Acido desossiribonucleico (DNA): esperimenti modello, composizione chimica e trasformazione

Leggi questo articolo per conoscere il modello, la composizione chimica e gli esperimenti di trasformazione del DNA!

Acido desossiribonucleico (DNA):

Il DNA si trova nelle cellule di tutti gli organismi viventi tranne che in alcuni virus delle piante. Nei batteriofagi e nei virus, c'è un nucleo centrale di DNA che è racchiuso in un rivestimento proteico. Nei batteri e nei mitocondri e nei plastidi delle cellule eucariotiche, il DNA è circolare e giace nudo nel citoplasma.

Nei nuclei delle cellule eucariotiche, il DNA si presenta sotto forma di lunghi fili spiralati e non ramificati, i cromosomi. Nei cromosomi, il DNA si trova in combinazione con proteine ​​che formano nucleoproteine, il materiale della cromatina. Diverse linee di evidenze indirette hanno a lungo suggerito che il DNA contenga l'informazione genetica degli organismi viventi.

I risultati più importanti ottenuti utilizzando diverse procedure sperimentali hanno mostrato che la maggior parte del DNA si trova nei cromosomi, mentre l'RNA e le proteine ​​sono più abbondanti nel citoplasma. Inoltre, esiste una precisa correlazione tra la quantità di DNA per cellula e il numero di gruppi di cromosomi per cellula.

La maggior parte delle cellule somatiche degli organismi diploidi, ad esempio, contiene esattamente il doppio del DNA delle cellule germinali o dei gameti aploidi della stessa specie. Infine, la composizione molecolare del DNA in tutte le diverse cellule di un organismo è la stessa (con rare eccezioni), mentre la composizione di RNA e proteine ​​varia qualitativamente e quantitativamente da un tipo di cellula all'altro. Mentre queste correlazioni suggeriscono fortemente che il DNA è il materiale genetico, non lo provano affatto. Prove dirette hanno stabilito che l'informazione genetica è codificata nel DNA.

Esperimenti di trasformazione:

Gli esperimenti di trasformazione furono inizialmente condotti da Frederick Griffith nel 1928. Iniettò una miscela di due ceppi di pneumococco (Diplococcus pneumoniae) nei topi. Uno di questi due ceppi, S III era virulento e l'altro ceppo R II non era virulento. Il calore ha ucciso il ceppo virulento SIII, quando iniettato individualmente non ha causato la morte, dimostrando che l'infettività dopo l'uccisione di calore è persa.

I topi iniettati con una miscela di RII (vita) e S III (calore ucciso) sono morti e pneumococchi virulenti potrebbero essere isolati da questi topi. L'inferenza è che alcuni componenti delle cellule morte del SIII (il principio di trasformazione) devono aver convertito le cellule viventi RII in S III.

OT Avery, CM MacLeod e M. McCarty nel 1944 hanno ripetuto gli esperimenti di Griffith in un sistema in vitro e hanno prodotto la prima prova diretta che il materiale genetico è il DNA piuttosto che la proteina o l'RNA. Hanno dimostrato che il componente della cellula responsabile del fenomeno della trasformazione nel batterio Diplococcus pneumoniae è il DNA. Questi esperimenti hanno comportato l'uso di enzimi che degradano DNA, RNA o proteine.

In esperimenti separati, il DNA altamente purificato proveniente da cellule S III è stato trattato con:

(1) Deossiribonucleasi (DNAasi) che degrada il DNA,

(2) Ribonucleasi (RNAasi) che degrada l'RNA o

(3) Proteasi (che degradano le proteine) e quindi testati per la sua capacità di trasformare le cellule RII in SIII. Solo la DNAasi non ha avuto alcun effetto sulle attività di trasformazione della preparazione del DNA, ha completamente eliminato tutte le attività di trasformazione. Questi esperimenti hanno quindi indicato che il DNA e non le proteine ​​o l'RNA è il materiale genetico.

Ulteriori prove dirette indicanti che il DNA è il materiale genetico sono state dimostrate da AD Hershey e MJ Chase nel batteriofago T ₂ .

Composizione chimica del DNA:

Le analisi chimiche hanno dimostrato che il DNA è composto da tre diversi tipi di molecole.

1. L'acido fosforico (H ₃ PO ₄ ) ha tre gruppi reattivi (-OH) di cui due sono coinvolti nella formazione dello scheletro di fosfato di zucchero del DNA.

2. Zucchero pentoso:

Il DNA contiene 2'-deossi-D-ribosio (o semplicemente desossiribosio) che è la ragione del nome dell'acido nucleico desossiribosio.

3. basi organiche:

Le basi organiche sono composti eterociclici contenenti azoto nei loro anelli; quindi sono anche chiamati basi azotate. Il DNA normalmente contiene quattro basi diverse chiamate adenirie (A), guanina (G), timina (T) e citosina (C).

Queste quattro basi sono raggruppate in due classi sulla base della loro struttura chimica:

(1) pirimidina (T e C) e

(2) purine (A, G).

Nel DNA si trovano quattro diversi nucleosidi. Questi sono:

(i) deossicitidina

(ii) desossi-midina,

(iii) deossiadenosina e

(iv) deossiguanosina.

Allo stesso modo quattro nucleotidi nel DNA sono:

(i) acido desossicitidilico o deossiciclidilato,

(ii) acido desossitimidilico o deossitimidilato,

(iii) acido desossifenilico o deossiadenilato e

(iv) acido desossiglicilico o deossiranilato.

Quando la composizione del DNA di molti organismi diversi è stata analizzata da E. Chargaff e collaboratori (1950), è stato osservato che (i) indipendentemente dalla fonte, i componenti della purina e della pirimidina si presentano in quantità uguali in una molecola, (ii) la quantità di adenina (A) è equivalente alla quantità di timina (T) e della citosina (C) è equivalente a quella della guanina (G) e (iii) il rapporto di base A + T / G + C è costante per un particolare specie.

Il modello di DNA a doppia elica di Watson e Crick:

La struttura del DNA è stata inizialmente dedotta da JD Watson e FH Crick nel 1953. Sulla base dei dati di Chargaff, dei risultati di diffrazione a raggi X di Wilkin e Franklin e delle deduzioni dai propri edifici modello, Watson e Crick proposero che il DNA esistesse come doppia elica in cui le due catene polinucleotidiche sono avvolte l'una sull'altra in una spirale.

Ciascuna catena polinucleotidica è costituita da una sequenza di nucleotidi collegati tra loro da legami fosfodiesteri, che formano adiacenti frazioni di desossiribosio. I due fili polinucleotidici sono tenuti insieme nella loro configurazione elicoidale mediante legame idrogeno tra basi in fili opposti, le coppie di basi risultanti sono impilate tra le due catene perpendicolari all'asse della molecola come i gradini di una scala a spirale.

L'accoppiamento di base è specifico, l'adenina è sempre accoppiata con la timina e la guanina è sempre associata alla citosina. Pertanto, tutte le coppie di basi sono costituite da una purina e una pirimidina. La specificità dell'accoppiamento della base risulta dalle capacità di legame dell'idrogeno delle basi, nelle loro configurazioni normali.

Nelle loro configurazioni strutturali più comuni, l'adenina e la timina formano due legami idrogeno e la guanina e la citosina formano tre legami idrogeno. Ad esempio, non è generalmente possibile un legame analogo con idrogeno tra citosina e adenina.

Una volta che la sequenza di basi in un filamento di una doppia elica di DNA è nota, la sequenza di basi nell'altro filo è anche automaticamente nota a causa della specifica associazione di basi. Si dice che i due fili di una doppia elica siano complementari (non identici); è questa proprietà, complementarietà dei due filoni, a rendere il DNA particolarmente adatto per archiviare e trasmettere informazioni genetiche.

Le coppie di basi nel DNA sono impilate a 3, 4 ° a parte con 10 coppie di basi per giro (360 °) della doppia elica. I dorsali zucchero-fosfato dei due filamenti complementari sono antiparalleli; cioè hanno polarità chimica opposta.

Quando si muove unidirezionale lungo una doppia elica del DNA, i legami fosfodiestere in un filamento passano da un carbonio 3 'di un nucleotide a un carbonio 5' del nucleotide adiacente mentre quelli del filamento complementare vanno da un carbonio da 5 'a carbonio 3' .

La forma di DNA A, B e Z:

La stragrande maggioranza delle molecole di DNA presenti nei protoplasmi acquosi delle cellule viventi quasi certamente esiste nella forma a doppia elica di Watson-Crick descritta sopra. Questo è chiamato la forma B del DNA e mostra la spiralatura destrorsa. Contiene 10.4 coppie di basi per turno (invece delle 10 sopra menzionate). Il DNA disidratato si presenta nella forma A che è anche un'elica di mano destra, ma ha 11 paia di basi per turno.

Certe sequenze di DNA si verificano in forma Z, che mostra avvolgimento mancino, contiene 12 coppie di basi per turno. Nello Z-DNA, la spina dorsale zucchero-fosfato segue un percorso a zig-zag dandogli il nome Z-DNA o forma Z.

Segmenti specifici di una molecola di DNA possono subire cambiamenti conformazionali dalla forma B alla forma Z e viceversa; questi cambiamenti possono essere determinati da alcune specifiche proteine ​​regolatorie. Il DNA a forma di Z viene postulato per svolgere un ruolo nella regolazione genica.

Evidenze a sostegno della doppia struttura elicoidale del DNA:

La doppia struttura elicoidale del DNA data da Waston e Crick è supportata dalle seguenti prove.

1. MHF Wilkins ei suoi colleghi hanno studiato il DNA mediante cristallografia a raggi X e supportato la sua doppia struttura elicoidale.

2. Kornberg e i suoi associati hanno cercato di sintetizzare il DNA in un mezzo privo di DNA in presenza di DNA polimerasi enzima e nucleotidi, i blocchi costitutivi del DNA. Hanno scoperto che in un terreno privo di DNA con tutti i composti necessari la sintesi del DNA non si verifica. Solo quando alcuni DNA sono stati aggiunti come primer allo stesso mezzo ha avuto inizio la sintesi del DNA.