastavljanje razgranate DNA komplekse s korisnim svojstvima. [168] DNA se tada koristi Kao strukturni materijal je NE Kao nosač biološki informacija. Da Je dovelo učiniti stvaranja dvodimenzionalnih periodičnih letvica (i pločica Temelji i pomoću "DNA origami "Metoda), Kao i trodimenzionalne strukture u oblicima poliedra. [169] Nanomechanical uređaji ja algoritamski self-montažeimaju također Je pokazano, [170] , A ​​Ove strukture DNA korišteni Su predložak raspored druge molekule, Kao Sto Suzlato nanočestica ja streptavidinaproteina. [171]

Povijest i antropologija

Daljnje informacije: filogenetike ja Genetska rodoslovlja

Zbog DNA prikuplja mutacije tijekom vremena, koje se zatim naslijeđene, sadrži povijesne podatke, A usporedbom sljedova DNA, genetičari mogu zaključiti evolucijsku povijest organizama, njihov filogenija. [172] Ovaj tekst polje filogenetike Je Močan alat üevolucijske biologije, Usporede li se DNA sekvence unutar types,populacijski genetičarimogu naučiti povijest pojedinih populacija. Da se može koristiti u ispitivanjima u rasponu ODekoloških genetike ZA antropologiju; Na? Poslije, DNK dokazi koristi se pokušati identificiratiDeset izgubljenih plemena Izraela. [173] [174]

skladištenje Informacije

Glavni članak: DNK pohranu digitalnih podataka

U Radu objavljenom u Nature u siječnju 2013. GODINE, znanstvenici Iž europskih Bioinformatika Instituta ja tehnologija Agilentpredložio mehanizam ZA korištenje sposobnost otkrivanja DNK ZA kodiranje informacije Kao sredstvo ZA digitalnu pohranu podataka. Grupa Je u mogućnosti ZA kodiranje 739 kilobajta podataka u DNK kodu, sintetizirati Stvarni DNK, A zatim sekvenciranje DNA i dekodirati podatke natrag u izvornom obliku, s prijavljenim 100% točnost. Kodirani podatak sastojao OD tekstualnih datoteka i audio datoteka. Prethodni Pokus Je objavljena u kolovozu 2012. GODINE Je provedena OD Strane istraživača nasveučilištu Harvard, GDJE Je tekst o 54.000-RIJEČ knjige, kodirao polukružno DNA. [175] [176]

Povijest istraživanja DNK

Daljnje informacije: Povijest molekularne biologije

James Watson ja Francis Crick (Desno), ko-pokretači na double-helix modela, s Maclyn McCarty (Lijevo).

Olovka skica dvostruke spirale DNK prodora Francis Crick 1953. GODINE

DNK Je Prvi staviti izoliran švicarski liječnik Friedrich Miescher Koji Su u 1869., otkrio mikroskopski Molarni višak tvari u gnoj odbačenih kirurških zavoja. Kao what Je boravio u jezgrama stanica, na šta je to nazvao "nukleinskih". [177] [178] U 1878,Albrecht Kossel izolirani ne-proteinska komponenta "nukleinskih", nukleinske kiseline, A kasnije izolirati svojih ljubimac osnovnih nukleobaze. [179] [180] U 1919, Apolon Levene identificirani Osnovnom, šećera i fosfata nukleotida jedinicu. [181] Levene sugerirao DA DNA se sastoji OD Niza nukleotida jedinica povezanih Zajedno Kroz fosfatnih grupa. Levene mislio da Je lanac bio Je kratak sam Baze ponavljaju u određenom redoslijedu. GODINE 1937.,William Astburydaju prve uzorke rendgenske difrakcije Koji Su pokazali da DNK IMA redovite strukturu. [182]

GODINE 1927. Nikolaj Koltsovpredložio da naslijeđene osobine bi se nasljeđuje putem "div nasljedne molekule" Koji se sastoji od "Dva zrcala NiTi da CE repliciraju u polu-konzervativan način koristeći svaki lanac Kao kalup". [183] ​​[184] U 1928,Frederick Griffith u svom eksperimentu otkrili da osobineobrasca "glatko" OD pneumokoka mogu se prenijeti na "Grube" spremnik odredišne ​​iste bakterije miješanjem ubili "glatko" bakterije UZ LIVE "Grube" obliku. [185] [186] Ovaj tekst sustav pod uvjetom da Je Prvi jasan prijedlog da DNK nosi genetske informacije- oAvery-MacLeod-McCarty eksperiment -Kada Oswald Avery , Zajedno sa suradnicima Colin MacLeod ja Maclyn McCarty , Identificiran DNK Kao princip preobražajnuu 1943. [187] uloge DNK unasljedstvo Je potvrđeno 1952. GODINE, KADA Je Alfred Hershey ja Martha Chase u Hershey-Chase eksperiment Je pokazao da Je DNK Je genetski materijal OD T2 faga. [188]

GODINE 1953. James Watson ja Francis Crick Je predložio Ono what Je Sada prihvaćeno Kao Prvi ispravan dvostruko modelu spirale strukture DNAu časopisu Nature . [10] Njihov dvostruko zavojnica, molekularni Model DNA Je tada temelju jednogX-ray difrakcija slike (označene Kao " foto 51") [189] poduzetiRosalind Franklin ja Raymonda Gosling u svibnju 1952. GODINE, Kao ja informacija dA Su DNK Baze u paru.

Eksperimentalni dokazi Koji bi poduprli Watson i Crick modela objavljen Je u nizu OD ljubimac članaka nesigurnosti u istom izdanju prirode . [190] OD TIH, Franklin sam Gosling PAPIR JE bio Prvi objavljivanje vlastitih podataka rendgenske difrakcije sam originalna analiza Metoda Koja djelomično podržao Watson i Crick modela ; [49] [191] na Pitanje također Je sadržavao članak o strukturi DNAMaurice Wilkinsja dvojica njegovih Kolega, čija Je analiza i in vivo B-DNA rentgenski uzorci također podržan prisutnost in vivo OD DNA konfiguracija dvostruko spiralni koje Je predložila Crick i Watson ZA njihovo dvostruko spirale molekularne modelu DNK u prethodne DVIJE pozna prirode . [50] GODINE 1962., NAKON Franklina smrti, Watson, Crick i Wilkins Zajednički dobioNobelovu nagradu nagrada za fiziologiju ili medicinu. [192] Nobelove Nagrade se dodjeljuju Samo za žive primatelja. Rasprava se nastavlja o Tome TKO bi trebao dobiti kredit ZA otkriće. [193]

U utjecajnog prezentacije polukružno 1957, Crick izložio Je središnji dogmu molekularne biologije, Koja prorekao odnos Između DNA, RNA i proteina, A artikulirao "adaptera tezu". [194] Završna potvrda mehanizam replikacije Koji Je podrazumijevao dvostruki spiralni structure slijedi 1958. GODINE Kroz Meselson-Stahl eksperimenta. [195] Nadalje rad Crick i suradnici pokazali Su da genetski Kod se Temelji na ne-preklapajuće trojke bazama, pod nazivom kodona, CimeHar Gobind Khorana , Robert W. Holley ja Marshall Warren Nirenbergdešifrirati genetski Kod. [196] Ovi RESULTS predstavljaju rođenje molekularne biologije.