Kwas dezoksyrybonukleinowy - DNA - służy jako nośnik informacji dziedzicznej przekazywanej przez organizmy żywe kolejnym pokoleniom oraz matryca do budowy białek i różnych czynników regulacyjnych wymaganych przez organizm w procesach wzrostu i życia. W tym artykule skupimy się na najczęstszych formach budowy DNA. Zwrócimy również uwagę na to, jak te formy są zbudowane i w jakiej formie DNA znajduje się w żywej komórce.
Poziomy organizacji cząsteczki DNA
Istnieją cztery poziomy, które określają strukturę i morfologię tej gigantycznej cząsteczki:
- Pierwszy poziom lub struktura to kolejność nukleotydów w łańcuchu.
- Struktura drugorzędowa to słynna „podwójna helisa”. To właśnie ta fraza się zadomowiła, chociaż w rzeczywistości taka konstrukcja przypomina śrubę.
- Struktura trzeciorzędowa powstaje w wyniku powstania słabych wiązań wodorowych między poszczególnymi odcinkami dwuniciowej skręconej nici DNA,nadanie cząsteczce złożonej konformacji przestrzennej.
- Struktura czwartorzędowa jest już złożonym kompleksem DNA z niektórymi białkami i RNA. W tej konfiguracji DNA jest pakowane w chromosomy w jądrze komórkowym.
Struktura podstawowa: składniki DNA
Bloki, z których zbudowana jest makrocząsteczka kwasu dezoksyrybonukleinowego, to nukleotydy, które są związkami, z których każdy zawiera:
- zasada azotowa - adenina, guanina, tymina lub cytozyna. Adenina i guanina należą do grupy zasad purynowych, cytozyna i tymina należą do pirymidyny;
- deoksyryboza z pięciowęglowych monosacharydów;
- Reszta kwasu ortofosforowego.
W tworzeniu łańcucha polinukleotydowego ważną rolę odgrywa kolejność grup tworzonych przez atomy węgla w okrągłej cząsteczce cukru. Reszta fosforanowa w nukleotydzie jest połączona z grupą 5' (czytaj „pięć liczb pierwszych”) dezoksyrybozy, to znaczy z piątym atomem węgla. Wydłużenie łańcucha następuje przez przyłączenie reszty fosforanowej następnego nukleotydu do wolnej 3'-grupy dezoksyrybozy.
Zatem podstawowa struktura DNA w postaci łańcucha polinukleotydowego ma końce 3' i 5'. Ta właściwość cząsteczki DNA nazywana jest polarnością: synteza łańcucha może przebiegać tylko w jednym kierunku.
Tworzenie struktury drugorzędnej
Kolejny krok w strukturalnej organizacji DNA opiera się na zasadzie komplementarności zasad azotowych – ich zdolności do łączenia się w parypoprzez wiązania wodorowe. Komplementarność - wzajemna korespondencja - występuje, ponieważ adenina i tymina tworzą wiązanie podwójne, a guanina i cytozyna tworzą wiązanie potrójne. Dlatego tworząc podwójny łańcuch, te podstawy stoją naprzeciw siebie, tworząc odpowiednie pary.
Sekwencje polinukleotydowe znajdują się w antyrównoległej strukturze drugorzędowej. Jeśli więc jeden z łańcuchów wygląda jak 3' - AGGZATAA - 5', to odwrotność będzie wyglądać tak: 3' - TTATTGTST - 5'.
Kiedy tworzona jest cząsteczka DNA, podwójny łańcuch polinukleotydowy jest skręcony, a stężenie soli, nasycenie wodą i sama struktura makrocząsteczki określają, jakie formy DNA może przybrać na danym etapie strukturalnym. Znanych jest kilka takich form, oznaczonych literami łacińskimi A, B, C, D, E, Z.
Konfiguracje C, D i E nie występują u dzikich zwierząt i były obserwowane tylko w warunkach laboratoryjnych. Przyjrzymy się głównym formom DNA: tak zwanej kanonicznej konfiguracji A i B, a także konfiguracji Z.
A-DNA to sucha cząsteczka
A-kształt to śruba prawoskrętna z 11 uzupełniającymi się parami baz w każdym obrocie. Jej średnica wynosi 2,3 nm, a długość jednego zwoju spirali to 2,5 nm. Płaszczyzny utworzone przez sparowane zasady mają nachylenie 20° w stosunku do osi cząsteczki. Sąsiednie nukleotydy są zwarte ułożone w łańcuchy – jest między nimi tylko 0,23 nm.
Ta forma DNA występuje przy niskim uwodnieniu i ze zwiększonym stężeniem jonów sodu i potasu. Jest to typowe dlaprocesy, w których DNA tworzy kompleks z RNA, ponieważ ten ostatni nie jest w stanie przybrać innych form. Ponadto forma A jest wysoce odporna na promieniowanie ultrafioletowe. W tej konfiguracji kwas dezoksyrybonukleinowy znajduje się w zarodnikach grzybów.
Mokre B-DNA
Przy niskiej zawartości soli i wysokim stopniu uwodnienia, to znaczy w normalnych warunkach fizjologicznych, DNA przyjmuje swoją główną formę B. Naturalne molekuły występują z reguły w formie B. To ona leży u podstaw klasycznego modelu Watsona-Cricka i jest najczęściej przedstawiana na ilustracjach.
Ta forma (jest również praworęczna) charakteryzuje się mniej zwartym rozmieszczeniem nukleotydów (0,33 nm) i dużym skokiem śruby (3,3 nm). Jeden obrót zawiera 10,5 par zasad, obrót każdej z nich względem poprzedniego wynosi około 36 °. Płaszczyzny par są prawie prostopadłe do osi „podwójnej helisy”. Średnica takiego podwójnego łańcucha jest mniejsza niż formy A - osiąga zaledwie 2 nm.
Niekanoniczne Z-DNA
W przeciwieństwie do kanonicznego DNA, cząsteczka typu Z jest lewoskrętną śrubą. Jest najcieńszy ze wszystkich, ma średnicę zaledwie 1,8 nm. Jego cewki o długości 4,5 nm wydają się być wydłużone; ta forma DNA zawiera 12 par zasad na turę. Odległość między sąsiednimi nukleotydami również jest dość duża - 0,38 nm. Tak więc kształt Z ma najmniejszy skręt.
Jest utworzony z konfiguracji typu B w tych obszarach, w których purynai zasady pirymidynowe, ze zmianą zawartości jonów w roztworze. Tworzenie Z-DNA jest związane z aktywnością biologiczną i jest procesem bardzo krótkotrwałym. Ta forma jest niestabilna, co stwarza trudności w badaniu jej funkcji. Jak dotąd nie są one do końca jasne.
Replikacja DNA i jej struktura
Zarówno pierwszorzędowe, jak i drugorzędowe struktury DNA powstają podczas zjawiska zwanego replikacją - tworzenia dwóch identycznych "podwójnych helis" z macierzystej makrocząsteczki. Podczas replikacji oryginalna cząsteczka rozwija się, a komplementarne zasady tworzą się na uwolnionych pojedynczych łańcuchach. Ponieważ połówki DNA są antyrównoległe, proces ten przebiega na nich w różnych kierunkach: w stosunku do łańcuchów rodzicielskich od końca 3' do końca 5', czyli nowe łańcuchy rosną w kierunku 5' → 3'. Wiodąca nić jest syntetyzowana w sposób ciągły w kierunku widełek replikacyjnych; na opóźnionej nici synteza odbywa się z widełek w osobnych odcinkach (fragmenty Okazaki), które następnie są zszywane razem przez specjalny enzym, ligazę DNA.
Podczas trwania syntezy już uformowane końce cząsteczek potomnych ulegają spiralnemu skręceniu. Następnie, zanim replikacja dobiegnie końca, nowo narodzone molekuły zaczynają tworzyć strukturę trzeciorzędową w procesie zwanym superzwijaniem.
Super skręcona cząsteczka
Do superskręconej formy DNA dochodzi, gdy dwuniciowa cząsteczka wykonuje dodatkowy skręt. Może być zgodny z ruchem wskazówek zegara (dodatni) lubprzeciw (w tym przypadku mówi się o ujemnym superzwijaniu). DNA większości organizmów jest ujemnie superskręcone, to znaczy przeciw głównym zwojom „podwójnej helisy”.
W wyniku formowania się dodatkowych pętli – supercewek – DNA nabiera złożonej konfiguracji przestrzennej. W komórkach eukariotycznych proces ten zachodzi wraz z tworzeniem się kompleksów, w których DNA oplata się ujemnie wokół kompleksów białek histonowych i przybiera postać nici z kulkami nukleosomowymi. Wolne sekcje wątku nazywane są linkerami. Białka niehistonowe i związki nieorganiczne również biorą udział w utrzymywaniu superskręconego kształtu cząsteczki DNA. Tak powstaje chromatyna - substancja chromosomów.
Neminy chromatyny z kulkami nukleosomalnymi mogą dodatkowo komplikować morfologię w procesie zwanym kondensacją chromatyny.
Końcowe zagęszczenie DNA
W jądrze, kształt makrocząsteczki kwasu dezoksyrybonukleinowego staje się niezwykle złożony, zagęszczając się w kilku etapach.
- Najpierw włókno jest zwinięte w specjalną strukturę typu solenoid - fibryl chromatyny o grubości 30 nm. Na tym poziomie DNA fałduje się i skraca swoją długość 6-10 razy.
- Ponadto fibryl tworzy zygzakowate pętle za pomocą specyficznych białek szkieletowych, które zmniejszają liniowy rozmiar DNA już 20-30 razy.
- Gęsto upakowane domeny pętli są tworzone na kolejnym poziomie, najczęściej o kształcie zwanym konwencjonalnie „pędzlem lampowym”. Przyłączają się do białka wewnątrzjądrowegomatryca. Grubość takich struktur wynosi już 700 nm, a DNA skraca się około 200 razy.
- Ostatni poziom organizacji morfologicznej to chromosomy. Domeny pętli są zagęszczane do takiego stopnia, że osiąga się całkowite skrócenie 10 000 razy. Jeśli długość rozciągniętej cząsteczki wynosi około 5 cm, to po upakowaniu w chromosomy zmniejsza się ona do 5 mikronów.
Najwyższy poziom komplikacji formy DNA osiąga stan metafazy mitozy. Nabiera wtedy charakterystycznego wyglądu - dwóch chromatyd połączonych przewężeniem-centromerem, co zapewnia rozbieżność chromatyd w procesie podziału. DNA interfazowe jest zorganizowane w dół do poziomu domeny i jest rozmieszczone w jądrze komórkowym w dowolnej kolejności. Widzimy zatem, że morfologia DNA jest ściśle związana z różnymi fazami jego istnienia i odzwierciedla cechy funkcjonowania tej najważniejszej dla życia cząsteczki.
