Deoxyribonukleová kyselina - DNA - slúži ako nosič dedičnej informácie prenášanej živými organizmami na ďalšie generácie a matrica pre stavbu bielkovín a rôznych regulačných faktorov, ktoré telo potrebuje v procesoch rastu a života. V tomto článku sa zameriame na to, aké sú najbežnejšie formy štruktúry DNA. Budeme tiež venovať pozornosť tomu, ako sa tieto formy vytvárajú a v akej forme sa DNA nachádza vo vnútri živej bunky.
Úrovne organizácie molekuly DNA
Sú štyri úrovne, ktoré určujú štruktúru a morfológiu tejto obrovskej molekuly:
- Primárna úroveň alebo štruktúra je poradie nukleotidov v reťazci.
- Sekundárna štruktúra je známa "dvojitá špirála". Práve táto fráza sa ustálila, hoci v skutočnosti takáto štruktúra pripomína skrutku.
- Terciárna štruktúra vzniká tak, že medzi jednotlivými úsekmi dvojvláknového skrúteného vlákna DNA vznikajú slabé vodíkové väzby,dáva molekule komplexnú priestorovú konformáciu.
- Kvartérna štruktúra je už zložitým komplexom DNA s niektorými proteínmi a RNA. V tejto konfigurácii je DNA zabalená do chromozómov v bunkovom jadre.
Primárna štruktúra: Komponenty DNA
Bloky, z ktorých je postavená makromolekula kyseliny deoxyribonukleovej, sú nukleotidy, čo sú zlúčeniny, z ktorých každá obsahuje:
- dusíkatá zásada - adenín, guanín, tymín alebo cytozín. Adenín a guanín patria do skupiny purínových zásad, cytozín a tymín patria do pyrimidínu;
- päťuhlíkový monosacharid deoxyribóza;
- Zvyšok kyseliny ortofosforečnej.
Pri tvorbe polynukleotidového reťazca zohráva dôležitú úlohu poradie skupín tvorených atómami uhlíka v kruhovej molekule cukru. Fosfátový zvyšok v nukleotide je pripojený k 5'-skupine (čítaj "päť prvočísel") deoxyribózy, to znamená k piatemu atómu uhlíka. Predĺženie reťazca nastáva pripojením fosfátového zvyšku ďalšieho nukleotidu k voľnej 3'-skupine deoxyribózy.
Primárna štruktúra DNA vo forme polynukleotidového reťazca má teda 3'- a 5'-konce. Táto vlastnosť molekuly DNA sa nazýva polarita: syntéza reťazca môže ísť len jedným smerom.
Vytvorenie sekundárnej štruktúry
Ďalší krok v štruktúrnej organizácii DNA je založený na princípe komplementarity dusíkatých báz - ich schopnosti spájať sa navzájom v párochcez vodíkové väzby. Komplementárnosť - vzájomná korešpondencia - nastáva, pretože adenín a tymín tvoria dvojitú väzbu a guanín a cytozín tvoria trojitú väzbu. Preto pri vytváraní dvojitého reťazca tieto základne stoja oproti sebe a tvoria zodpovedajúce páry.
Polynukleotidové sekvencie sú umiestnené v sekundárnej štruktúre antiparalelne. Takže, ak jedna z reťazí vyzerá ako 3' - AGGZATAA - 5', potom bude opak vyzerať takto: 3' - TTATGTST - 5'.
Keď sa vytvorí molekula DNA, zdvojený polynukleotidový reťazec sa skrúti a koncentrácia solí, nasýtenie vodou a samotná štruktúra makromolekuly určujú, aké formy môže mať DNA v danom štrukturálnom kroku. Je známych niekoľko takýchto foriem, ktoré sa označujú latinskými písmenami A, B, C, D, E, Z.
Konfigurácie C, D a E sa nenachádzajú vo voľnej prírode a boli pozorované iba v laboratórnych podmienkach. Pozrieme sa na hlavné formy DNA: takzvané kanonické A a B, ako aj na Z konfiguráciu.
A-DNA je suchá molekula
Tvar A je pravá skrutka s 11 doplnkovými pármi základov v každom otočení. Jeho priemer je 2,3 nm a dĺžka jednej otáčky špirály je 2,5 nm. Roviny tvorené párovými bázami majú sklon 20° vzhľadom na os molekuly. Susedné nukleotidy sú kompaktne usporiadané do reťazcov - medzi nimi je len 0,23 nm.
Táto forma DNA sa vyskytuje s nízkou hydratáciou a so zvýšenou iónovou koncentráciou sodíka a draslíka. Je to typické preprocesy, v ktorých DNA tvorí komplex s RNA, pretože RNA nie je schopná prijať iné formy. Okrem toho je A-forma vysoko odolná voči ultrafialovému žiareniu. V tejto konfigurácii sa kyselina deoxyribonukleová nachádza v spórach húb.
Mokrá B-DNA
S nízkym obsahom soli a vysokým stupňom hydratácie, teda za normálnych fyziologických podmienok, DNA preberá svoju hlavnú formu B. Prirodzené molekuly existujú spravidla v B-forme. Je to ona, ktorá je základom klasického Watson-Crickovho modelu a je najčastejšie zobrazovaná na ilustráciách.
Táto forma (je tiež pravotočivá) sa vyznačuje menej kompaktným umiestnením nukleotidov (0,33 nm) a veľkým rozstupom skrutiek (3,3 nm). Jedno otočenie obsahuje 10,5 párov báz, otočenie každého z nich vzhľadom na predchádzajúci je asi 36 °. Roviny párov sú takmer kolmé na os „dvojitej špirály“. Priemer takéhoto dvojitého reťazca je menší ako priemer A-formy - dosahuje len 2 nm.
Nekanonická Z-DNA
Na rozdiel od kanonickej DNA je molekula typu Z ľavotočivá skrutka. Je najtenší zo všetkých, má priemer len 1,8 nm. Jeho cievky, dlhé 4,5 nm, sa zdajú byť pretiahnuté; táto forma DNA obsahuje 12 párových báz na kolo. Vzdialenosť medzi susednými nukleotidmi je tiež dosť veľká - 0,38 nm. Takže tvar Z má najmenší zákrut.
Tvorí sa z konfigurácie typu B v tých oblastiach, kde sú purínya pyrimidínové zásady, so zmenou obsahu iónov v roztoku. Tvorba Z-DNA je spojená s biologickou aktivitou a ide o veľmi krátkodobý proces. Táto forma je nestabilná, čo spôsobuje ťažkosti pri štúdiu jej funkcií. Zatiaľ nie sú úplne jasné.
Replikácia DNA a jej štruktúra
Primárne aj sekundárne štruktúry DNA vznikajú počas javu nazývaného replikácia – vytváranie dvoch identických „dvojzávitníc“z materskej makromolekuly. Počas replikácie sa pôvodná molekula rozvinie a na uvoľnených jednotlivých reťazcoch sa vytvoria komplementárne bázy. Keďže polovice DNA sú antiparalelné, tento proces na nich prebieha rôznymi smermi: vo vzťahu k rodičovským reťazcom od 3'-konca k 5'-koncu, teda nové reťazce rastú v smere 5' → 3'. Vedúci reťazec sa syntetizuje kontinuálne smerom k replikačnej vidlici; na zaostávajúcom vlákne sa syntéza uskutočňuje z vidlice v oddelených častiach (okazakiho fragmenty), ktoré sú potom zošité špeciálnym enzýmom DNA ligázou.
Zatiaľ čo syntéza pokračuje, už vytvorené konce dcérskych molekúl prechádzajú špirálovým krútením. Potom, pred dokončením replikácie, novorodené molekuly začnú tvoriť terciárnu štruktúru v procese nazývanom supercoiling.
Super Twisted Molecule
Superzávitnicová forma DNA nastáva, keď sa dvojvláknová molekula navyše zakrúti. Môže byť pravotočivý (kladný) respproti (v tomto prípade sa hovorí o negatívnom supercoilingu). DNA väčšiny organizmov je negatívne supercoiled, to znamená proti hlavným závitom „dvojitej špirály“.
V dôsledku vytvárania ďalších slučiek – supercoilov – získava DNA komplexnú priestorovú konfiguráciu. V eukaryotických bunkách k tomuto procesu dochádza pri tvorbe komplexov, v ktorých sa DNA negatívne vinie okolo histónových proteínových komplexov a má formu vlákna s nukleozómovými guľôčkami. Voľné časti vlákna sa nazývajú linkery. Nehistónové proteíny a anorganické zlúčeniny sa tiež podieľajú na udržiavaní superšpirálneho tvaru molekuly DNA. Takto vzniká chromatín – látka chromozómov.
Chromatínové vlákna s nukleozomálnymi guľôčkami sú schopné ďalej komplikovať morfológiu v procese zvanom chromatínová kondenzácia.
Konečné zhutnenie DNA
V jadre sa tvar makromolekuly deoxyribonukleovej kyseliny stáva mimoriadne zložitým a zhutňuje sa v niekoľkých krokoch.
- Najprv sa vlákno zvinie do špeciálnej štruktúry solenoidového typu – chromatínovej fibrily s hrúbkou 30 nm. Na tejto úrovni sa DNA zloží a skráti svoju dĺžku 6-10 krát.
- Ďalej, fibrila vytvára cik-cak slučky pomocou špecifických skafoldových proteínov, čo znižuje lineárnu veľkosť DNA už 20-30 krát.
- Na ďalšej úrovni sa vytvárajú husto zbalené slučkové domény, ktoré majú najčastejšie tvar bežne nazývaný „kefa na lampu“. Naviažu sa na intranukleárny proteínmatice. Hrúbka takýchto štruktúr je už 700 nm, pričom DNA je skrátená približne 200-krát.
- Posledná úroveň morfologickej organizácie je chromozomálna. Slučkové domény sú zhutnené do takej miery, že sa dosiahne celkové skrátenie 10 000-krát. Ak je dĺžka natiahnutej molekuly asi 5 cm, potom sa po zbalení do chromozómov zníži na 5 mikrónov.
Najvyšší stupeň komplikácií formy DNA dosahuje v stave metafázy mitózy. Vtedy získava charakteristický vzhľad – dve chromatidy spojené zúžením-centromérom, čo zaisťuje divergenciu chromatíd v procese delenia. Interfázová DNA je organizovaná až na úrovni domény a je distribuovaná v bunkovom jadre v žiadnom konkrétnom poradí. Vidíme teda, že morfológia DNA úzko súvisí s rôznymi fázami jej existencie a odráža črty fungovania tejto najdôležitejšej molekuly pre život.
