Deoxyribonucleic Acid (DNA): Model, chemische samenstelling en transformatie-experimenten

Lees dit artikel om meer te weten te komen over het DNA-model, de chemische samenstelling en de transformatie van DNA!

Deoxyribonucleïnezuur (DNA):

DNA wordt gevonden in de cellen van alle levende organismen behalve in sommige plantenvirussen. In bacteriofagen en virussen is er een centrale kern van DNA die is ingesloten in een eiwitlaag. In bacteriën en in mitochondria en plastiden van eukaryotische cellen is DNA cirkelvormig en ligt naakt in het cytoplasma.

In de kernen van eukaryote cellen komt DNA voor in de vorm van lange spiraalvormig opgerolde en niet-vertakte draden, de chromosomen. In de chromosomen wordt DNA gevonden in combinatie met eiwitten die nucleoproteïnen vormen, het chromatine-materiaal. Verschillende lijnen van indirecte bewijzen hebben lang gesuggereerd dat DNA de genetische informatie van levende organismen bevat.

De belangrijkste resultaten verkregen met behulp van verschillende experimentele procedures toonden aan dat het grootste deel van het DNA zich in de chromosomen bevindt, terwijl RNA en eiwitten meer voorkomen in het cytoplasma. Bovendien bestaat er een precieze correlatie tussen de hoeveelheid DNA per cel en het aantal sets chromosomen per cel.

De meeste somatische cellen van diploïde organismen bevatten bijvoorbeeld precies twee keer zoveel DNA als de haploïde kiemcellen of gameten van dezelfde soort. Ten slotte is de moleculaire samenstelling van het DNA in alle verschillende cellen van een organisme hetzelfde (met zeldzame uitzonderingen), terwijl de samenstelling van RNA en eiwitten zowel kwalitatief als kwantitatief van het ene celtype naar het andere varieert. Hoewel deze correlaties sterk suggereren dat DNA het genetische materiaal is, bewijzen ze het in geen geval. Direct bewijs heeft aangetoond dat de genetische informatie gecodeerd is in het DNA.

Transformatie Experimenten:

Transformatie-experimenten werden aanvankelijk uitgevoerd door Frederick Griffith in 1928. Hij injecteerde een mengsel van twee stammen van pneumococcus (Diplococcus pneumoniae) in muizen. Eén van deze twee stammen, SIII was virulent en de andere stam R II was niet-virulent. Door hitte gedode virulente stam SIII veroorzaakte, wanneer individueel geïnjecteerd, geen dood, hetgeen aantoont dat infectiviteit na het doden van warmte verloren is gegaan.

De muizen geïnjecteerd met een mengsel van RII (levend) en S III (door warmte gedood) stierven en virulente pneumococci konden uit deze muizen worden geïsoleerd. De conclusie was dat sommige componenten van de dode SIII-cellen (het transformerende principe) geconverteerde levende RII-cellen moeten hebben in S III.

OT Avery, CM MacLeod en M. McCarty herhaalden in 1944 de experimenten van Griffith in een in vitro systeem en produceerden het eerste directe bewijs dat het genetische materiaal DNA is in plaats van eiwit of RNA. Ze toonden aan dat het onderdeel van de cel dat verantwoordelijk is voor het fenomeen van transformatie in de bacterie Diplococcus pneumoniae DNA is. Deze experimenten omvatten het gebruik van enzymen die DNA, RNA of eiwit afbreken.

In afzonderlijke experimenten werd in hoge mate gezuiverd DNA van SIII-cellen behandeld met:

(1) Deoxyribonuclease (DNAase) dat DNA afbreekt,

(2) Ribonuclease (RNAase) dat RNA of

(3) Proteasen (die eiwitten afbreken) en vervolgens getest op het vermogen ervan om RII-cellen in SIII te transformeren. Alleen DNAase had geen effect op de transformerende activiteiten van het DNA-preparaat, het elimineerde volledig alle transformerende activiteit. Deze experimenten gaven dus aan dat DNA en niet de eiwitten of RNA het genetische materiaal is.

Aanvullend direct bewijs dat aangeeft dat DNA het genetische materiaal is, werd aangetoond door AD Hershey en MJ Chase in bacteriofaag T2.

Chemische samenstelling van DNA:

Chemische analyses hebben aangetoond dat DNA is samengesteld uit drie verschillende soorten moleculen.

1. Fosforzuur (H3P04) heeft drie reactieve (-OH) groepen waarvan er twee betrokken zijn bij het vormen van de suikerfosfaatruggengraat van DNA.

2. Pentosesuiker:

DNA bevat 2'-deoxy-D-ribose (of eenvoudigweg deoxyribose) wat de reden is voor de naam deoxyribose-nucleïnezuur.

3. Organische basen:

De organische basen zijn heterocyclische verbindingen die stikstof in hun ringen bevatten; vandaar dat ze ook stikstofhoudende basen worden genoemd. DNA bevat gewoonlijk vier verschillende basen genaamd adenirie (A), guanine (G), thymine (T) en cytosine (C).

Deze vier basen zijn gegroepeerd in twee klassen op basis van hun chemische structuur:

(1) pyrimidine (T en C) en

(2) purine (A, G).

In DNA worden vier verschillende nucleosiden gevonden. Dit zijn:

(i) deoxycytidine

(ii) deoxythy-midine,

(iii) deoxyadenosine en

(iv) deoxyguanosine.

Evenzo zijn vier nucleotiden in DNA:

(i) deoxycytidylzuur of deoxcytidylaat,

(ii) deoxythymidylzuur of deoxythymidylaat,

(iii) deoxyadenylzuur of deoxyadenylate en

(iv) deoxyguanylzuur of deoxyguanylaat.

Toen de samenstelling van DNA uit veel verschillende organismen werd geanalyseerd door E. Chargaff en collega's (1950), werd vastgesteld dat (i) ongeacht de bron de purine- en pyrimidinecomponenten in gelijke hoeveelheden voorkomen in een molecuul, (ii) hoeveelheid adenine (A) is equivalent aan de hoeveelheid thymine (T) en van cytosine (C) is equivalent aan die van guanine (G) en (iii) de basisverhouding A + T / G + C is constant voor een bepaalde soorten.

Het Watson en Crick Double Helix-model van DNA:

De structuur van het DNA werd voor het eerst afgeleid door JD Watson en FH Crick in 1953. Op basis van de gegevens van Chargaff, suggereerden Wilkins en Franklin's röntgendiffractiebevindingen en gevolgtrekkingen van hun eigen modelgebouwen, Watson en Crick dat DNA bestaat als een dubbele helix waarin de twee polynucleotideketens in een spiraal om elkaar gewikkeld zijn.

Elke polynucleotideketen bestaat uit een sequentie van nucleotiden die aan elkaar zijn gekoppeld door fosfodiesterbindingen, waarbij aangrenzende deoxyribose-eenheden worden gevormd. De twee polynucleotide-strengen worden bij elkaar gehouden in hun spiraalvormige configuratie door waterstofbinding tussen basen in tegenoverliggende strengen, waarbij de resulterende basenparen worden gestapeld tussen de twee ketens loodrecht op de as van het molecuul zoals de stappen van een spiraalvormige ladder.

De basenparing is specifiek, adenine wordt altijd gepaard met thymine en guanine wordt altijd gepaard met cytosine. Aldus bestaan ​​alle basenparen uit één purine en één pyrimidine. De specificiteit van basenparing resulteert uit de waterstofbindingscapaciteiten van de basen, in hun normale configuraties.

In hun meest voorkomende structurele configuraties vormen adenine en thymine twee waterstofbruggen en vormen guanine en cytosine drie waterstofbruggen. Analoge waterstofbinding tussen cytosine en adenine is bijvoorbeeld in het algemeen niet mogelijk.

Als de sequentie van basen in één streng van een dubbele DNA-helix bekend is, is de sequentie van basen in de andere streng ook automatisch bekend vanwege de specifieke basenparing. Van de twee strengen van een dubbele helix wordt dus gezegd dat ze complementair zijn (niet identiek); het is deze eigenschap, complementariteit van de twee strengen, die DNA uniek geschikt maakt voor het opslaan en verzenden van genetische informatie.

De baseparen in DNA worden 3, 4A ° uit elkaar gestapeld met 10 baseparen per draai (360 °) van de dubbele helix. De suikerfosfaathoofdketens van de twee complementaire strengen zijn antiparallel; dat wil zeggen dat ze een tegenovergestelde chemische polariteit hebben.

Wanneer een unidirectioneel beweegt langs een dubbele DNA-helix, gaan de fosfodiesterbindingen in één streng van een 3'-koolstofatoom van één nucleotide naar een 5'-koolstofatoom van het aangrenzende nucleotide, terwijl die in de complementaire streng van een 5'-koolstof naar 3'-koolstof gaan .

De A, B en Z vorm van DNA:

De overgrote meerderheid van de DNA-moleculen die aanwezig zijn in de waterige protoplasma's van levende cellen, bestaat vrijwel zeker in de Watson-Crick dubbele helix-vorm die hierboven is beschreven. Dit wordt de B-vorm van DNA genoemd en toont rechtshandig oprollen. Het bevat 10, 4 basenparen per beurt (in plaats van de 10 hierboven genoemd). Gedehydrateerd DNA komt voor in de A-vorm, die ook een rechtshandige helix is, maar het heeft 11 basenparen per beurt.

Bepaalde DNA-sequenties komen voor in de Z-vorm, die linkshandig oprollen toont, bevat 12 basenparen per beurt. In Z-DNA volgt de suikerfosfaatruggengraat een zigzaggend pad dat de naam Z-DNA of Z-vorm geeft.

Specifieke segmenten van een DNA-molecuul kunnen conformationele veranderingen ondergaan van de B-vorm naar de Z-vorm en omgekeerd; deze veranderingen kunnen worden veroorzaakt door een aantal specifieke regulatorische eiwitten. Er wordt verondersteld dat het Z-vorm-DNA een rol speelt bij genregulatie.

Bewijzen ter ondersteuning van de dubbele spiraalvormige DNA-structuur:

De dubbele helixstructuur van DNA gegeven door Waston en Crick wordt ondersteund door de volgende bewijzen.

1. MHF Wilkins en zijn collega's bestudeerden DNA met behulp van röntgenkristallografie en ondersteunden de dubbele helixstructuur ervan.

2. Kornberg en zijn medewerkers probeerden DNA te synthetiseren in een medium dat vrij is van DNA in de aanwezigheid van enzym DNA-polymerase en nucleotiden, de bouwstenen van DNA. Ze vonden dat in een DNA-vrij medium met alle noodzakelijke verbindingen DNA-synthese niet voorkomt. Alleen wanneer enig DNA als een primer aan hetzelfde medium werd toegevoegd, begon de DNA-synthese.