DNAの歴史、機能、構造、構成要素



の DNA （デオキシリボ核酸）は有機体を生成し、その機能を維持するために必要なすべての情報を含む生体分子です。それはヌクレオチドと呼ばれる単位から成り、リン酸基、5つの炭素の糖分子、そして窒素塩基の順に形成されています。.

４つの窒素含有塩基がある：アデニン（Ａ）、シトシン（Ｃ）、グアニン（Ｇ）およびチミン（Ｔ）。アデニンは常にチミンと対になり、グアニンはシトシンと対になります。 DNA鎖に含まれるメッセージはメッセンジャーRNAに変換され、これはタンパク質の合成に関与します.

ＤＮＡは、生理的ｐＨで負に帯電した極めて安定な分子であり、これは、真核細胞の核内で効率的に圧縮するために、陽性タンパク質（ヒストン）と会合している。 DNAの長鎖は、さまざまな関連タンパク質とともに染色体を形成します.

索引

  • 1歴史
  • 2つの部品
  • 3つの構造
    • 3.1シャルガフの法則
    • 3.2二重らせんモデル
  • 4組織
    • 4.1ヒストン
    • 4.2ヌクレオソームと30 nmファイバー
    • 4.3染色体
    • 4.4原核生物における組織
    • 4.5 DNA量
  • 5 DNAの構造形態
    • 5.1 DNA-A
    • 5.2 ADN-Z
  • 6つの機能
    • 6.1複製、転写および翻訳
    • 6.2遺伝コード
  • 7化学的および物理的性質
  • 8進化
  • 9 DNAシーケンス
    • 9.1サンガー法
  • 10新世代シーケンス
  • 11参考文献

歴史

1953年、アメリカン・ジェームズ・ワトソンとブリティッシュ・フランシス・クリックは、ロザリンド・フランクリンとモーリス・ウィルキンズによって行われた結晶学の研究のおかげで、DNAの立体構造を解明することに成功しました。彼らはまた彼らの結論を他の作家の作品に基づいた.

DNAをX線にさらすと、分子の構造を推測するために使用できる回折パターンが形成されます。2つの逆平行鎖がらせん状になり、両方の鎖が塩基間の水素結合によって連結されます。得られたパターンは以下の通りであった。

構造はブラッグ回折の法則に従って仮定することができる。対象物がＸ線のビームの中央に置かれると、対象物の電子が光線と相互作用するのでそれは反射される。.

1953年4月25日、ワトソンとクリックの結果が著名なジャーナルに掲載されました。 自然, "と題した2ページの記事に核酸の分子構造「それは生物学の分野に完全に革命をもたらすでしょう。.

この発見のおかげで、研究者たちは、分娩前に死亡したフランクリンを除いて、1962年にノーベル医学賞を受賞しました。現在、この発見は新しい知識を習得するための科学的方法の成功の大きな指数の1つです。.

コンポーネント

ＤＮＡ分子はヌクレオチド、リン酸基に結合した５個の炭素の糖および窒素含有塩基により形成された単位からなる。 ＤＮＡ中に見いだされる糖の種類はデオキシリボース型であり、したがってその名前はデオキシリボ核酸である。.

鎖を形成するために、ヌクレオチドは、１つの糖からの３'－ヒドロキシル基（－ＯＨ）および次のヌクレオチドからの５'－ホスファフォーによりホスホジエステル結合によって共有結合される。.

ヌクレオチドをヌクレオシドと混同しないでください。後者は、ペントース（糖）および窒素含有塩基によってのみ形成されるヌクレオチドの一部を指す。.

DNAは、4種類の窒素塩基、アデニン（A）、シトシン（C）、グアニン（G）、チミン（T）で構成されています。.

窒素含有塩基は、プリンとピリミジンの2つのカテゴリーに分類されます。最初のグループは、5つの原子の環が6つの環に結合したもので、ピリミジンは1つの環から構成されています。.

言及された塩基のうち、アデニンおよびグアニンはプリンの誘導体である。対照的に、ピリミジンの群はチミン、シトシンおよびウラシル（ＲＮＡ分子中に存在する）に属する。.

構造

DNA分子は2本のヌクレオチド鎖で構成されています。この「鎖」はDNA鎖として知られています.

２本の鎖は相補的塩基間の水素結合によって結合されている。窒素含有塩基は、糖およびリン酸の骨格に共有結合している。.

一方の鎖に位置する各ヌクレオチドは、他方の鎖のもう一方の特定のヌクレオチドとカップリングして、既知の二重らせんを形成することができる。効率的な構造を形成するために、Aは常に2つの水素架橋によってTと結合し、Gは3つの架橋によってCと結合します。.

シャルガフの法則

DNA中の窒素含有塩基の割合を調べると、Aの量はTの量と同じであり、GとCと同じであることがわかります。このパターンはChargaffの法則として知られています。.

この対合は、糖 - リン酸骨格の分子に沿って類似の距離を維持しながら、構造に沿って類似の幅を維持することを可能にするので、エネルギー的に有利である。環の基部が環の1つと結合していることに注意してください。.

二重らせんのモデル

二重らせんは、３．４ナノメートルの中心間距離で隔てられた、１ターンあたり１０．４ヌクレオチドからなることが提案されている。圧延工程は、構造中に溝の形成を引き起こし、主溝および副溝を観察することができる。.

溝が生じるのは、塩基対中のグリコシド結合がそれらの直径に関して互いに反対ではないためである。副溝にはピリミジンO-2とプリンN-3があり、主溝は反対側の領域にあります.

はしごのアナロジーを使用すると、ラングは互いに相補的な塩基対からなり、スケルトンは2つのグリップレールに対応します。.

DNA分子の末端は同じではないので、「極性」と言います。その末端の1つ、3 'は-OH基を持ち、5'末端は遊離のリン酸基を持つ.

2本の鎖は逆平行に配置されています。つまり、次のように極性が反対になります。

さらに、スレッドの1つのシーケンスがそのパートナーと相補的である必要があります。それが位置Aである場合、逆平行スレッドにはTがなければなりません。.

組織

各ヒト細胞には、効率的に梱包する必要がある約2メートルのDNAがあります。.

ストランドは、それが細胞容積のわずか１０％を占める直径６μｍの微細なコアに含まれることができるように圧縮されなければならない。これは、次の圧縮レベルのおかげで可能になります。

ヒストン

真核生物にはヒストンと呼ばれるタンパク質があり、これはDNA分子に結合する能力を持ち、鎖の圧縮の最初のレベルです。ヒストンはDNAの負電荷と相互作用することができるように正電荷を持っています。.

ヒストンは、進化の過程で事実上不変であった真核生物にとって非常に重要なタンパク質です - 突然変異の割合が低いということは、この分子に対する選択圧が強いことを示していることを思い出してください。ヒストンの欠陥は不完全なDNA圧縮をもたらす可能性があります.

ヒストンは生化学的に修正することができ、このプロセスは遺伝物質の圧縮レベルを修正します.

ヒストンが「低アセチル化」されると、アセチル化型がタンパク質中のリジン（正に荷電したアミノ酸）の正電荷を中和するので、クロマチンはより凝縮される。.

ヌクレオソームと30 nmファイバー

DNA鎖はヒストンに巻き上げられ、ヌクレオソームと呼ばれる真珠のネックレスのビーズに似た構造を形成します。この構造の中心には、H2A、H2B、H3、H4という2種類のヒストンのコピーが2つあります。異なるヒストンの結合は「ヒストン八量体」と呼ばれます。.

八量体は146対の塩基に囲まれており、2ターン未満しか与えられない。ヒト二倍体細胞は約6.4×10 6個を含む。9 3000万ヌクレオソームに編成されているヌクレオチド.

ヌクレオソーム内の構成により、元の長さの3分の1以上でDNAを圧縮することができます。.

生理学的条件下で遺伝物質を抽出する過程において、ヌクレオソームは３０ナノメートルの繊維に配置されていることが観察される。.

染色体

染色体は遺伝の機能単位であり、その機能は個体の遺伝子を運ぶことです。遺伝子は、タンパク質（または一連のタンパク質）を合成するための情報を含むDNAのセグメントです。しかし、RNAのような調節要素をコードする遺伝子もあります.

すべてのヒト細胞（配偶子および血液赤血球を除く）は各染色体の2つのコピーを持ちます。1つは父親から、もう1つは母親から継承されます。.

染色体は、上記のタンパク質複合体と会合したＤＮＡの長い線状部分からなる構造である。通常真核生物では、核に含まれるすべての遺伝物質は一連の染色体に分けられます.

原核生物における組織

原核生物は核を欠く生物です。これらの種では、遺伝物質は低分子量アルカリタンパク質と一緒に高度にコイル状になっています。このようにして、ＤＮＡは圧縮されそして細菌の中心領域に位置する。.

真核生物の染色体と同じ特徴を示すわけではないが、何人かの著者は通常この構造を「細菌染色体」と称している。.

DNA量

すべての生物種が同量のDNAを含むわけではありません。実際、この値は種によって大きく異なり、DNA量と生物の複雑さの間には関係がありません。この矛盾は「C値パラドックス」として知られています.

論理的な推論は、生物が複雑になればなるほど、それが所有するDNAが多くなるということを直感的に理解することです。しかし、これは本質的に真実ではありません.

例えば、肺魚のゲノム Protopterus aethiopicus ヒトゲノムの重さはわずか3.5 pgですが、サイズは132 pgです（ピコグラム= pgでDNAを定量できます）。.

生物のすべてのDNAがタンパク質をコードしているわけではないことを覚えておいてください。これの多くは調節要素とさまざまな種類のRNAに関連しています.

DNAの構造形態

Ｘ線回折パターンから推定されるワトソン・クリック・モデルは、Ｂ − ＤＮＡへリックスとして知られており、「伝統的」で最もよく知られているモデルである。ただし、DNA-AとDNA-Zという2つの異なる形式があります。.

DNA-A

変種 "A"は、DNA-Bと同じように右に回転しますが、短くて広くなっています。このフォームは、相対湿度が下がると表示されます.

DNA-Aは11塩基対ごとに回転し、主溝はB-DNAよりも狭くて深いです。副溝に関しては、これはより表面的で幅が広い.

ADN-Z

3番目の変異体はZ-DNAです。それは最も狭い形であり、逆平行鎖の二本鎖に組織化された一群のヘキサヌクレオチドによって形成される。このフォームの最も顕著な特徴の1つは、左に曲がることですが、他の2つのフォームは右に曲がることです。.

Z-DNAは、短いピリミジンとプリンが交互に並ぶときに現れます。 B-DNAと比較して、溝が大きいほど平らで、小さいほど狭く、深くなります.

生理学的条件下ではDNA分子は大部分がそのB型であるが、記載された2つの変異体の存在は遺伝物質の柔軟性および動的性を明らかにする。.

機能

DNA分子には、生物の構築に必要なすべての情報と指示が含まれています。生物の遺伝情報の完全なセットはと呼ばれます ゲノム.

メッセージは「生物学的アルファベット」でエンコードされています。前述の4つのベース、A、T、G、C.

メッセージは、様々な種類のタンパク質の形成または何らかの調節要素のコード化を導きます。これらの拠点がメッセージを配信できるプロセスについて、以下で説明します。

複製、転写および翻訳

A、T、G、Cの4文字で暗号化されたメッセージは、結果として表現型を与えます（すべてのDNA配列がタンパク質をコードするわけではありません）。これを達成するために、DNAは細胞分裂のあらゆる過程でそれ自身を複製しなければなりません.

ＤＮＡ複製は半保存的である：鎖は新しい娘分子の形成のための鋳型として働く。 DNAプライマーゼ、DNAヘリカーゼ、DNAリガーゼおよびトポイソメラーゼを含むさまざまな酵素が複製を触媒する.

続いて、メッセージ - 塩基配列言語で書かれた - は中間分子に伝達されなければならない：RNA（リボ核酸）。このプロセスは転写と呼ばれます.

転写が起こるためには、RNAポリメラーゼを含む様々な酵素が関与しなければならない.

この酵素は、DNAメッセージをコピーしてメッセンジャーRNA分子に変換する役割を果たします。言い換えれば、転写の目的はメッセンジャーを取得することです。.

最後に、リボソームのおかげで、メッセージはメッセンジャーRNA分子に翻訳されます。.

これらの構造はメッセンジャーRNAを取り、そして翻訳機構と共に特定のタンパク質を形成する.

遺伝コード

メッセージは「トリプレット」またはアミノ酸を特定する3文字のグループ、すなわちタンパク質の構造ブロックで読まれます。遺伝暗号はすでに完全に明らかにされているので、トリプレットのメッセージを解読することは可能です.

翻訳は常にアミノ酸メチオニンで始まります。これは開始トリプレットでコードされています：AUG。 「Ｕ」はウラシル塩基を表し、ＲＮＡに特徴的でありそしてチミンに取って代わる。.

例えば、メッセンジャーＲＮＡが以下の配列を有する場合、それは以下のアミノ酸：メチオニン、プロリン、ロイシン、フェニルアラニン、およびフェニルアラニンに翻訳される。 2つのトリプレット（この場合はUUUとUUA）が同じアミノ酸をコードしている可能性があることに注意してください。フェニルアラニン.

この性質のために、翻訳の開始を決定するアミノ酸メチオニンを除いて、アミノ酸はトリプレットの一つ以上の配列によってコードされるので、遺伝暗号は縮重していると言われる。.

プロセスは、特定の終了または停止トリプレット（UAA、UAG、およびUGA）で停止します。それらはそれぞれ、黄土色、琥珀色、オパールの名前で知られています。リボソームがそれらを検出すると、それらは鎖にそれ以上アミノ酸を追加することはできなくなります。.

化学的および物理的性質

核酸は本質的に酸性であり、そして水に可溶性である（親水性）。水とのペントースのリン酸基とヒドロキシル基との間の水素結合の形成が起こり得る。生理的pHでは負に帯電しています.

ＤＮＡ溶液は、非常に硬い二重らせんの変形に対する抵抗力のために非常に粘稠である。核酸が一本鎖であると粘度が低下する.

それらは非常に安定な分子です。論理的には、この特徴は遺伝情報を運ぶ構造に不可欠でなければなりません。 ＲＮＡと比較して、ＤＮＡはヒドロキシル基を欠いているのではるかに安定している。.

DNAは熱によって変性する可能性があります。つまり、分子が高温にさらされると鎖が分離します。.

これらの塩基は3つの水素結合で結合されているため、分離に対する耐性が高まるため、加える必要がある熱量は分子のG-Cパーセンテージによって異なります。.

光の吸収に関しては、それらは２６０ナノメートルにピークを有し、それは核酸が一本鎖である場合に増加する。なぜならそれらはヌクレオチドの環を露出しそしてこれらは吸収の原因となるからである。.

進化

Lazcanoによると ら. 1988年DNAはRNAからの移行の段階で発生し、人生の歴史の中で最も重要な出来事の1つである.

著者らは3つの段階を提案している：核酸に似た分子が存在する最初の期間、後にゲノムはRNAから形成され、そして最後の段階として二重バンドDNAゲノムが出現した。.

いくつかの証拠はRNAに基づく第一次世界の理論を支持する。第一に、タンパク質合成はＤＮＡの非存在下で起こり得るが、ＲＮＡが欠けているときには起こり得ない。さらに、触媒特性を有するＲＮＡ分子が発見された。.

（ＤＮＡ中に存在する）デオキシリボヌクレオチドの合成に関しては、それらは（ＲＮＡ中に存在する）リボヌクレオチドの還元から常に生じる。.

DNA分子の進化的革新は、DNA前駆体を合成しそしてRNAの逆転写に関与する酵素の存在を必要としたに違いない。.

現在の酵素を研究することによって、これらのタンパク質は数回進化し、そしてＲＮＡからＤＮＡへの移行は遺伝子導入および喪失および非オルソログ置換のプロセスを含む以前に考えられていたよりも複雑であると結論づけることができる。.

DNAシーケンス

DNA配列決定は、それを構成する4つの塩基に関してDNA鎖の配列を解明することからなる。.

このシーケンスの知識は生物科学において非常に重要です。それは、2つの形態学的に非常に類似した種を区別するために、病気、病理学または寄生虫を検出するために、そして法医学的適用性さえ持つために使用することができます。.

サンガーのシークエンスは1900年代に開発されたもので、シークエンスを明確にする伝統的な手法です。その年齢にもかかわらず、それは研究者によって広く使用されている有効な方法です。.

サンガー法

この方法では、細胞内でDNAを複製する信頼性の高い酵素であるDNAポリメラーゼを使用し、別の既存のガイドラインを使用して新しいDNA鎖を合成します。酵素は必要とします 最初の または合成を開始するためのプライマー。プライマーは、配列したい分子に相補的なDNAの小分子です。.

この反応では、酵素によって新しいDNA鎖に組み込まれることになるヌクレオチドが追加されます。.

「伝統的な」ヌクレオチドに加えて、この方法は各塩基について一連のジデオキシヌクレオチドを含む。それらは2つの特徴において標準的なヌクレオチドと異なります：構造的にそれらはDNAポリメラーゼがより多くのヌクレオチドを娘鎖に加えることを許さず、そして各塩基に対して異なる蛍光マーカーを持ちます.

ジデオキシヌクレオチドがランダムに組み込まれ、異なる段階で複製プロセスを停止したため、結果は異なる長さの様々なDNA分子となる。.

この多様な分子はそれらの長さに従って分離することができ、ヌクレオチドの同一性は蛍光標識からの光の放出を通して読み取られる。.

新世代シーケンス

近年開発された配列決定技術は、同時に数百万のサンプルの大規模な分析を可能にします.

最も優れた方法には、パイロシーケンシング、合成によるシーケンシング、ライゲーションによるシーケンシング、およびIon Torrentによる次世代シーケンシングがあります。.

参考文献

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