Die Desoxyribonukleinsäure oder DNA ist ein Makromolekül , das in fast allen Zellen und in vielen Viren biologisch vorhanden ist . DNA enthält alle genetischen Informationen, die als Genom bezeichnet werden und die Entwicklung, Funktion und Reproduktion von Lebewesen ermöglichen . Es ist eine Nukleinsäure wie Ribonukleinsäure (RNA). Nukleinsäuren sind neben Peptiden und Kohlenhydraten eine der drei Hauptfamilien von Biopolymeren, die für alle bekannten Lebensformen essentiell sind.
DNA-Moleküle in lebenden Zellen bestehen aus zwei antiparallelen Strängen, die umeinander gewickelt sind, um eine Doppelhelix zu bilden . DNA soll doppelsträngig oder doppelsträngig sein. Jeder dieser Stränge ist ein Polymer, das als Polynukleotid bezeichnet wird . Jedes Monomer , aus dem es besteht, ist ein Nukleotid , das aus einer Nukleinsäurebase oder einer stickstoffhaltigen Base - Adenin (A), Cytosin (C), Guanin (G) oder Thymin (T) - gebildet wird, die an eine Ose gebunden ist - hier die Desoxyribose - sich auf eine verknüpfte Phosphatgruppe . Polymerisierte Nukleotide sind durch kovalente Bindungen zwischen der Desoxyribose eines Nukleotids und der Phosphatgruppe des nächsten Nukleotids miteinander verbunden und bilden so eine Kette, in der sich Osen und Phosphate abwechseln, wobei die Nukleinsäurebasen jeweils an eine Ose gebunden sind. Die Reihenfolge, in der die Nukleotide entlang eines DNA-Strangs aufeinander folgen, bildet die Sequenz dieses Strangs. Es ist diese Sequenz, die genetische Information trägt. Dies ist in Gene strukturiert , die durch Transkription in RNA exprimiert werden . Diese RNAs können nicht codierend sein - insbesondere Transfer- RNA und ribosomale RNA - oder auch codierend: In diesem Fall handelt es sich um Messenger-RNAs , die von Ribosomen in Proteine übersetzt werden . Die Abfolge von Nukleinsäurebasen auf DNA bestimmt die Abfolge von Aminosäuren, die die aus diesen Genen resultierenden Proteine bilden. Die Entsprechung zwischen Nukleinsäurebasen und Aminosäuren ist der genetische Code . Alle Gene eines Organismus bilden sein Genom .
Die Nukleinsäurebasen eines DNA-Strangs können mit den Nukleinsäurebasen eines anderen DNA-Strangs über Wasserstoffbrückenbindungen interagieren , die die Paarungsregeln zwischen Basenpaaren bestimmen : Adenin- und Thyminpaar über zwei Wasserstoffbrückenbindungen, während Guanin und Cytosinpaar mittels drei Wasserstoffbrücken. Normalerweise paaren sich Adenin und Cytosin nicht wie Guanin und Thymin. Wenn die Sequenzen der beiden Stränge komplementär sind, können sich diese Stränge zu einer charakteristischen doppelsträngigen helikalen Struktur paaren, die als DNA-Doppelhelix bezeichnet wird. Diese Doppelhelix eignet sich gut zur Speicherung genetischer Informationen: Die Ose-Phosphat-Kette ist resistent gegen Spaltungsreaktionen ; Darüber hinaus werden die Informationen auf den beiden Strängen der Doppelhelix dupliziert, was es ermöglicht, einen beschädigten Strang von dem anderen Strang zu reparieren, der intakt geblieben ist. Schließlich kann diese Information durch einen Mechanismus kopiert werden, der als DNA-Replikation bezeichnet wird, bei dem eine DNA-Doppelhelix getreu in eine andere Doppelhelix kopiert wird, die dieselbe Information trägt. Dies geschieht insbesondere während der Zellteilung : Jedes DNA-Molekül der Mutterzelle wird in zwei DNA-Moleküle repliziert, wobei jede der beiden Tochterzellen einen vollständigen Satz von DNA-Molekülen erhält, wobei jedes Spiel mit dem anderen identisch ist.
In Zellen ist DNA in Strukturen organisiert, die als Chromosomen bezeichnet werden . Diese Chromosomen arbeiten daran, die DNA mithilfe von Proteinen , insbesondere Histonen , kompakter zu machen , die zusammen mit Nukleinsäuren eine Substanz namens Chromatin bilden . Chromosomen sind auch an der Regulation der Genexpression beteiligt, indem sie bestimmen, welche Teile der DNA in RNA transkribiert werden sollen . In Eukaryoten ( Tiere , Pflanzen , Pilze und Protisten ) ist DNA im Wesentlichen im Zellkern enthalten, wobei ein Teil der DNA auch in Mitochondrien sowie in Pflanzen in Chloroplasten vorhanden ist . In Prokaryoten ( Bakterien und Archaeen ) ist DNA im Zytoplasma enthalten . In Viren , die DNA enthalten, wird sie im Kapsid gespeichert . Unabhängig vom betrachteten Organismus wird die DNA während der Reproduktion übertragen : Sie spielt die Rolle der Unterstützung für die Vererbung . Die Modifikation der Basensequenz eines Gens kann zu einer genetischen Mutation führen , die je nach Fall vorteilhaft, ohne Konsequenz oder schädlich für den Organismus oder sogar mit seinem Überleben unvereinbar sein kann. Beispielsweise ist die Modifikation einer einzelnen Base eines einzelnen Gens - der von β-Globin , einer Proteinuntereinheit von Hämoglobin A - des menschlichen Genotyps für die Sichelzellenanämie verantwortlich , eine genetisch bedingte Krankheit, die weltweit am weitesten verbreitet ist.
DNA ist ein langes Polymer, das durch Wiederholung von Monomeren gebildet wird, die als Nukleotide bezeichnet werden . Die erste DNA wurde 1869 vom Schweizer Friedrich Miescher aus dem Zellkern der weißen Blutkörperchen identifiziert und isoliert . Seine Doppelhelixstruktur wurde 1953 vom Briten Francis Crick und dem Amerikaner James Watson anhand experimenteller Daten demonstriert, die von der Britin Rosalind Franklin und Maurice Wilkins erhalten wurden . Diese allen Spezies gemeinsame Struktur besteht aus zwei helikalen Polynukleotidketten, die um eine gemeinsame Achse umeinander gewickelt sind, mit einem Abstand von ungefähr 3,4 nm bei einem Durchmesser von ungefähr 2,0 nm . Eine andere Studie, die die geometrischen Parameter der DNA in Lösung misst, ergibt einen Durchmesser von 2,2 bis 2,6 nm mit einer Länge pro Nukleotid von 0,33 nm . Obwohl jedes Nukleotid sehr klein ist, können DNA-Moleküle Millionen von ihnen enthalten und zu signifikanten Größen wachsen. Beispielsweise enthält menschliches Chromosom 1 , das größte menschliche Chromosom , ungefähr 220 Millionen Basenpaare mit einer linearen Länge von über 7 cm .
In lebenden Zellen existiert DNA im Allgemeinen nicht in einzelsträngiger ( einzelsträngiger ) Form, sondern in doppelsträngiger (doppelsträngiger) Form mit einer Doppelhelixkonfiguration. Die Monomere , aus denen jede DNA - Strang umfassen ein Segment der Desoxyribose - Phosphatkette und eine Nukleinbase mit dem Desoxyribose verknüpft. Das Molekül, das aus der Bindung einer Nukleinsäurebase an eine Ose resultiert, wird als Nukleosid bezeichnet . die Zugabe von 2.59 Phosphatgruppen auf die Dosis eines Nukleosids bildet eine Nukleotid . Ein Polymer, das aus der Polymerisation von Nukleotiden resultiert, wird als Polynukleotid bezeichnet . DNA und RNA sind Polynukleotide.
Die Ose, die das Rückgrat des Moleküls bildet, ist 2'-Desoxyribose , ein Derivat der Ribose . Dieser Pentose Wechsel mit Phosphatgruppen unter Bildung von Phosphodiester - Bindungen zwischen Atomen n o 3 ‚und n o 5‘ Resten benachbart Desoxyribose. Aufgrund dieser asymmetrischen Bindung sind DNA-Stränge sinnvoll. In einer Doppelhelix sind die beiden DNA-Stränge in entgegengesetzte Richtungen gerichtet: Sie sollen antiparallel sein . Die 5 'nach 3' - Richtung eines DNA - Strang bezeichnet , daß eine in herkömmlicher Weise von dem Ende trägt Phosphatgruppe -PO 3 2- gegen Ende mit einer Hydroxylgruppe -OH; In diesem Sinne wird DNA durch DNA-Polymerasen synthetisiert . Einer der Hauptunterschiede zwischen DNA und RNA ist die Tatsache, dass der Mut des Skeletts des Moleküls bei RNA Ribose anstelle von DNA-Desoxyribose ist, was sich auf die Stabilität und Geometrie dieses Makromoleküls auswirkt .
Die DNA-Doppelhelix wird im Wesentlichen durch zwei Kräfte stabilisiert: die Wasserstoffbrücken zwischen den Nukleotiden einerseits und die Stapelwechselwirkungen der aromatischen Ringe der Nukleinsäurebasen andererseits. In der wässrigen Umgebung der Zelle richten sich die konjugierten π-Bindungen dieser Basen senkrecht zur Achse des DNA-Moleküls aus, um ihre Wechselwirkungen mit der Solvatationsschicht und damit ihre freie Enthalpie zu minimieren . Die vier konstituierenden Nukleotide der DNA sind Adenin (A), Cytosin (C), Guanin (G) und Thymin (T), die jeweils die folgenden vier Nukleotide bilden , aus denen die DNA besteht:
Die vier Nukleinsäurebasen der DNA sind von zwei Arten: einerseits die Purine - Adenin und Guanin -, die bicyclische Verbindungen sind, die zwei Heterocyclen mit fünf bzw. sechs Atomen umfassen, andererseits die Pyrimidine - Cytosin und Thymin - die monocyclisch sind Verbindungen, die einen Heterocyclus mit sechs Atomen umfassen. Die Basenpaare der DNA-Doppelhelix bestehen aus einem Purin, das über zwei oder drei Wasserstoffbrücken mit einem Pyrimidin interagiert :
Aufgrund dieser Komplementarität wird die gesamte genetische Information, die von einem der Stränge der DNA-Doppelhelix getragen wird, auch identisch auf dem anderen Strang übertragen. Auf diesem Prinzip basiert der Mechanismus der DNA-Replikation , und auf dieser Komplementarität zwischen den Nukleinsäurebasen basieren alle biologischen Funktionen der DNA in lebenden Zellen.
Die DNA einiger Viren , wie der Bakteriophagen PBS1 und PBS2 von Bacillus subtilis , des Bakteriophagen φR1-37 von Yersinia und des Phagen S6 von Staphylococcus , kann Thymin durch Uracil ersetzen , ein Pyrimidin, das normalerweise für RNA charakteristisch ist, aber normalerweise in der DNA fehlt Es wird nur als Abbauprodukt von Cytosin gefunden.
Die Nukleobasen paaren häufiger durch die Formbasenpaare „Watson-Crick“ genannt , entspricht , zwei oder drei Wasserstoffbrückenbindungen , die zwischen zwei Basen orientieren Anti zum Rest von Desoxyribose . Es können jedoch auch Wasserstoffbrücken zwischen einem syn-orientierten Purin und einem anti-orientierten Pyrimidin hergestellt werden : In diesem Fall handelt es sich um eine Hoogsteen-Paarung . Ein Watson-Crick-Basenpaar kann auch Wasserstoffbrücken vom Hoogsteen-Typ mit einer dritten Base herstellen, wodurch dreisträngige DNA-Strukturen gebildet werden können.
Nur einer der Stränge eines DNA-Segments, aus dem ein Gen besteht, wird in funktionelle RNA transkribiert , so dass die beiden Stränge eines Gens nicht äquivalent sind: Derjenige, der in funktionelle RNA transkribiert wird, soll eine negative Polarität haben und eine Antisense- Sequenz tragen . während der komplementäre Strang - der auch in RNA transkribiert werden kann, aber nicht funktionell ist - eine positive Polarität haben soll und eine Sense-DNA-Sequenz trägt. Der in funktionelle RNA transkribierte Strang wird manchmal als codierender Strang bezeichnet. Diese Bezeichnung gilt jedoch nur innerhalb eines bestimmten Gens, da die beiden Stränge derselben DNA -Doppelhelix unterschiedliche Proteine codieren können. wir sprechen dann von ambisense strängen. RNAs werden auch von Sense-DNA-Sequenzen - daher Antisense-RNA-Sequenzen - sowohl in Prokaryoten als auch in Eukaryoten transkribiert , aber ihre biologische Rolle ist nicht vollständig aufgeklärt; Eine der Hypothesen ist, dass diese Antisense-RNAs durch die Paarung zwischen Sense- und Antisense-RNA-Sequenzen, die per Definition komplementär sind, in die Regulation der Genexpression eingreifen könnten .
Die Unterscheidung zwischen Sense- und Antisense-DNA-Strängen ist bei bestimmten Arten überlappender Gene verwischt , was bei Prokaryoten und Eukaryoten recht selten ist, bei Plasmiden und Viren jedoch häufiger , bei denen beide Stränge desselben DNA-Segments jeweils für eine unterschiedliche funktionelle RNA kodieren. Bei Bakterien kann diese Überlappung eine Rolle bei der Regulierung der Gentranskription spielen, während bei Viren überlappende Gene die Menge an genetischer Information erhöhen, die in der geringen Größe des viralen Genoms codiert werden kann.
Die freigesetzte DNA kann linear sein, wie es typischerweise bei Eukaryoten der Fall ist , oder zirkulär, wie bei Prokaryoten . Es kann jedoch sein verdreht in eine teilweise komplexen Art und Weise unter der Wirkung der Einführung von zusätzlichen Propellern Windungen oder der Entfernung von Windungen in der Doppelhelix . Die so unter dem Einfluss positiver oder negativer Superturns supergewickelte DNA-Doppelhelix weist eine in Bezug auf ihren entspannten Zustand jeweils verkürzte oder verlängerte Tonhöhe auf : im ersten Fall sind die Nukleinsäurebasen kompakter angeordnet; im zweiten Fall hingegen interagieren sie weniger eng. In vivo zeigt DNA typischerweise eine leicht negative Superwicklung unter der Wirkung von Enzymen, die als DNA-Topoisomerasen bezeichnet werden. Diese sind auch wesentlich für die Lockerung der in die DNA eingebrachten Spannungen während Prozessen, bei denen die Doppelhelix abgewickelt wird, um sie von den beiden Strängen zu trennen , wie dies insbesondere der Fall ist Fall während der DNA-Replikation und während ihrer Transkription in RNA .
Da Wasserstoffbrücken keine kovalenten Bindungen sind , können sie leicht aufgebrochen werden. Es ist somit möglich , die beide zu trennen Stränge des DNA - Doppelhelix , wie ein Reißverschluß sowohl mechanisch als auch unter der Einwirkung von hohen Temperaturen sowie bei niedrigem Salzgehalt , bei hohen pH - Grundlösung - und bei niedrigeren pH - saure Lösung , die verändert jedoch die DNA insbesondere durch Depurinierung. Diese Trennung von Strängen doppelsträngiger DNA zu zwei einzelsträngigen DNA-Molekülen wird als DNA- Fusion oder Denaturierung bezeichnet . Die Temperatur, bei der 50% der doppelsträngigen DNA in zwei einzelsträngige DNA-Moleküle dissoziiert werden, wird als Schmelztemperatur oder Halbdenaturierungstemperatur der DNA bezeichnet und mit T m bezeichnet . Sie kann gemessen werden, indem die optische Absorption der die DNA enthaltenden Lösung bei 260 nm verfolgt wird : Diese Absorption nimmt während der Fehlpaarung zu, was als Hyperchromie bezeichnet wird . Die freigesetzten einzelsträngigen DNA-Moleküle haben keine bestimmte Konfiguration, aber einige dreidimensionale Strukturen sind stabiler als andere.
Die Stabilität einer DNA-Doppelhelix hängt im Wesentlichen von der Anzahl der Wasserstoffbrückenbindungen ab , die aufgebrochen werden müssen, um die beiden Stränge zu trennen. Je länger die Doppelhelix ist, desto stabiler ist sie. Da die G C -Paare jedoch durch drei Wasserstoffbrücken anstelle von zwei für die A T -Paare verbunden sind , nimmt die Stabilität doppelsträngiger DNA-Moleküle gleicher Länge mit der Anzahl der darin enthaltenen G C -Paare zu , gemessen an ihrer Geschwindigkeit. durch GC . Dieser Effekt wird durch die Tatsache verstärkt, dass die Stapelwechselwirkungen zwischen Nukleinsäurebasen desselben DNA-Strangs zwischen Guanin- und Cytosinresten stärker sind , so dass die DNA- Sequenz auch deren Stabilität beeinflusst. Die Schmelztemperatur der DNA hängt daher von der Länge der Moleküle, ihrem GC-Gehalt, ihrer Sequenz, ihrer Konzentration im Lösungsmittel und der Ionenstärke darin ab. In der Molekularbiologie wird beobachtet, dass die Segmente doppelsträngiger DNA, deren Funktion impliziert, dass sich die beiden Stränge der Doppelhelix leicht trennen können, eine hohe Rate an A T -Paaren aufweisen : Dies ist der Fall bei der für Pribnow typischen TATAAT-Sequenz Box einiger Promotoren .
Die beiden DNA- Stränge bilden eine Doppelhelix, deren Rückgrat zwei Rillen bildet. Diese Rillen grenzen an Basenpaare an und bieten wahrscheinlich eine Bindungsstelle für verschiedene Moleküle. Da die DNA-Stränge nicht symmetrisch zur Achse der Doppelhelix positioniert sind, definieren sie zwei Furchen ungleicher Größe: Die Hauptfurche ist 2,2 nm breit, während die Nebenfurche 1,2 nm beträgt . Die Ränder der Kernbasen sind in der Hauptrille zugänglicher als in der Nebenrille. Daher tun Proteine wie Transkriptionsfaktoren , die an spezifische Sequenzen in doppelsträngiger DNA binden, dies normalerweise auf der Ebene der Hauptrillen.
Es gibt viele mögliche Konformere der DNA-Doppelhelix. Die klassischen Formen heißen DNA A , DNA B und DNA Z , von denen nur die beiden letzteren direkt in vivo beobachtet wurden . Die Konformation angenommen von Doppel - stranded DNA ist abhängig von dem Grad der Hydratisierung , deren Sequenz , die Rate des Supercoiling , chemischen Modifikationen der Basen , die sie zusammensetzen , die Art und Konzentration der Metallionen in Lösung , oder auch von der Gegenwart von Polyaminen .
Rahmen | DNA A. | DNA B. | Z-DNA |
---|---|---|---|
Richtung des Propellers | Recht | Recht | links |
Wiederholtes Muster | 1 bp | 1 bp | 2 bp |
Drehung um zwei Basen | 32,7 ° | 34,3 ° | 60 ° / 2 |
Paar Basen pro Propellerumdrehung | 11 | 10.5 | 12 |
Propellersteigung pro Umdrehung | 2,82 nm | 3,32 nm | 4,56 nm |
Achsverlängerung um zwei Basen | 0,24 nm | 0,32 nm | 0,38 nm |
Durchmesser | 2,3 nm | 2,0 nm | 1,8 nm |
Neigung der Basenpaare um die Achse des Propellers | + 19 ° | -1,2 ° | −9 ° |
Mittlere Drehung ( Propellerdrehung ) | + 18 ° | + 16 ° | 0 ° |
Orientierung der Substituenten der Basen an den osidischen Resten |
Anti | Anti |
Pyrimidin : Anti, Purin : Syn |
Faltung / endocyclische Torsion der Furanose ( Sugar Pucker ) |
C3'- Endo | C2'- Endo |
Cytosin : C2'- Endo , Guanin : C2'- Exo |
Die Genexpression von DNA hängt davon ab, wie DNA in einer Struktur namens Chromatin in Chromosomen verpackt ist . Bestimmte Basen können bei der Bildung von Chromatin, die modifiziert werden Cytosin - Reste von den Regionen , die es wenig oder nicht genetisch allgemeinen stark exprimiert wird methyliert , und dies vor allem an den CpG Seiten . Die Histone, um die DNA in Chromatine gewickelt ist, können auch kovalent modifiziert werden . Chromatin selbst kann durch Chromatin-Remodelling-Komplexe verändert werden. Zusätzlich werden die DNA-Methylierung und die kovalente Modifikation von Histonen koordiniert, um die Chromatin- und Genexpression zu beeinflussen .
Somit erzeugt die Methylierung von Cytosinresten 5-Methylcytosin , das eine wichtige Rolle bei der Inaktivierung des X-Chromosoms spielt . Die Methylierungsrate variiert zwischen den Organismen, wobei der Nematode Caenorhabditis elegans völlig frei davon ist, während bei Wirbeltieren etwa 1% ihrer DNA 5-Methylcytosin enthält .
Pyrimidine haben eine sehr ähnliche Molekülstruktur. Somit, Cytosin und 5-Methylcytosin kann desaminiert herzustellen uracil (was nicht eine Base ist , der Teil des DNA - Code ist) und Thymin ist. Die Desaminierungsreaktion könnte daher genetische Mutationen fördern .
Es gibt auch andere modifizierte Basen in der DNA, die beispielsweise aus der Methylierung von Adeninresten in Bakterien, aber auch in Nematoden ( Caenorhabditis elegans ), Grünalgen ( Chlamydomonas ) und Fruchtfliegen resultieren . Das 5-Hydroxymethylcytosin ist ein Derivat von Cytosin, das im Gehirn von Säugetieren besonders häufig vorkommt . Organismen wie die Flagellaten Diplonema und Euglena und die Gattung Kinetoplastida enthalten außerdem ein glykosyliertes Pyrimidin, das von Uracil abgeleitet ist und Base J genannt wird ; Diese modifizierte Base wirkt als Transkriptionsterminationssignal für die RNA-Polymerase II . Eine Anzahl von Proteinen , die spezifisch an Base J binden, wurde identifiziert.
DNA kann durch eine große Anzahl von Mutagenen beschädigt werden, die ihre Sequenz verändern . Diese Mutagene umfassen Oxidationsmittel , die alkylierenden , die elektromagnetische Strahlung Energie wie ultravioletten und Röntgen und Gamma sowie subatomaren Teilchen von ionisierender Strahlung , wie sich aus der Radioaktivität sogar kosmischen Strahlung . Die Art des verursachten Schadens hängt von der Art des Mutagens ab. Somit können ultraviolette Strahlen DNA schädigen, indem sie Pyrimidindimere produzieren, indem sie Bindungen zwischen benachbarten Basen desselben DNA- Strangs herstellen . Oxidationsmittel wie freie Radikale oder Wasserstoffperoxid verursachen verschiedene Arten von Schäden, wie z. B. Basenveränderungen, einschließlich Guanosin , und Brüche in der doppelsträngigen Struktur . Eine typische menschliche Zelle enthält etwa 150.000 Basen, die durch ein Oxidationsmittel beschädigt wurden. Unter diesen Läsionen aufgrund von Oxidationsmitteln sind doppelsträngige Brüche am gefährlichsten, da sie am schwierigsten zu reparieren sind und Punktmutationen , Insertionen und Deletionen innerhalb der DNA-Sequenz sowie chromosomale Translokationen hervorrufen können . Diese Mutationen verursachen wahrscheinlich Krebs . Die natürlichen Veränderungen der DNA, die beispielsweise aus zellulären Prozessen resultieren, die reaktive Sauerstoffderivate produzieren , sind ziemlich häufig. Obwohl DNA-Reparaturmechanismen die meisten dieser Läsionen auflösen, werden einige von ihnen nicht repariert und reichern sich im Laufe der Zeit in postmitotischen Geweben von Säugetieren an . Die Anhäufung solcher nicht reparierten Läsionen scheint eine wichtige Ursache für das Altern zu sein .
Viele Mutagene passen auf eine Weise, die als Interkalation bezeichnet wird, in den Raum zwischen zwei benachbarten Basenpaaren . Die meisten Interkalationen werden durch aromatische Verbindungen und planare Moleküle wie Ethidiumbromid , Acridine , Daunorubicin oder Doxorubicin hergestellt . Die Basen müssen sich auseinander bewegen, um das Einsetzen der Interkalationsverbindung zu ermöglichen, was zu einer Verzerrung der Doppelhelix durch teilweises Abwickeln führt. Dies blockiert sowohl die Transkription als auch die Replikation von DNA , was zu Zytotoxizität und Mutationen führt . Dementsprechend können die interkalierende Verbindungen sein karzinogenen und, im Fall von Thalidomid , teratogen . Andere Verbindungen wie das Epoxybenzo [ a ] pyrendiol und Aflatoxin bilden mit DNA Addukte, die Replikationsfehler verursachen. Aufgrund ihrer Fähigkeit, die DNA-Transkription und -Replikation zu blockieren, werden jedoch auch andere ähnliche Toxine in der Chemotherapie gegen schnell proliferierende Zellen verwendet .
DNA kommt hauptsächlich in Chromosomen vor , die bei Eukaryoten im Allgemeinen linear und bei Prokaryoten zirkulär sind . In letzterem kann es auch außerhalb der Chromosomen innerhalb von Plasmiden gefunden werden . Die gesamte DNA einer Zelle bildet ihr Genom . Das menschliche Genom repräsentiert ungefähr drei Milliarden Basenpaare, die in 46 Chromosomen verteilt sind. Die im Genom enthaltenen Informationen werden von DNA-Segmenten getragen, die die Gene bilden . Die genetische Information wird durch spezifische Matching-Rules-Basen übertragen, die als Watson-Crick-Paarung bezeichnet werden: Die einzigen zwei Paare normalerweise zulässiger Basen sind Adenin mit Thymin und Guanin mit Cytosin . Diese Paarungsregeln liegen den verschiedenen Prozessen zugrunde, die in den biologischen Funktionen der DNA ablaufen:
Wenn eine Zelle ist aufgeteilt , muss sie replizieren die DNA trägt , dessen Genom , so dass beide Tochterzellen die gleiche erben genetische Information wie die Zelle Elternteil. Die DNA-Doppelhelix bietet einen einfachen Replikationsmechanismus: Die beiden Stränge werden abgewickelt, um getrennt zu werden, und jeder der beiden Stränge dient als Matrize, um einen Strang mit der komplementären Sequenz durch Paarung zwischen Nukleinsäurebasen wiederherzustellen, wodurch zwei identische Stränge wiederhergestellt werden können doppelsträngige DNA-Helices . Dieser Prozess wird durch eine Reihe von Enzymen katalysiert, unter denen DNA-Polymerasen diejenigen sind, die die abgewickelten DNA-Stränge ergänzen, um die beiden komplementären Stränge zu rekonstruieren. Da diese DNA-Polymerasen DNA nur in 5'- bis 3'-Richtung polymerisieren können , greifen verschiedene Mechanismen ein, um die antiparallelen Stränge der Doppelhelix zu kopieren :
Die DNA im Genom wird in einem als DNA-Kondensation bezeichneten Prozess organisiert und verdichtet, sodass sie in den engen Raum einer Zelle passt . Bei Eukaryoten ist die DNA hauptsächlich im Zellkern lokalisiert , ein kleiner Teil auch in den Mitochondrien und in Pflanzen in den Chloroplasten . In Prokaryoten befindet sich DNA in einer unregelmäßigen Struktur des Zytoplasmas, die als Nukleoid bezeichnet wird . Die genetische Information des Genoms ist in Genen organisiert , und der gesamte Satz dieser Information wird als Genotyp bezeichnet . Ein Gen ist ein Teil der DNA, der eine bestimmte Eigenschaft des Organismus beeinflusst und daher Teil der Vererbung ist . Es enthält einen offenen Leserahmen, der in RNA transkribiert werden kann , sowie Sequenzen zur Regulierung der Genexpression wie Promotoren und Enhancer, die die Transkription steuern.
Bei den meisten Arten kodiert nur ein kleiner Teil des Genoms für Proteine . Somit bestehen ungefähr 1,5% des menschlichen Genoms aus Exons , die Proteine codieren, während mehr als 50% der menschlichen DNA aus wiederholten nicht-codierenden Sequenzen bestehen ; Der Rest der DNA codiert verschiedene Arten von RNA wie Transfer-RNAs und ribosomale RNAs . Das Vorhandensein einer solchen Menge nichtkodierender DNA im Genom von Eukaryoten sowie die große Variabilität der Größe des Genoms verschiedener Organismen - Größe, die keinen Bezug zur Komplexität der entsprechenden Organismen hat - ist seitdem eine bekannte Frage die Anfänge der Molekularbiologie und oft als Paradox des C-Werts bezeichnet , wobei dieser " C-Wert " in diploiden Organismen die Größe des Genoms und ein Vielfaches dieser Größe in Polyploiden bezeichnet . Jedoch sind bestimmte DNA - Sequenzen, die für Proteine kodieren , können nicht kodieren Molekülen von RNA , die an der funktionellen Regulation der Genexpression .
Bestimmte nichtkodierende DNA-Sequenzen spielen eine strukturelle Rolle in Chromosomen . Die Telomere und Zentromere enthalten typischerweise wenige Gene, tragen jedoch erheblich zu den biologischen Funktionen und der mechanischen Stabilität der Chromosomen bei. Ein signifikanter Teil der nicht-kodierenden DNA besteht aus Pseudogenen , bei denen es sich um Kopien von Genen handelt, die aufgrund von Mutationen inaktiviert wurden . Diese Sequenzen sind normalerweise nur molekulare Fossilien, können aber manchmal als genetischer Rohstoff für die Erzeugung neuer Gene durch Prozesse der genetischen Vervielfältigung und evolutionären Divergenz dienen.
Die Genexpression besteht darin, den Genotyp eines Organismus- Phänotyps umzuwandeln , dh eine Reihe von Merkmalen dieser Organisation. Dieser Prozess wird durch verschiedene äußere Reize beeinflusst und besteht aus den folgenden drei Hauptstufen:
Es ist zu beachten, dass dieselbe DNA in zwei Stadien der Entwicklung eines Organismus (aufgrund unterschiedlicher Repressoren und Derepressiva) auf sehr unterschiedliche Weise exprimiert werden kann, wobei das bekannteste Beispiel das der Raupe und des Schmetterlings ist, die morphologisch sehr weit entfernt sind.
Das Informationsgen, das durch die Sequenz von Nukleotiden der Gen- DNA codiert wird, kann auf eine Nukleinsäure kopiert werden, die sich von bekannter DNA und RNA unterscheidet . Diese RNA ist strukturell einem einzelsträngigen DNA-Molekül sehr ähnlich, unterscheidet sich jedoch von ihr in der Art der Ose ihrer Nukleotide - RNA enthält Ribose, wobei DNA Desoxyribose enthält - sowie eines ihrer Nukleotide. Nukleinsäurebasen - das Thymin in DNA wird durch Uracil ersetzt .
Die Transkription von DNA in RNA ist ein komplexer Prozess , deren Aufklärung einen großen Fortschritt in war Molekularbiologie während der zweiten Hälfte der XX - ten Jahrhundert. Es wird streng reguliert, insbesondere durch Proteine, sogenannte Transkriptionsfaktoren, die beispielsweise als Reaktion auf Hormone die Transkription von Zielgenen ermöglichen. Dies ist beispielsweise bei Sexualhormonen wie Östrogen , Progesteron und Testosteron der Fall .
Die aus der Transkription der DNA resultierende RNA kann nicht codierend oder codierend sein. Im ersten Fall hat es seine eigene physiologische Funktion in der Zelle ; im zweiten Fall ist es eine Messenger-RNA , die verwendet wird, um die in der DNA enthaltene genetische Information zu den Ribosomen zu transportieren , die die Decodierung dieser Information unter Verwendung der Transfer-RNA organisieren . Diese Transfer-RNAs sind an eine Aminosäure unter den 22 proteinogenen Aminosäuren gebunden und haben jeweils eine Gruppe von drei aufeinanderfolgenden Nukleinsäurebasen, die als Anticodon bezeichnet werden . Die drei Basen dieser Anticodons können sich mit drei aufeinanderfolgenden Basen der Messenger-RNA paaren, wobei dieses Triplett von Basen ein zum Anticodon der Transfer-RNA komplementäres Codon bildet . Die Komplementarität des Messenger-RNA-Codons und des Transfer-RNA-Anticodons basiert auf Paarungsregeln vom Watson-Crick-Typ, die die Sekundärstruktur doppelsträngiger DNAs regeln .
Die Entsprechung zwischen den 64 möglichen Codons und den 22 proteinogenen Aminosäuren wird als genetischer Code bezeichnet . Dieser Code wird durch die verschiedenen Transfer-RNAs materialisiert, die physikalisch die Verbindung zwischen einer bestimmten Aminosäure und verschiedenen Anticodons gemäß den verschiedenen Transfer-RNAs herstellen, die an dieselbe Aminosäure binden können. Somit kann eine gegebene Sequenz von Nukleinsäurebasen innerhalb eines Gens auf DNA in eine genaue Sequenz von Aminosäuren umgewandelt werden, die ein Protein im Zytoplasma der Zelle bilden.
Es gibt mehr Codons als Aminosäuren, die codiert werden müssen. Der genetische Code soll daher entartet sein. Zusätzlich zu proteinogenen Aminosäuren codiert es auch das Ende der Translation unter Verwendung von drei bestimmten Codons, die als STOP- Codons bezeichnet werden : TAA, TGA und TAG auf der DNA.
Alle biologischen Funktionen der DNA hängen von Wechselwirkungen mit Proteinen ab . Diese können von unspezifischen Wechselwirkungen bis zu Wechselwirkungen mit Proteinen reichen, die spezifisch an eine bestimmte DNA- Sequenz binden . Von Enzymen kann auch an DNA gebunden werden, und unter diesen spielen die Polymerasen , die die DNA-Replikation und deren Transkription in RNA bereitstellen , eine besonders wichtige Rolle.
Strukturproteine, die an DNA binden, liefern gut verstandene Beispiele für unspezifische Wechselwirkungen zwischen Proteinen und DNA. Dies wird innerhalb der Chromosomen aufrechterhalten, indem Komplexe mit Strukturproteinen gebildet werden, die DNA zu einer kompakten Struktur kondensieren, die als Chromatin bezeichnet wird . Bei Eukaryoten handelt es sich bei dieser Struktur um kleine Grundproteine , die als Histone bezeichnet werden , während bei Prokaryoten viele Proteine unterschiedlicher Art beteiligt sind . Histone bilden mit DNA einen scheibenförmigen Komplex, der als Nukleosom bezeichnet wird und zwei vollständige Windungen eines doppelsträngigen DNA-Moleküls enthält, das um das Protein gewickelt ist. Diese nicht-spezifische Wechselwirkungen zwischen den etablierten Grundresten der Histone und dem Säure Rückgrat besteht aus einer alternierenden Ose - phosphat der Trag Nukleinbasen der DNA - Doppelhelix. Auf diese Weise werden Ionenbindungen gebildet, die unabhängig von der DNA- Basensequenz sind . Diese basischen Aminosäurereste unterliegen chemischen Veränderungen wie Methylierungen , Phosphorylierungen und Acetylierungen . Diese chemischen Modifikationen modifizieren die Intensität der Wechselwirkungen zwischen DNA und Histonen, machen DNA für Transkriptionsfaktoren mehr oder weniger zugänglich und modulieren somit die Transkriptionsaktivität . Andere Proteine, die unspezifisch an DNA binden, umfassen Kernproteine der Gruppe mit hoher elektrophoretischer Mobilität , bekannt als HMG , die an gebogene oder verdrehte DNA binden. Diese Proteine sind wichtig, um Netzwerke von Nukleosomen zu biegen und sie in den größeren Strukturen anzuordnen, aus denen Chromosomen bestehen.
Von den Proteinen mit unspezifischen Wechselwirkungen mit DNA bilden diejenigen, die spezifisch an einzelsträngige DNA binden, eine spezielle Gruppe. Beim Menschen ist Protein A der am besten verstandene Vertreter. Es tritt auf, wenn die beiden Stränge einer Doppelhelix getrennt werden, insbesondere während der DNA-Replikation , -Rekombination und -Reparatur . Diese Proteine scheinen einzelsträngige DNA zu stabilisieren und zu verhindern, dass sie eine Stammschleife - Haarnadelstrukturen - bildet oder durch Nukleasen abgebaut wird .
Proteine, die für eine DNA-Sequenz spezifisch sindUmgekehrt binden andere Proteine nur an bestimmte DNA- Sequenzen . Unter diesen Proteinen sind die verschiedenen Transkriptionsfaktoren am meisten untersucht , die Proteine sind, die die Transkription regulieren . Jeder Transkriptionsfaktor bindet nur an einen bestimmten Satz von DNA-Sequenzen und aktiviert oder hemmt Gene, von denen eine dieser spezifischen Sequenzen nahe am Promotor liegt . Transkriptionsfaktoren erreichen dies auf zwei Arten. Sie können zunächst direkt oder über andere Mediatorproteine an die für die Transkription verantwortliche RNA-Polymerase binden. Dies positioniert die Polymerase auf der Ebene des Promotors und ermöglicht es ihr, die Transkription zu starten. Sie können auch an Enzyme binden, die Histone auf Promotorebene modifizieren, was die Zugänglichkeit der DNA für die Polymerase verändert.
Da diese DNA-Ziele im gesamten Genom eines Organismus verteilt sein können , kann eine Änderung der Aktivität einer Art von Transkriptionsfaktor Tausende von Genen beeinflussen. Daher sind diese Proteine häufig das Ziel von Signaltransduktionsprozessen , die Reaktionen auf Umweltveränderungen, Zellentwicklung oder Differenzierung steuern . Die Spezifität der Wechselwirkung dieser Transkriptionsfaktoren mit DNA beruht auf der Tatsache, dass diese Proteine zahlreiche Kontakte mit den Rändern der Nukleinsäurebasen herstellen , wodurch sie die DNA-Sequenz "lesen" können. Die meisten dieser Wechselwirkungen finden in der Hauptrille der DNA-Doppelhelix statt, wo die Basen am besten zugänglich sind.
Die Nukleasen sind Enzyme , die die DNA- Stränge spalten , um die Hydrolyse von Phosphodiesterbindungen zu katalysieren . Nukleasen, die am Ende von DNA-Strängen befindliche Nukleotide spalten , werden als Exonukleasen bezeichnet , während solche, die in DNA-Strängen befindliche Nukleotide spalten, als Endonukleasen bezeichnet werden . Die in der Molekularbiologie am häufigsten verwendeten Nukleasen sind Restriktionsenzyme , die DNA an bestimmten Sequenzen spalten . Somit erkennt das EcoRV-Enzym die Sequenz von sechs Basen 5'-GATATC-3 ' und spaltet sie in der Mitte. In vivo , schützen diese Enzyme Bakterien gegen eine Infektion durch Phagen durch die DNA dieser Verdauen Viren , wenn es die tritt Bakterienzelle . In der molekularen Technik werden sie in molekularen Klonierungstechniken und zur Bestimmung des genetischen Fingerabdrucks verwendet .
DNA-LigasenUmgekehrt können Enzyme, die als DNA-Ligasen bezeichnet werden, gebrochene oder gespaltene DNA-Stränge wieder anbringen. Diese Enzyme sind während der DNA-Replikation besonders wichtig , da sie diejenigen sind, die die Okazaki-Fragmente, die auf dem nacheilenden Strang, auch indirekter Strang genannt, produziert werden, auf der Ebene der Replikationsgabel vernähen. Sie sind auch an DNA-Reparatur- und genetischen Rekombinationsmechanismen beteiligt .
Die Topoisomerasen sind Enzyme sowohl eine Aktivität Nuklease und eine Aktivität , Ligase . Die DNA-Gyrase ist ein Beispiel für solche Enzyme. Diese Proteine verändern die Geschwindigkeit der DNA-Superwicklung, indem sie eine Doppelhelix durchtrennen, damit sich die beiden gebildeten Segmente relativ zueinander drehen können, indem sie die Superspulen freisetzen, bevor sie wieder zusammengenäht werden. Andere Arten von Topoisomerasen sind in der Lage, eine Doppelhelix zu schneiden, um den Durchgang eines anderen Doppelhelixsegments durch den so gebildeten Bruch zu ermöglichen, bevor dieser geschlossen wird. Topoisomerasen sind für viele Prozesse DNA, wie DNA beteiligt Transkription und Replikation .
HelikasenDie Helikasen sind Arten von molekularen Motoren . Sie nutzen die chemische Energie von Nukleosid - Triphosphat , im wesentlichen ATP , die zu brechen Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Basenpaaren , und der DNA - Doppelhelix entspannen beiden freien Strängen . Diese Enzyme sind für die meisten Prozesse essentiell, bei denen Enzyme für den Zugang zu den DNA- Basen erforderlich sind .
DNA-PolymerasenDie DNA - Polymerasen sind Enzyme , die synthetisieren Ketten Polynukleotide von Nukleosid - Triphosphaten . Die Sequenz der Ketten, die sie synthetisieren, wird durch die einer bereits vorhandenen Polynukleotidkette bestimmt, die als Matrix bezeichnet wird . Diese Enzyme wirken durch kontinuierliche Addition von Nukleotiden an die Hydroxylgruppe des 3'-Endes der wachsenden Polypeptidkette. Aus diesem Grund arbeiten alle Polymerasen in der Richtung 5 'bis 3' . Nucleosidtriphosphat A mit Base komplementär zu derjenigen der Schablonenpaare , um es in die aktive Stelle dieser Enzyme, die Polymerasen produzieren können DNA - Stränge , deren Sequenz exakt komplementär zu der von dem Matrizenstrang.. Polymerasen werden nach der Art der verwendeten Stränge klassifiziert.
Während der Replikation , DNA-abhängige DNA - Polymerasen Kopien von DNA - Strängen. Um die genetische Information zu erhalten, ist es wichtig, dass die Basensequenz jeder Kopie genau zur Basensequenz auf dem Matrizenstrang komplementär ist. Zu diesem Zweck können viele DNA-Polymerasen ihre möglichen Replikationsfehler korrigieren - Korrekturlesen . Sie sind daher in der Lage, den Defekt bei der Bildung eines Basenpaars zwischen dem Matrizenstrang und dem wachsenden Strang an der gerade eingeführten Base zu identifizieren und dieses Nukleotid unter Verwendung von 3 '→ 5' Exonukleaseaktivität zu spalten , um diese Replikation zu eliminieren Error. In den meisten Organismen arbeiten DNA-Polymerasen in großen Komplexen, sogenannten Replisomen , die mehrere komplementäre Untereinheiten wie Klammern - DNA-Pinzetten - und Helikasen enthalten .
RNA-abhängige DNA-Polymerasen sind eine Klasse spezialisierter Polymerasen, die eine RNA- Sequenz in DNA kopieren können. Sie umfassen reverse Transkriptase , das ist ein virales Enzym in der Infektion von beteiligten Wirtszellen durch Retroviren , und Telomerase , ein Enzym essentiell für Telomer - Replikation . Telomerase ist insofern eine ungewöhnliche Polymerase, als sie in ihrer Struktur eine eigene RNA-Matrize enthält.
RNA-PolymerasenDie Transkription wird von einer RNA-Polymerase- DNA-abhängig durchgeführt, die eine DNA-Sequenz in RNA kopiert . Um die Transkription eines Gens zu starten , bindet die RNA-Polymerase zunächst eine als Promotor bezeichnete DNA-Sequenz und trennt die DNA-Stränge. Dann kopiert es die DNA-Sequenz, aus der das Gen besteht, in eine komplementäre RNA-Sequenz, bis es eine DNA-Region erreicht, die als Terminator bezeichnet wird , wo es stoppt und sich von der DNA löst. Als DNA-Polymerase-abhängige DNA arbeitet die RNA-Polymerase II - Enzym, das die meisten Gene des menschlichen Genoms transkribiert - in einem großen Proteinkomplex, der mehrere komplementäre und regulatorische Untereinheiten umfasst .
Jeder Zellteilung geht eine DNA-Replikation voraus , die zur Chromosomenreplikation führt . Dieser Prozess bewahrt normalerweise die genetische Information der Zelle , wobei jede der beiden Tochterzellen ein vollständiges genetisches Erbe erbt, das mit dem der Mutterzelle identisch ist. Manchmal findet dieser Prozess jedoch nicht normal statt und die genetische Information in der Zelle wird verändert. Wir sprechen in diesem Fall von genetischer Mutation . Diese Veränderung des Genotyps kann unwichtig sein oder im Gegenteil auch den Phänotyp verändern, der sich aus der Expression der veränderten Gene ergibt .
Eine DNA-Doppelhelix interagiert normalerweise nicht mit anderen DNA-Segmenten, und in menschlichen Zellen besetzen die verschiedenen Chromosomen sogar jeweils eine eigene Region innerhalb des Kerns , die als chromosomales Territorium bezeichnet wird . Diese physikalische Trennung der verschiedenen Chromosomen ist für die Funktion der DNA als stabiles und dauerhaftes Repository für genetische Informationen wesentlich, da eine der seltenen Zeiten, in denen Chromosomen interagieren, während der Kreuzung auftritt, die für die genetische Rekombination verantwortlich ist, dh wenn zwei DNA-Doppelhelices vorhanden sind gebrochen, tauschen ihre Abschnitte und schweißen zusammen.
Durch die Rekombination können Chromosomen genetisches Material austauschen und neue Kombinationen von Genen produzieren , was die Effizienz der natürlichen Selektion erhöht und möglicherweise zur schnellen Entwicklung neuer Proteine beiträgt . Genetische Rekombination kann auch während der DNA-Reparatur auftreten , insbesondere bei gleichzeitigem Bruch beider Stränge der DNA-Doppelhelix.
Die häufigste Form der chromosomalen Rekombination ist die homologe Rekombination , bei der die beiden interagierenden Chromosomen sehr ähnliche Sequenzen aufweisen . Nicht homologe Rekombinationen können Zellen schwer schädigen, da sie zu Translokationen und genetischen Anomalien führen können. Die Rekombinationsreaktion wird durch Enzyme katalysiert, die als Rekombinasen bezeichnet werden , wie das Rad51- Protein . Der erste Schritt in diesem Prozess ist ein Bruch in beiden Strängen der Doppelhelix, der durch Endonuklease oder DNA-Schäden verursacht wird. Eine Reihe von Schritten, die durch die Rekombinase katalysiert werden, führen dazu, dass die beiden Helices durch mindestens einen Holliday-Übergang verbunden werden, in dem ein einzelsträngiges Segment jeder Doppelhelix mit dem komplementären Strang der anderen Doppelhelix verschweißt wird. Der Holliday-Übergang ist ein kreuzförmiger Übergang, der sich, wenn die Stränge symmetrische Sequenzen aufweisen, entlang des Chromosomenpaars bewegen und einen Strang gegen den anderen austauschen kann. Die Rekombinationsreaktion wird durch Spalten der Verbindung und Nähen der freigesetzten DNA gestoppt .
Die von der DNA kodierte genetische Information ist nicht unbedingt über die Zeit festgelegt, und bestimmte Sequenzen können sich von einem Teil des Genoms zum anderen bewegen . Dies sind die mobilen genetischen Elemente . Diese Elemente sind mutagen und können das Genom von Zellen verändern . Unter diesen finden sich insbesondere Transposons und Retrotransposons , wobei letztere im Gegensatz zu ersteren über eine intermediäre RNA wirken , die unter der Wirkung einer reversen Transkriptase eine DNA-Sequenz zurückgibt . Sie bewegen sich innerhalb des Genoms unter der Wirkung von Transposasen , bestimmten Enzymen, die sie von einem Ort ablösen und an einem anderen Ort im Zellgenom wieder anbringen, und es wird angenommen, dass sie für die Migration von nicht weniger als 40% des menschlichen Genoms verantwortlich sind die während der Entwicklung des Homo sapiens .
Diese transponierbaren Elemente machen einen wichtigen Teil des Genoms von Lebewesen aus, insbesondere in Pflanzen, in denen sie häufig den Großteil der Kern-DNA ausmachen , beispielsweise in Mais, wo 49 bis 78% des Genoms aus Retrotransposons bestehen. In Weizen bestehen fast 90% des Genoms aus wiederholten Sequenzen und 68% aus transponierbaren Elementen. Bei Säugetieren besteht fast die Hälfte des Genoms - 45-48% - aus transponierbaren Elementen oder Remanenten davon, und etwa 42% des menschlichen Genoms bestehen aus Retrotransposons, während 2 bis 3% aus DNA-Transposons gebildet werden. Sie sind daher wichtige Elemente für die Funktion und Entwicklung des Genoms von Organismen.
Die sogenannten Introns der Gruppe I und der Gruppe II sind andere mobile genetische Elemente. Sie sind Ribozyme , dh RNA-Sequenzen, die mit katalytischen Eigenschaften wie Enzymen ausgestattet sind und in der Lage sind, ihr eigenes Spleißen automatisch zu katalysieren . Diejenigen , die in Gruppe I müssen Guanin Nukleotide zu Funktion, im Gegensatz zu denen in Gruppe II . Introns der Gruppe I kommen beispielsweise sporadisch in Bakterien , insbesondere in einfachen Eukaryoten und in einer sehr großen Anzahl höherer Pflanzen vor . Schließlich kommen sie in den Genen einer großen Anzahl von Bakteriophagen von grampositiven Bakterien vor , aber nur in wenigen Phagen von gramnegativen Bakterien - z . B. Phagen T4 .
Die genetische Information einer Zelle kann sich unter dem Einfluss des Einbaus von exogenem genetischem Material entwickeln, das durch die Plasmamembran absorbiert wird . Wir sprechen vom horizontalen Gentransfer im Gegensatz zum vertikalen Transfer, der aus der Reproduktion von Lebewesen resultiert . Es ist ein wichtiger Evolutionsfaktor in vielen Organismen, insbesondere in einzelligen . Dieser Prozess beinhaltet häufig Bakteriophagen oder Plasmide .
Die Bakterien fähig Stand sind wahrscheinlich direkt an ein externes DNS - Molekül absorbiert und in ihren eigenen einzuzuarbeiten Genom , ein Prozess , genannt die genetische Transformation . Sie können diese DNA auch als Plasmid von einem anderen Bakterium durch den Prozess der bakteriellen Konjugation erhalten . Schließlich können sie diese DNA über einen Bakteriophagen (ein Virus ) durch Transduktion erhalten . Die Eukaryoten können auch exogenes genetisches Material durch einen als Transfektion bezeichneten Prozess erhalten .
DNA enthält alle genetischen Informationen, die es Lebewesen ermöglichen, zu leben, zu wachsen und sich zu vermehren. Es ist jedoch nicht bekannt, ob die DNA in den 4 Milliarden Jahren der Geschichte des Lebens auf der Erde immer diese Rolle gespielt hat. Eine Theorie besagt, dass es sich um eine andere Nukleinsäure handelte , die RNA , die die genetische Information der ersten Lebensformen auf unserem Planeten trug. Die RNA hätte in einer frühen Form des Zellstoffwechsels die zentrale Rolle gespielt , da sie wahrscheinlich sowohl genetische Informationen vermittelt als auch die chemischen Reaktionen katalysiert, die Ribozyme bilden . Diese RNA-Welt , in der RNA sowohl als Unterstützung für die Vererbung als auch als Enzyme gedient hätte, hätte die Entwicklung des genetischen Codes mit vier Nukleinsäurebasen beeinflusst , was einen Kompromiss zwischen der Genauigkeit der Kodierung der von favorisierten genetischen Information bietet eine kleine Anzahl von Basen einerseits und die katalytische Effizienz von Enzymen, die andererseits von einer größeren Anzahl von Monomeren begünstigt werden .
Es gibt jedoch keine direkten Beweise für die Existenz von Stoffwechsel- und genetischen Systemen in der Vergangenheit, die sich von denen unterscheiden, die wir heute kennen, da es unmöglich bleibt, genetisches Material aus den meisten Fossilien zu extrahieren . DNA bleibt nicht länger als eine Million Jahre bestehen, bevor sie in kurze Fragmente zerlegt wird. Die Existenz von intakten ältester DNA wird vorgeschlagen, insbesondere ein Bakterium lebensfähig aus einem extrahierten Kristall von Salz alten 150.000.000 Jahre, aber diese Publikationen bleiben umstritten.
Einige Bestandteile der DNA - Adenin , Guanin und verwandte organische Verbindungen - können im Weltraum gebildet worden sein . Bestandteile von DNA und RNA wie Uracil , Cytosin und Thymin wurden auch im Labor unter Bedingungen erhalten, die diejenigen reproduzieren, die in der interplanetaren und interstellaren Umgebung aus einfacheren Verbindungen wie Pyrimidin , die in Meteoriten gefunden wurden, angetroffen werden . Pyrimidin, wie einige polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAHs) , - die reichsten Kohlenstoffverbindungen im Universum nachgewiesen - könnte in Bildung roter Riese Sternen oder interstellaren Wolken .
Es wurden Methoden entwickelt, um DNA von Lebewesen wie Phenol-Chloroform-Extraktion zu reinigen und im Labor zu manipulieren, wie Restriktionsenzyme und PCR . Die moderne Biologie und Biochemie nutzt diese Techniken in großem Umfang beim molekularen Klonen (in) . Die rekombinante DNA ist eine Sequenz synthetischer DNA, die aus anderen DNA-Sequenzen zusammengesetzt ist. Solche DNA kann Transformations Organismen in Form von Plasmiden oder mit Hilfe eines viralen Vektors . Die resultierenden genetisch veränderten Organismen (GVO) können verwendet werden, um beispielsweise rekombinante Proteine herzustellen , die in der medizinischen Forschung oder in der Landwirtschaft verwendet werden .
Aus Blut , Sperma , Speichel , einem Haut- oder Haarfragment, das an einem Tatort entnommen wurde , extrahierte DNA kann in der Forensik verwendet werden , um den DNA-Fingerabdruck eines Verdächtigen zu bestimmen . Zu diesem Zweck wird die Sequenz von DNA-Segmenten wie Mikrosatellitensequenzen oder Minisatelliten mit der von Personen verglichen, die für diesen Anlass ausgewählt wurden oder bereits in Datenbanken aufgeführt sind. Diese Methode ist im Allgemeinen sehr zuverlässig, um DNA zu identifizieren, die der eines verdächtigen Individuums entspricht. Die Identifizierung kann jedoch komplexer gestaltet werden, wenn der Tatort mit DNA von mehr als einer Person kontaminiert ist. Die DNA-Identifizierung wurde 1984 vom britischen Genetiker Sir Alec Jeffreys entwickelt und 1987 erstmals verwendet, um einen Vergewaltiger mit einem Serienmörder zu verwechseln .
In dem Maße, in dem DNA im Laufe der Zeit Mutationen ansammelt, die durch Vererbung übertragen werden , enthält sie historische Informationen, die es, wenn sie von Genetikern analysiert werden, indem Sequenzen von Organismen mit unterschiedlichen Geschichten verglichen werden , ermöglichen, die Geschichte der Evolution dieser Organismen zu verfolgen , d. H. , ihre Phylogenese . Diese Disziplin, die die Genetik in den Dienst der Paläobiologie stellt , bietet ein leistungsfähiges Untersuchungsinstrument in der Evolutionsbiologie . Durch den Vergleich von DNA-Sequenzen derselben Art können Populationsgenetiker die Geschichte bestimmter Populationen von Lebewesen untersuchen, ein Bereich, der von ökologischer Genetik bis Anthropologie reicht . Daher wird die Untersuchung der mitochondrialen DNA in menschlichen Populationen verwendet, um die Migrationen von Homo sapiens zu verfolgen . Die Haplogruppe X wurde zum Beispiel paläodemographisch untersucht , um die mögliche Verwandtschaft von Paläo-Indianern mit europäischen Populationen des Oberen Paläolithikums zu bewerten .
( fr ) Phylogenetischer Baum , der die drei Lebensbereiche hervorhebt : Eukaryoten sind in Rot, Archaeen in Grün und Bakterien in Blau dargestellt.
Karte menschlicher Migrationen, abgeleitet aus phylogenetischen Studien des menschlichen mitochondrialen Genoms .
Die Bioinformatik umfasst die Manipulation, Erforschung und Erforschung biologischer Daten , einschließlich DNA- Sequenzen . Die Entwicklung von Techniken zum Speichern und Suchen von DNA-Sequenzen hat zu Computerfortschritten geführt, die an anderer Stelle weit verbreitet sind, insbesondere im Hinblick auf Teilstringsuchalgorithmen , maschinelles Lernen und Datenbanktheorie . Die Zeichenfolge Suchalgorithmen , die es ermöglicht , eine Folge von Buchstaben in einer Folge von mehr Buchstaben enthalten zu finden, hat für bestimmte Sequenzen suchen entwickelt Nukleotide . Die DNA-Sequenz kann mit anderen DNA-Sequenzen ausgerichtet werden, um homologe Sequenzen zu identifizieren und die spezifischen Mutationen zu lokalisieren , die sie unterscheiden. Diese Techniken, einschließlich der Ausrichtung mehrerer Sequenzen , werden verwendet, um die phylogenetischen Beziehungen und Funktionen von Proteinen zu untersuchen .
Datenbestände, die die vollständige Sequenz eines Genoms darstellen, wie sie beispielsweise vom Humangenomprojekt erstellt wurden , werden so groß, dass sie ohne die Anmerkungen, die die Position von Genen und regulatorischen Elementen auf jedem Chromosom identifizieren, nur schwer zu verwenden sind . Regionen von DNA-Sequenzen, die die charakteristischen Motive besitzen, die mit Genen assoziiert sind, die für funktionelle Proteine oder RNAs kodieren, können durch Genvorhersagealgorithmen identifiziert werden , die es Forschern ermöglichen, das Vorhandensein bestimmter Genprodukte und ihre mögliche Funktion im Körper innerhalb eines Organismus vorherzusagen, noch bevor sie sind experimentell isoliert. Es können auch ganze Genome verglichen werden, was die Evolutionsgeschichte bestimmter Organismen hervorheben und die Untersuchung komplexer Evolutionsereignisse ermöglichen kann.
Die DNA-Nanotechnologie nutzt die einzigartigen Eigenschaften der molekularen Erkennungs- DNA (en) und allgemeiner der Nukleinsäuren, um verzweigte DNA-Komplexe zu erzeugen, die selbstorganisiert sind und interessante Eigenschaften aufweisen. Unter diesem Gesichtspunkt wird DNA eher als Strukturmaterial als als Träger biologischer Informationen verwendet. Dies hat zur Schaffung zweidimensionaler periodischer Arrays geführt, unabhängig davon, ob sie in Ziegeln oder durch DNA-Origami zusammengesetzt sind oder dreidimensional mit einer polyedrischen Form . DNA- Nanomaschinen und Konstruktionen durch algorithmische Selbstorganisation wurden ebenfalls hergestellt . Solche DNA-Strukturen könnten verwendet werden, um die Anordnung anderer Moleküle wie Goldnanopartikel und Streptavidinmoleküle zu organisieren , ein Protein, das mit Biotin sehr resistente Komplexe bildet . Forschungen in der auf DNA basierenden molekularen Elektronik haben das Unternehmen Microsoft veranlasst, eine Programmiersprache namens DNA Strand Displacement (DSD) zu entwickeln, die in bestimmten Ausführungsformen von auf DNA basierenden molekularen nanoelektronischen Komponenten verwendet wird.
Da die DNA von Lebewesen verwendet wird ihr speichern genetische Information , studieren einige Forschungsteams auch als Medium zum Speichern von digitalen Informationen in der gleichen Weise wie Computer - Speicher . Die Nukleinsäuren würden in der Tat den Vorteil haben, eine Informationsdichte zu speichern, die erheblich höher ist als die herkömmlicher Medien - theoretisch mehr als zehn Größenordnungen -, wobei die Lebensdauer ebenfalls viel höher ist.
Es ist theoretisch möglich , zu kodieren zwei Bits von Daten pro Nucleotid , Speicherkapazität ermöglicht erreicht 455 Millionen Terabyte pro Gramm von DNA - Einzelstrang für mehrere Jahrtausende lesbar bleiben , auch in nicht-idealen Lagerungsbedingungen, und eine Technik zum Codieren bis 215.000 Terabytes pro Gramm DNA wurde 2017 vorgeschlagen; Zum Vergleich: Eine doppelseitige Doppelschicht- DVD enthält nur 17 Gigabyte für eine typische Masse von 16 g - das ist 400 Milliarden Mal weniger Speicherkapazität pro Masseneinheit. Einem Team des Europäischen Instituts für Bioinformatik gelang es 2012 somit, 757.051 Bytes aus 17.940.195 Nucleotiden zu codieren , was einer Speicherdichte von ungefähr 2.200 Terabyte pro Gramm DNA entspricht. Ein Schweizer Team veröffentlichte seinerseits im Februar 2015 eine Studie, die die Robustheit von in Kieselsäure eingekapselter DNA als dauerhaftes Informationsmedium demonstrierte .
Darüber hinaus arbeiten andere Teams an der Möglichkeit, Informationen direkt in lebenden Zellen zu speichern , um beispielsweise Zähler auf der DNA einer Zelle zu codieren , um die Anzahl der Teilungen oder Differenzierungen zu bestimmen , die in der Krebs- und Alterungsforschung Anwendung finden könnten .
Die DNA wurde erstmals 1869 vom Schweizer Biologen Friedrich Miescher als phosphorreiche Substanz aus dem Eiter gebrauchter chirurgischer Bandagen isoliert . Da diese Substanz in dem gefunden wurde Kern von Zellen , genannt Miescher es Erbmaterial . 1878 isolierte der deutsche Biochemiker Albrecht Kossel die Nicht- Protein- Komponente dieses " Nukleins " - die Nukleinsäuren - und identifizierte dann seine fünf Nukleinsäurebasen . Im Jahr 1919, der American Biologe Phoebus Levene identifizierte die Bestandteile von Nukleotiden , dass die Anwesenheit eines heißt Base , ein OSE und eine Phosphatgruppe . Er schlug vor, dass DNA aus einer Kette von Nukleotiden besteht, die durch ihre Phosphatgruppen miteinander verbunden sind. Er dachte, dass die Ketten kurz waren und dass die Basen wiederholt in einer festen Reihenfolge aufeinander folgten. 1937 erzeugte der britische Physiker und Molekularbiologe William Astbury das erste Beugungsmuster von DNA durch Röntgenkristallographie , was zeigt, dass DNA eine geordnete Struktur aufweist.
Der russische Biologe Nikolai Koltsov ahnte 1927 , dass die Vererbung auf einem "riesigen Erbmolekül" beruhte, das aus "zwei Spiegelsträngen voneinander bestand, die sich unter Verwendung jedes Strangs als Modell auf halbkonservative Weise reproduzieren würden". Er glaubte jedoch, dass dies Proteine waren , die genetische Informationen trugen. In 1928 , der englischen Bakteriologe Frederick Griffith trug ein berühmtes Experiment aus , die heute seinen Namen trägt und von denen zeigte er , dass nicht - lebenden virulente Bakterien in Kontakt mit virulenten Bakterien durch Hitze abgetötet gebracht könnte in virulente Bakterien umgewandelt werden. Dieses Experiment ebnete 1944 den Weg für die Identifizierung von DNA als Vektor genetischer Information durch das Experiment von Avery, MacLeod und McCarty . Der belgische Biochemiker Jean Brachet demonstrierte 1946, dass DNA ein Bestandteil von Chromosomen ist , und die Rolle der DNA bei der Vererbung wurde 1952 durch die Experimente von Hershey und Chase bestätigt, die zeigten, dass das genetische Material des Phagen T2 aus DNA besteht.
Die erste heute als korrektes DNA-Modell anerkannte antiparallele Doppelhelixstruktur wurde 1953 vom amerikanischen Biochemiker James Watson und dem britischen Biologen Francis Crick in einem mittlerweile klassischen Artikel in der Zeitschrift Nature veröffentlicht . Sie arbeiteten seit 1951 am Cavendish Laboratory der Universität Cambridge an diesem Thema und unterhielten als solche eine private Korrespondenz mit dem österreichischen Biochemiker Erwin Chargaff , ursprünglich nach den Regeln von Chargaff , veröffentlicht im Frühjahr 1952, unter denen innerhalb eines DNA-Moleküls die Höhe jedes der Purin - Basen auf der Ebene einer der beiden im wesentlichen gleich ist pyrimidin - Basen , genauer das Niveau des Guanin ist gleich der von Cytosin und dass das Niveau der Adenin ist gleich der von Thymin , die vorgeschlagen die Idee einer Paarung von Adenin mit Thymin und Guanin mit Cytosin.
Im Mai 1952 machte der britische Student Raymond Gosling , der unter Rosalind Franklin in John Randalls Team arbeitete , ein Röntgenbeugungsbild ( Tafel 51 ) eines hochhydratisierten DNA-Kristalls. Dieser Schnappschuss wurde ohne Franklins Wissen mit Crick und Watson geteilt und trug maßgeblich zur Ermittlung der korrekten DNA-Struktur bei. Franklin hatte den beiden Forschern auch angedeutet, dass das Phosphorgerüst der Struktur außerhalb und nicht in der Nähe der Mittelachse liegen sollte, wie damals angenommen wurde. Sie hatte den Raumcluster von DNA-Kristallen weiter identifiziert , wodurch Crick feststellen konnte, dass die beiden DNA-Stränge antiparallel waren. Während Linus Pauling und Robert Corey ein molekulares Modell einer veröffentlichten Nukleinsäure von drei Ketten verflochten mit, mit den Ideen der Zeit im Einklang gebildet, die Phosphatgruppen in der Nähe der Mittelachse und der Nukleinbasen finalisiert nach außen zeigt , Crick und Watson im Februar 1953 ihr antiparalleles Zweikettenmodell mit den Phosphatgruppen an der Außenseite und den Nukleinsäurebasen innerhalb der Doppelhelix, ein Modell, das nun als die erste korrekte DNA-Struktur angesehen wird, die jemals vorgeschlagen wurde.
Diese Arbeit wurde in der Ausgabe der Zeitschrift Nature vom 25. April 1953 in fünf Artikeln veröffentlicht, in denen die von Crick und Watson festgelegte Struktur sowie die Beweise für dieses Ergebnis beschrieben wurden. Im ersten Artikel mit dem Titel " Molekulare Struktur von Nukleinsäuren: Eine Struktur für Desoxyribose-Nukleinsäure , Crick und Watson" heißt es: "Es ist uns nicht entgangen, dass die von uns postulierte spezifische Paarung sofort einen möglichen Mechanismus für die Replikation der Materialgenetik nahe legt ”. Diesem Artikel folgte eine Veröffentlichung des Briten Maurice Wilkins et al. Untersuchung der Röntgenbeugung durch B-DNA in vivo , die die Existenz der Doppelhelixstruktur in lebenden Zellen und nicht nur in vitro unterstützte , und erste Veröffentlichung von Franklins und Goslins Arbeiten zu den Daten, die sie durch Röntgenbeugung erhalten hatten und ihre eigene Analysemethode.
Rosalind Franklin starb 1958 an Krebs und erhält daher nicht den 1962 verliehenen Nobelpreis für Physiologie oder Medizin , "für ihre Entdeckungen bezüglich der molekularen Struktur von Nukleinsäuren und ihrer Bedeutung für den Transfer genetischer Informationen in der lebenden Materie" Francis Crick, James Watson und Maurice Wilkins, die kein Wort hatten, um Franklin seine Arbeit zuzuschreiben; Die Tatsache, dass sie nicht mit diesem Nobelpreis verbunden war, wird weiterhin diskutiert.
In 1957 veröffentlichte Crick eine Papierform heute , was als bekannt ist fundamentale Theorie der Molekularbiologie durch die Beschreibung der Beziehungen zwischen DNA, RNA, und Proteine , artikuliert um den "‚Adapter‘. Die Bestätigung der Art der halbkonservativen Replikation der Doppelhelix erfolgte 1958 mit dem Experiment von Meselson und Stahl . Crick et al. setzten ihre Arbeit fort und zeigten, dass der genetische Code auf aufeinanderfolgenden Tripletts von Kernbasen basiert, die Codons genannt werden , was die Entschlüsselung des genetischen Codes selbst durch Robert W. Holley , Har Gobind Khorana und Marshall W. Nirenberg ermöglichte . Diese Entdeckungen markierten die Geburt der Molekularbiologie .
Die helikale Struktur der DNA hat mehrere Künstler inspiriert, der berühmteste ist der surrealistische Maler Salvador Dalí , der sich zwischen 1956 und 1976 in neun Gemälden davon inspirieren ließ , darunter Paysage de Papillon (Der große Masturbator in einer surrealistischen Landschaft mit DNA) (1957) -1958) und Galacidalacidesoxyribonucleicacid (1963).
„ Wir haben 757.051 Informationsbytes aus 337 pg DNA gewonnen, was eine Informationsspeicherdichte von 2,2 PB / g (= 757.051 / 337 × 10 –12 ) ergibt . Wir nehmen zur Kenntnis , dass diese Informationsdichte genug ist , die US National Archives and Records Administration Electronic Records Archives' 2011 insgesamt ~ speichern 100 TB in < 0,05 g der DNA, das Internet Archive Wayback Machines 2 PB Archiv von Web - Seiten in ~ 1 g von DNA und CERNs 80 PB CASTOR-System für LHC-Daten in ~ 35 g DNA. ""
„ Ich habe mich dazu gehört, dass ich meinerseits und die gesamte Kerne gehört, die Trennung der Körper, die ich einstweilen ohne die richtige Präjudiz als lösliches und das unlösliche Nuclein wird, ein negatives Material überlassend. ""
„Ich denke, die Größe der Chromosomen in den Speicheldrüsen [von Drosophila ] wird durch die Vermehrung von Genonemen bestimmt. Ich bezeichne mit diesem Begriff den axialen Faden des Chromosoms, in dem Genetiker die lineare Kombination von Genen lokalisieren; … Im normalen Chromosom gibt es normalerweise nur ein Genonem; Vor der Zellteilung wurde festgestellt, dass dieses Genonem in zwei Stränge unterteilt ist. ""
„ Butterfly Landscape (Der große Masturbator in der surrealistischen Landschaft mit DNA) zeigt Dalis Einstellung. Obwohl dies das erste war, das nur wenige Jahre nach der Ankündigung der Doppelhelix durch Watson und Crick geschaffen wurde, würde DNA in vielen zukünftigen Arbeiten von Dali auftauchen. Als Agent der Schöpfung ist es vielleicht leicht zu verstehen, warum Schmetterlinge aus der ikonischen Struktur dieses Gemäldes entspringen. Es scheint aber auch, dass Dali DNA verwendet hat, um nicht nur die Schöpfung, sondern auch die größere Vorstellung von Gott zu symbolisieren, und dies mag der Grund sein, warum ein Teil der Molekülstruktur sichtbar aus den Wolken herausragt. ""
„Salvador Dali erinnert an seine Beziehung zur Wissenschaft, insbesondere zur DNA, als Inspirationsquelle für seine Arbeit. Er gibt der Wissenschaft eine poetische Dimension und lenkt sie für plastische Zwecke ab. Er inszeniert es und benutzt es im Dienst seiner Fantasien und der „paranoid-kritischen“ Methode. ""