DNA (deoksiribonukleinska kiselina) jedna je od najvažnijih komponenti žive tvari. Kroz njega se provodi očuvanje i prijenos nasljednih informacija s generacije na generaciju uz mogućnost varijabilnosti u određenim granicama. Sinteza svih proteina potrebnih za živi sustav bila bi nemoguća bez DNK matrice. U nastavku ćemo razmotriti strukturu, formiranje, osnovno funkcioniranje i ulogu DNK u biosintezi proteina.
Struktura molekule DNK
Deoksiribonukleinska kiselina je makromolekula koja se sastoji od dva lanca. Njegova struktura ima nekoliko razina organizacije.
Primarna struktura lanca DNA je slijed nukleotida, od kojih svaki sadrži jednu od četiri dušične baze: adenin, gvanin, citozin ili timin. Lanci nastaju kada se šećer deoksiriboze jednog nukleotida spoji s ostatkom fosfata drugog. Ovaj proces se provodi uz sudjelovanje proteina-katalizatora - DNA ligaze
- Sekundarna struktura DNK je takozvana dvostruka spirala (točnije, dvostruki vijak). Tereni su sposobnipovezuju se međusobno na sljedeći način: adenin i timin tvore dvostruku vodikovu vezu, a gvanin i citozin trostruku. Ova značajka temelji se na principu komplementarnosti baze, prema kojem su lanci međusobno povezani. U tom slučaju dolazi do spiralnog (češće desnog) uvrtanja dvostrukog lanca.
- Tercijarna struktura je složena konformacija ogromne molekule koja se javlja kroz dodatne vodikove veze.
- Kvaternarna struktura formirana je u kombinaciji sa specifičnim proteinima i RNA i način je na koji se DNK pakira u jezgri stanice.
DNK funkcije
Razmotrimo ulogu DNK u živim sustavima. Ovaj biopolimer je matrica koja sadrži zapis strukture različitih proteina, RNA potrebnu tijelu, kao i razne vrste regulatornih mjesta. Općenito, sve ove komponente čine genetski program tijela.
Kroz biosintezu DNK, genetski program se prenosi na sljedeće generacije, osiguravajući nasljednost informacija temeljnih za život. DNK je sposobna mutirati, zbog čega nastaje varijabilnost živih organizama jedne biološke vrste i, kao rezultat, moguć je proces prirodne selekcije i evolucija živih sustava.
Tijekom spolnog razmnožavanja, DNK organizma-potomka nastaje kombiniranjem očevih i majčinih nasljednih informacija. Kada se kombiniraju, postoje različite varijacije, što također doprinosi varijabilnosti.
Kako se genetski program reproducira
Zbog komplementarne strukture moguća je matrična samoreprodukcija molekule DNA. U ovom slučaju, informacije sadržane u njemu se kopiraju. Dupliciranje molekule u dvije kćeri "dvostruke spirale" naziva se replikacija DNK. Ovo je složen proces koji uključuje mnoge komponente. Ali uz određeno pojednostavljenje, može se predstaviti kao dijagram.
Replikaciju pokreće poseban kompleks enzima u određenim područjima DNK. U isto vrijeme, dvostruki lanac se odmotava, tvoreći viljušku za replikaciju, gdje se odvija proces biosinteze DNK - nakupljanje komplementarnih nukleotidnih sekvenci na svakom od lanaca.
Značajke kompleksa replikacije
Replikacija se također odvija uz sudjelovanje složenog skupa enzima - replisoma, u kojima glavnu ulogu igra DNA polimeraza.
Jedan od lanaca u tijeku biosinteze DNK je vodeći i kontinuirano se formira. Formiranje zaostalog niza događa se pričvršćivanjem kratkih sekvenci - fragmenata Okazaki. Ovi fragmenti su vezani pomoću DNA ligaze. Takav se proces naziva polukontinuiranim. Osim toga, okarakteriziran je kao polukonzervativni, budući da je u svakoj od novonastalih molekula jedan od lanaca roditelj, a drugi kćer.
Replikacija DNK jedan je od ključnih koraka u diobi stanice. Ovaj proces je u osnovi prijenosa nasljednih informacija na novu generaciju, kao i rast organizma.
Što su proteini
Protein jenajvažniji funkcionalni element u stanicama svih živih organizama. Obavljaju katalitičke, strukturalne, regulatorne, signalne, zaštitne i mnoge druge funkcije.
Proteinska molekula je biopolimer formiran nizom aminokiselinskih ostataka. Nju, kao i molekule nukleinske kiseline, karakterizira prisutnost nekoliko razina strukturne organizacije - od primarne do kvartarne.
Postoji 20 različitih (kanonskih) aminokiselina koje koriste živi sustavi za izgradnju ogromne raznolikosti proteina. Protein se u pravilu ne sintetizira sam. Vodeću ulogu u stvaranju složene proteinske molekule imaju nukleinske kiseline - DNA i RNA.
Suština genetskog koda
Dakle, DNK je informacijska matrica koja pohranjuje informacije o proteinima potrebnim da tijelo raste i živi. Proteini se grade od aminokiselina, DNA (i RNA) od nukleotida. Određene nukleotidne sekvence molekule DNA odgovaraju određenim aminokiselinskim sekvencama određenih proteina.
Postoji 20 tipova proteinskih strukturnih jedinica - kanonskih aminokiselina - u stanici, i 4 vrste nukleotida u DNK. Tako je svaka aminokiselina zapisana na DNK matrici kao kombinacija tri nukleotida – tripleta, čiji su ključni sastojci dušične baze. Ovaj princip korespondencije naziva se genetski kod, a bazni trojci nazivaju se kodoni. Gene jeslijed kodona koji sadrži zapis proteina i neke uslužne kombinacije baza - početni kodon, stop kodon i ostalo.
Neka svojstva genetskog koda
Genetski kod je gotovo univerzalan - uz vrlo rijetke iznimke, isti je u svim organizmima, od bakterija do ljudi. To svjedoči, prvo, o odnosu svih oblika života na Zemlji, a drugo, o starini samog koda. Vjerojatno su se u ranim fazama postojanja primitivnog života različite verzije koda formirale prilično brzo, ali je samo jedna dobila evolucijsku prednost.
Osim toga, specifično je (nedvosmisleno): različite aminokiseline nisu kodirane istim tripletom. Također, genetski kod karakterizira degeneracija, odnosno redundancija - nekoliko kodona može odgovarati istoj aminokiselini.
Genetski zapis se neprekidno čita; funkcije interpunkcijskih znakova također obavljaju trojke osnova. U pravilu nema preklapajućih zapisa u genetskom "tekstu", ali i ovdje postoje iznimke.
Funkcionalne jedinice DNK
Ukupnost cjelokupnog genetskog materijala organizma naziva se genom. Dakle, DNK je nositelj genoma. Sastav genoma uključuje ne samo strukturne gene koji kodiraju određene proteine. Značajan dio DNK sadrži regije s različitim funkcionalnim svrhama.
Dakle, DNK sadrži:
- propisnosekvence koje kodiraju specifične RNA, kao što su genetski prekidači i regulatori strukturne ekspresije gena;
- elementi koji reguliraju proces transkripcije - početna faza biosinteze proteina;
- pseudogeni su vrsta "fosilnih gena" koji su izgubili sposobnost kodiranja proteina ili se transkribiraju zbog mutacija;
- mobilni genetski elementi - regije koje se mogu kretati unutar genoma, kao što su transpozoni ("geni za skakanje");
- telomeri su posebne regije na krajevima kromosoma, zahvaljujući kojima je DNK u kromosomima zaštićena od skraćivanja sa svakim događajem replikacije.
Učešće DNK u biosintezi proteina
DNK može formirati stabilnu strukturu čiji je ključni element komplementarni spoj dušičnih baza. Dvostruki lanac DNA omogućuje, prvo, potpunu reprodukciju molekule, a drugo, čitanje pojedinih dijelova DNK tijekom sinteze proteina. Taj se proces naziva transkripcija.
Tijekom transkripcije odmotava se dio DNK koji sadrži određeni gen, a na jednom od lanaca - predloškom - sintetizira se RNA molekula kao kopija drugog lanca, koji se zove kodirajući. Ova se sinteza također temelji na svojstvu baza da tvore komplementarne parove. U sintezi sudjeluju nekodirajuće, uslužne regije DNK i enzim RNA polimeraza. RNA već služi kao predložak za sintezu proteina, a DNK nije uključena u daljnji proces.
Obrnuta transkripcija
Dugo se vremena vjerovalo da je matricakopiranje genetskih informacija može ići samo u jednom smjeru: DNA → RNA → protein. Ova shema je nazvana središnjom dogmom molekularne biologije. Međutim, tijekom istraživanja ustanovljeno je da je u nekim slučajevima moguće kopirati iz RNA u DNK - takozvana reverzna transkripcija.
Sposobnost prijenosa genetskog materijala iz RNA u DNK karakteristična je za retroviruse. Tipičan predstavnik takvih virusa koji sadrže RNA je virus ljudske imunodeficijencije. Integracija virusnog genoma u DNA zaražene stanice događa se uz sudjelovanje posebnog enzima - reverzne transkriptaze (revertaze), koja djeluje kao katalizator biosinteze DNA na RNA šabloni. Revertaza je također dio virusne čestice. Novonastala molekula integrirana je u staničnu DNK, gdje služi za proizvodnju novih virusnih čestica.
Što je ljudska DNK
Ljudska DNK, sadržana u staničnoj jezgri, pakirana je u 23 para kromosoma i sadrži oko 3,1 milijardu uparenih nukleotida. Osim nuklearne DNK, ljudske stanice, kao i drugi eukariotski organizmi, sadrže mitohondrijsku DNK, čimbenik u naslijeđu organela mitohondrijske stanice.
Kodirajući geni nuklearne DNK (ima ih od 20 do 25 tisuća) čine samo mali dio ljudskog genoma - otprilike 1,5%. Ostatak DNK se prije nazivao "smećem", ali brojne studije otkrivaju značajnu ulogu nekodirajućih regija genoma, o kojima je gore bilo riječi. Također je iznimno važno proučavati procesereverzna transkripcija u ljudskoj DNK.
Znanost je već stvorila prilično jasno razumijevanje što je ljudska DNK u strukturnom i funkcionalnom smislu, ali daljnji rad znanstvenika na ovom području donijet će nova otkrića i nove biomedicinske tehnologije.
