Deoksiribonukleinska kiselina - DNK - služi kao nositelj nasljednih informacija koje živi organizmi prenose na sljedeće generacije, te matrica za izgradnju proteina i raznih regulatornih čimbenika potrebnih tijelu u procesima rasta i života. U ovom članku ćemo se usredotočiti na to koji su najčešći oblici strukture DNK. Također ćemo obratiti pažnju na to kako su ovi oblici građeni i u kojem obliku se DNK nalazi unutar žive stanice.
Razine organizacije molekule DNK
Postoje četiri razine koje određuju strukturu i morfologiju ove divovske molekule:
- Primarna razina, ili struktura, je redoslijed nukleotida u lancu.
- Sekundarna struktura je poznata "dvostruka spirala". Upravo se ta fraza ustalila, iako takva struktura zapravo podsjeća na vijak.
- Tercijarna struktura nastaje zbog činjenice da slabe vodikove veze nastaju između pojedinih dijelova dvolančane upletene lanca DNK,dajući molekuli složenu prostornu konformaciju.
- Kvaternarna struktura već je složen kompleks DNK s nekim proteinima i RNA. U ovoj konfiguraciji, DNK je pakirana u kromosome u jezgri stanice.
Primarna struktura: komponente DNK
Blokovi od kojih je izgrađena makromolekula deoksiribonukleinske kiseline su nukleotidi, koji su spojevi, od kojih svaki uključuje:
- dušikova baza - adenin, gvanin, timin ili citozin. Adenin i gvanin pripadaju skupini purinskih baza, citozin i timin pripadaju pirimidinima;
- pet-ugljični monosaharid deoksiriboza;
- Ostatak ortofosforne kiseline.
U formiranju polinukleotidnog lanca važnu ulogu igra red skupina koje formiraju ugljikovi atomi u kružnoj molekuli šećera. Fosfatni ostatak u nukleotidu povezan je s 5'-skupinom (čitaj "pet prostih brojeva") deoksiriboze, odnosno s petim atomom ugljika. Produženje lanca događa se pričvršćivanjem fosfatnog ostatka sljedećeg nukleotida na slobodnu 3'-skupinu deoksiriboze.
Dakle, primarna struktura DNK u obliku polinukleotidnog lanca ima 3'- i 5'-kraje. Ovo svojstvo molekule DNK naziva se polaritet: sinteza lanca može ići samo u jednom smjeru.
formiranje sekundarne strukture
Sljedeći korak u strukturnoj organizaciji DNK temelji se na principu komplementarnosti dušičnih baza - njihovoj sposobnosti međusobnog povezivanja u parukroz vodikove veze. Komplementarnost – međusobna korespondencija – nastaje jer adenin i timin tvore dvostruku vezu, a gvanin i citozin trostruku vezu. Stoga, kada formiraju dvostruki lanac, ove baze stoje jedna nasuprot drugoj, tvoreći odgovarajuće parove.
Polinukleotidne sekvence nalaze se u sekundarnoj strukturi antiparalelno. Dakle, ako jedan od lanaca izgleda kao 3' - AGGZATAA - 5', onda će suprotno izgledati ovako: 3' - TTATGTST - 5'.
Kada se formira molekula DNA, udvojeni polinukleotidni lanac se uvija, a koncentracija soli, zasićenost vodom i struktura same makromolekule određuju koje oblike DNK može poprimiti u danom strukturnom koraku. Poznato je nekoliko takvih oblika, označenih latinskim slovima A, B, C, D, E, Z.
Konfiguracije C, D i E nisu pronađene u divljim životinjama i promatrane su samo u laboratorijskim uvjetima. Pogledat ćemo glavne oblike DNK: takozvane kanonske A i B, kao i Z konfiguraciju.
A-DNK je suha molekula
A-oblik je desni vijak s 11 komplementarnih parova baza u svakom zavoju. Promjer mu je 2,3 nm, a duljina jednog zavoja spirale 2,5 nm. Ravnine koje formiraju uparene baze imaju nagib od 20° u odnosu na os molekule. Susjedni nukleotidi su kompaktno raspoređeni u lancima - između njih je samo 0,23 nm.
Ovaj oblik DNK javlja se uz nisku hidrataciju i povećanu ionsku koncentraciju natrija i kalija. Tipično je zaprocesi u kojima DNK tvori kompleks s RNA, budući da potonja nije u stanju poprimiti druge oblike. Osim toga, A-oblik je vrlo otporan na ultraljubičasto zračenje. U ovoj konfiguraciji, deoksiribonukleinska kiselina se nalazi u sporama gljivica.
Mokri B-DNA
S niskim udjelom soli i visokim stupnjem hidratacije, odnosno u normalnim fiziološkim uvjetima, DNK poprima svoj glavni oblik B. Prirodne molekule postoje, u pravilu, u B-oblici. Ona je ta koja je u osnovi klasičnog Watson-Crickovog modela i najčešće je prikazana na ilustracijama.
Ovaj oblik (također je dešnjak) karakterizira manje kompaktan smještaj nukleotida (0,33 nm) i veliki korak vijka (3,3 nm). Jedan okret sadrži 10,5 parova baza, rotacija svakog od njih u odnosu na prethodni je oko 36 °. Ravnine parova gotovo su okomite na os "dvostruke spirale". Promjer takvog dvostrukog lanca manji je od promjera A-oblika - doseže samo 2 nm.
Nekanonska Z-DNK
Za razliku od kanonske DNK, molekula Z-tipa je ljevoruki vijak. Najtanji je od svih, ima promjer od samo 1,8 nm. Njegove zavojnice, duge 4,5 nm, izgledaju kao da su izdužene; ovaj oblik DNK sadrži 12 sparenih baza po zavoju. Udaljenost između susjednih nukleotida također je prilično velika - 0,38 nm. Dakle, Z-oblik ima najmanje uvijanja.
Nastaje iz konfiguracije tipa B u onim područjima gdje je purini pirimidinske baze, uz promjenu sadržaja iona u otopini. Stvaranje Z-DNA povezano je s biološkom aktivnošću i vrlo je kratkotrajan proces. Ovaj oblik je nestabilan, što stvara poteškoće u proučavanju njegovih funkcija. Zasad nisu baš jasni.
replikacija DNK i njena struktura
I primarne i sekundarne strukture DNK nastaju tijekom fenomena koji se zove replikacija - formiranje dviju identičnih "dvostrukih spirala" iz matične makromolekule. Tijekom replikacije, izvorna molekula se odmotava, a komplementarne baze se stvaraju na oslobođenim pojedinačnim lancima. Budući da su polovice DNK antiparalelne, taj se proces na njima odvija u različitim smjerovima: u odnosu na roditeljske lance od 3'-kraja do 5'-kraja, odnosno novi lanci rastu u smjeru 5' → 3'. Vodeći lanac se kontinuirano sintetizira prema replikacijskoj vilici; na zaostalom lancu, sinteza se izvodi iz vilice u zasebnim dijelovima (Okazaki fragmenti), koji se zatim spajaju posebnim enzimom, DNA ligazom.
Dok se sinteza nastavlja, već formirani krajevi molekula kćeri prolaze kroz spiralno uvijanje. Zatim, prije nego što se replikacija završi, novorođene molekule počinju formirati tercijarnu strukturu u procesu koji se naziva supersvijanje.
Super Twisted Molecule
Supernamotani oblik DNK nastaje kada dvolančana molekula napravi dodatni zavoj. Može biti u smjeru kazaljke na satu (pozitivno) iliprotiv (u ovom slučaju se govori o negativnom supernamotanju). DNK većine organizama negativno je namotana, odnosno protiv glavnih zavoja "dvostruke spirale".
Kao rezultat formiranja dodatnih petlji - superzavojnica - DNK dobiva složenu prostornu konfiguraciju. U eukariotskim stanicama taj se proces događa stvaranjem kompleksa u kojima se DNA negativno namota oko kompleksa proteina histona i poprima oblik niti s nukleosomskim zrncima. Slobodni dijelovi niti nazivaju se povezivači. Nehistonski proteini i anorganski spojevi također sudjeluju u održavanju superzamotanog oblika molekule DNA. Tako nastaje kromatin - tvar kromosoma.
Kromatinske niti s nukleosomskim zrncima sposobne su dodatno zakomplicirati morfologiju u procesu koji se naziva kondenzacija kromatina.
Konačna kompaktizacija DNK
U jezgri, oblik makromolekule deoksiribonukleinske kiseline postaje izuzetno složen, zbijajući se u nekoliko koraka.
- Prvo, filament je namotan u posebnu strukturu tipa solenoida - kromatinsku fibrilu debljine 30 nm. Na ovoj razini, DNK se savija i skraćuje svoju duljinu za 6-10 puta.
- Dalje, fibril tvori cik-cak petlje uz pomoć specifičnih proteina skele, što smanjuje linearnu veličinu DNK već za 20-30 puta.
- Gusto zbijene domene petlje formiraju se na sljedećoj razini, najčešće imaju oblik koji se konvencionalno naziva "četka lampe". Vežu se na intranuklearni proteinmatrica. Debljina takvih struktura je već 700 nm, dok je DNK skraćena za otprilike 200 puta.
- Posljednja razina morfološke organizacije je kromosomska. Domene petlje su zbijene do te mjere da se postiže ukupno skraćivanje od 10 000 puta. Ako je duljina istegnute molekule oko 5 cm, tada se nakon pakiranja u kromosome smanjuje na 5 mikrona.
Najvišu razinu komplikacija oblik DNK doseže u stanju metafaze mitoze. Tada dobiva karakterističan izgled - dvije kromatide povezane suženjem-centromerom, što osigurava divergenciju kromatida u procesu diobe. Interfazna DNA organizirana je do razine domene i raspoređena je u staničnoj jezgri bez posebnog reda. Dakle, vidimo da je morfologija DNK usko povezana s različitim fazama njenog postojanja i odražava značajke funkcioniranja ove najvažnije molekule za život.
