STRUKTUR DAN FUNGSI DNA

Ahli biologi tahun 1940-an mengalami kesulitan dalam menerima DNA sebagai materi genetik karena kesederhanaan yang terlihat dari kimia nya. DNA dikenal sebagai panjang polimer terdiri dari hanya empat jenis subunit, yang mirip satu sama lain kimia. Pada awal tahun 1950-an, DNA pertama kali diperiksa oleh x-ray analisis difraksi, suatu teknik untuk menentukan struktur tiga dimensi atom dari molekul (dibahas dalam Bab 8). The x-ray difraksi awal hasil menunjukkan bahwa DNA terdiri dari dua helai luka polimer menjadi heliks. Pengamatan bahwa DNA beruntai ganda itu adalah signifikansi penting dan memberikan salah satu petunjuk utama yang menyebabkan struktur Watson-Crick DNA. Hanya ketika model ini diusulkan itu potensi DNA untuk replikasi dan encoding informasi menjadi jelas. Dalam bagian kita memeriksa struktur molekul DNA dan menjelaskan secara umum bagaimana ia mampu menyimpan informasi turun-temurun.

Sebuah Molekul DNA Terdiri dari Dua Chains Pelengkap dari Nukleotida

Sebuah DNA molekul terdiri dari dua rantai polinukleotida panjang terdiri dari empat jenis nukleotida subunit. Masing-masing rantai dikenal sebagai rantai DNA, atau sebuah untai DNA. Hidrogen ikatan antara dasar bagian dari nukleotida memegang dua rantai bersama-sama ( Gambar 4-3 ). Seperti kita lihat dalam Bab 2 ( Panel 2-6 , hlm 120-121), nukleotida terdiri dari lima-karbon gula yang melekat satu atau lebih gugus fosfat dan basis yang mengandung nitrogen. Dalam kasus nukleotida DNA, gula deoksiribosa melekat gugus fosfat tunggal (maka nama asam deoksiribonukleat ), dan dasar dapat berupa (A) adenin, sitosin (C), guanin ( G ), atau timin (T). Nukleotida yang kovalen dihubungkan bersama di rantai melalui gula dan fosfat, yang dengan demikian membentuk "tulang punggung" bolak gula-fosfat-gula-fosfat (lihat Gambar 4-3 ). Karena hanya dasar berbeda di masing-masing dari empat jenis subunit, masing-masing rantai polinukleotida dalam DNA analog dengan sebuah kalung (tulang punggung) dirangkai dengan empat jenis manik-manik (empat basa A, C, G, dan T). Simbol-simbol yang sama (A, C, G, dan T) juga sering digunakan untuk menunjukkan perbedaan empat nukleotida-yaitu, dasar dengan gula terpasang dan gugus fosfat.

Gambar 4-3

DNA dan blok bangunan. DNA terbuat dari empat jenis nukleotida, yang dihubungkan kovalen ke rantai polinukleotida (untai DNA) dengan tulang punggung gula-fosfat dari mana dasar (A, C, G, dan T) memperpanjang. Sebuah molekul DNA terdiri dari dua (more. ..)

Cara di mana nukleotida subunit yang berjajar bersama-sama memberikan DNA untai polaritas kimia. Jika kita berpikir dari masing-masing gula sebagai blok dengan tombol menonjol (5 'fosfat) di satu sisi dan lubang (3' hidroksil ) di sisi lain (lihat Gambar 4-3 ), masing-masing rantai selesai, dibentuk oleh tombol-tombol saling dengan lubang, akan memiliki semua subunit yang berbaris dalam orientasi yang sama. Selain itu, kedua ujung rantai akan mudah dibedakan, sebagai salah satu memiliki lubang (3 'hidroksil) dan tombol yang lain (5' fosfat) di ujung nya. Ini polaritas dalam rantai DNA ditunjukkan dengan mengacu pada salah satu ujung sebagai 'end dan lainnya sebagai 5' 3 akhir.
Struktur tiga-dimensi dari DNA - yang double helix -muncul dari kimia dan fitur struktural dari dua rantai polinukleotida. Karena dua rantai yang diselenggarakan bersama oleh ikatan hidrogen antara dasar pada untaian yang berbeda, semua basis berada di dalam double helix, dan gula -fosfat tulang punggung berada di luar (lihat Gambar 4-3 ). Dalam setiap kasus, seorang bulkier dua-cincin dasar (a purin , lihat Panel 2-6 , hlm 120-121) dipasangkan dengan basa tunggal-ring (a pirimidin ), A selalu berpasangan dengan T, dan G dengan C ( Gambar 4-4 ). Ini melengkapi dasar-pairing memungkinkan pasangan basa yang akan dikemas dalam pengaturan penuh semangat paling menguntungkan di bagian dalam helix ganda. Dalam pengaturan ini, setiap pasangan basa adalah lebar yang sama, sehingga memegang gula-fosfat tulang punggung terpisah jarak yang sama di sepanjang DNA molekul . Untuk memaksimalkan efisiensi pasangan basa kemasan, dua tulang punggung gula-fosfat angin sekitar satu sama lain untuk membentuk sebuah helix ganda, dengan satu putaran penuh setiap sepuluh pasang basa ( Gambar 4-5 ).

Gambar 4-4

Pelengkap pasangan basa dalam DNA helix ganda. Bentuk dan struktur kimia dasar memungkinkan ikatan hidrogen untuk membentuk efisien hanya antara A dan T dan antara G dan C, di mana atom yang mampu membentuk ikatan hidrogen (lihat Panel 2-3, hlm 114-115) (more. ..)

Gambar 4-5

Helix ganda DNA. (A) Sebuah model ruang-pengisian 1,5 putaran dari helix ganda DNA. Setiap pergantian DNA terdiri dari 10,4 pasang nukleotida dan jarak pusat-ke-pusat antara pasang nukleotida yang berdekatan adalah 3,4 nm. Melingkar dari dua helai sekitar (more. ..)

Para anggota dari masing-masing pasangan basa dapat cocok bersama-sama dalam double helix hanya jika dua helai helix adalah antiparalel -yaitu, hanya jika polaritas satu untai berlawanan berorientasi dengan yang untai lainnya (lihat Gambar 4-3 dan 4-4 ). Sebuah konsekuensi dari dasar-pasangan persyaratan adalah bahwa setiap untai dari DNA molekul berisi urutan nukleotida itulah melengkapi dengan nukleotida urutan untai mitranya.

Struktur DNA Menyediakan Mekanisme untuk Keturunan

Gen membawa informasi biologis yang harus disalin secara akurat untuk transmisi kepada generasi berikutnya setiap kali sel membelah untuk membentuk dua sel anak. Dua pertanyaan biologi pusat muncul dari persyaratan ini: bagaimana bisa informasi untuk menentukan organisme dilakukan dalam bentuk kimia, dan bagaimana hal itu akurat disalin? Penemuan struktur DNA helix ganda adalah tengara dalam abad ke-biologi karena segera menyarankan jawaban untuk kedua pertanyaan, sehingga menyelesaikan pada tingkat molekuler masalah keturunan. Kami membahas secara singkat jawaban atas pertanyaan-pertanyaan dalam bagian , dan kami akan memeriksa mereka secara lebih rinci dalam bab-bab berikutnya.
DNA mengkodekan informasi melalui urutan, atau urutan, dari nukleotida sepanjang masing-masing untai. Setiap basis -A, C, T, atau G -dapat dianggap sebagai surat dalam alfabet empat-huruf yang merinci pesan biologis dalam struktur kimia DNA. Seperti kita lihat dalam Bab 1, organisme berbeda satu sama lain karena masing-masing molekul DNA memiliki perbedaan nukleotida urutan dan, akibatnya, membawa pesan biologis yang berbeda. Tapi bagaimana alfabet nukleotida digunakan untuk membuat pesan, dan apa yang mereka mengeja?
Seperti dibahas di atas, diketahui jauh sebelum struktur DNA itu ditentukan bahwa gen berisi instruksi untuk memproduksi protein. Pesan DNA karena itu harus entah bagaimana mengkodekan protein ( Gambar 4-6 ). Hubungan ini segera membuat masalah lebih mudah dimengerti, karena karakter kimia protein. Sebagaimana dibahas dalam Bab 3, sifat dari protein , yang bertanggung jawab untuk fungsi biologisnya, ditentukan oleh tiga-dimensi struktur, dan struktur yang ditentukan secara bergantian oleh urutan linear dari asam amino yang terdiri. Urutan linear nukleotida dalam gen sehingga harus entah bagaimana mengeja urutan linier asam amino dalam protein. Korespondensi yang tepat antara empat-huruf nukleotida alfabet DNA dan dua puluh huruf asam amino alfabet protein-the genetik kode -tidak jelas dari struktur DNA, dan butuh lebih dari satu dekade setelah penemuan double helix sebelum itu bekerja. Dalam Bab 6 kita menjelaskan kode ini secara rinci dalam rangka menguraikan proses, yang dikenal sebagai gen ekspresi , di mana sel menerjemahkan urutan nukleotida dari gen ke dalam urutan asam amino dari protein.

Gambar 4-6

Hubungan antara informasi genetik dibawa dalam DNA dan protein.

Set lengkap informasi dalam organisme DNA yang disebut genom , dan membawa informasi untuk semua protein organisme akan pernah mensintesis. (Istilah genom . juga digunakan untuk menggambarkan DNA yang membawa informasi ini) Jumlah informasi yang terkandung dalam genom yang mengejutkan: misalnya, sebuah sel manusia yang khas berisi 2 meter dari DNA. Ditulis dalam empat huruf nukleotida alfabet, urutan nukleotida dari manusia yang sangat kecil gen menempati seperempat halaman teks ( Gambar 4-7 ), sedangkan urutan lengkap dari nukleotida dalam genom manusia akan mengisi lebih dari seribu buku ukuran satu ini. Selain informasi penting lainnya, ia membawa instruksi untuk sekitar 30.000 protein yang berbeda.

Gambar 4-7

Urutan nukleotida dari gen β-globin manusia. Gen ini membawa informasi untuk sekuens asam amino dari salah satu dari dua jenis subunit dari molekul hemoglobin, yang membawa oksigen dalam darah. Sebuah gen yang berbeda, α-globin (more. ..)

Pada setiap pembelahan sel , sel harus menyalin nya genom untuk lulus untuk kedua sel anak. Penemuan struktur DNA juga mengungkapkan prinsip yang membuat menyalin mungkin: karena setiap untai DNA mengandung urutan nukleotida itulah melengkapi dengan nukleotida urutan untai mitranya, masing-masing untai dapat bertindak sebagai template yang , atau cetakan , untuk sintesis untai komplementer baru. Dengan kata lain, jika kita menunjuk dua untai DNA sebagai S dan S ', untai S dapat berfungsi sebagai kerangka untuk membuat untai S baru ', sedangkan' untai S dapat berfungsi sebagai template untuk membuat untai baru S ( Gambar 4 -8 ). Dengan demikian, informasi genetik dalam DNA dapat disalin secara akurat oleh proses indah sederhana di mana untai S memisahkan dari 'untai S, dan setiap helai dipisahkan kemudian berfungsi sebagai template untuk produksi untai mitra baru pelengkap yang identik dengan mantan mitra.

Gambar 4-8

DNA sebagai template untuk duplikasi sendiri. Sebagai nukleotida A berhasil pasang hanya dengan T, dan G dengan C, setiap helai DNA dapat menentukan urutan nukleotida untai komplementer. Dengan cara ini, double-heliks DNA dapat disalin secara tepat. (Selengkapnya. ..)

Kemampuan masing-masing untai dari DNA molekul untuk bertindak sebagai template yang untuk menghasilkan melengkapi untai memungkinkan sel untuk menyalin, atau replikasi, gen sebelum melewati mereka ke keturunannya. Dalam bab berikutnya kita menggambarkan mesin elegan sel menggunakan untuk melakukan tugas yang sangat besar.

Dalam Eucaryotes, DNA Apakah Terlampir dalam Nucleus your

Hampir semua DNA dalam sel eukariot yang diasingkan di sebuah inti , yang menempati sekitar 10% dari volume total sel. Ini kompartemen dibatasi oleh amplop nuklir yang dibentuk oleh dua konsentris bilayer lipid membran yang tertusuk pada interval oleh pori-pori nuklir besar, molekul transportasi yang antara inti dan sitosol . Amplop nuklir secara langsung terhubung ke membran yang luas dari retikulum endoplasma . Hal ini didukung oleh mekanik dua jaringan filamen menengah: satu, yang disebut lamina nuklir , membentuk meshwork sheetlike tipis di dalam nukleus, tepat di bawah membran nuklir batin , yang lain mengelilingi membran nuklir luar dan kurang teratur terorganisir ( Gambar 4 - 9 ).

Gambar 4-9

Sebuah pandangan penampang dari inti sel yang khas. Amplop nuklir terdiri dari dua membran, satu luar yang terus menerus dengan membran retikulum endoplasma (lihat juga Gambar 12-9). Ruang di dalam retikulum endoplasma (lumen ER) (more. ..)

The amplop nuklir memungkinkan banyak protein yang bertindak atas DNA yang akan terkonsentrasi di mana mereka dibutuhkan dalam sel, dan, seperti yang kita lihat dalam bab-bab berikutnya, juga membuat enzim nuklir dan sitosol terpisah, sebuah fitur yang sangat penting bagi berfungsinya eukariotik sel. Kompartementalisasi, di mana inti adalah contoh, merupakan prinsip penting dari biologi, melainkan berfungsi untuk membentuk suatu lingkungan di mana reaksi biokimia yang difasilitasi oleh konsentrasi tinggi dari kedua substrat dan enzim yang bekerja pada mereka.

Ringkasan

Informasi genetik yang dibawa dalam urutan linier nukleotida di DNA . Setiap molekul DNA adalah heliks ganda terbentuk dari dua melengkapi untai nukleotida yang diselenggarakan bersama oleh ikatan hidrogen antara G -C dan AT basis pasangan. Duplikasi informasi genetik terjadi dengan menggunakan satu untai DNA sebagai templat untuk pembentukan untai komplementer. Informasi genetik yang tersimpan dalam DNA suatu organisme berisi instruksi untuk semua protein organisme akan pernah mensintesis. Dalam eucaryotes, DNA yang terkandung dalam sel inti .