Deoksiribonukleinska kiselina - DNK - služi kao nosilac nasljednih informacija koje živi organizmi prenose na sljedeće generacije, te matrica za izgradnju proteina i raznih regulatornih faktora potrebnih tijelu u procesima rasta i života. U ovom članku ćemo se fokusirati na to koji su najčešći oblici strukture DNK. Takođe ćemo obratiti pažnju na to kako su ovi oblici građeni i u kom obliku se DNK nalazi unutar žive ćelije.
Nivoi organizacije molekula DNK
Postoje četiri nivoa koji određuju strukturu i morfologiju ovog divovskog molekula:
- Primarni nivo, ili struktura, je redosled nukleotida u lancu.
- Sekundarna struktura je poznata "dvostruka spirala". Upravo se ova fraza ustalila, iako takva struktura zapravo liči na šraf.
- Tercijarna struktura nastaje zbog činjenice da slabe vodonične veze nastaju između pojedinačnih dijelova dvolančanog uvrnutog lanca DNK,dajući molekulu složenu prostornu konformaciju.
- Kvaternarna struktura je već složen kompleks DNK sa nekim proteinima i RNK. U ovoj konfiguraciji, DNK je upakovana u hromozome u ćelijskom jezgru.
Primarna struktura: Komponente DNK
Blokovi od kojih je izgrađena makromolekula deoksiribonukleinske kiseline su nukleotidi, koji su jedinjenja, od kojih svaki uključuje:
- azotna baza - adenin, gvanin, timin ili citozin. Adenin i gvanin pripadaju grupi purinskih baza, citozin i timin spadaju u pirimidin;
- pet-ugljični monosaharid deoksiriboza;
- Ostatak ortofosforne kiseline.
U formiranju polinukleotidnog lanca, važnu ulogu igra red grupa koje formiraju atomi ugljika u kružnom molekulu šećera. Ostatak fosfata u nukleotidu je povezan sa 5'-grupom (čitaj "pet prostih brojeva") deoksiriboze, odnosno sa petim atomom ugljenika. Produženje lanca nastaje pričvršćivanjem fosfatnog ostatka sljedećeg nukleotida na slobodnu 3'-grupu deoksiriboze.
Dakle, primarna struktura DNK u obliku polinukleotidnog lanca ima 3'- i 5'-kraje. Ovo svojstvo molekula DNK naziva se polaritet: sinteza lanca može ići samo u jednom smjeru.
formiranje sekundarne strukture
Sljedeći korak u strukturnoj organizaciji DNK zasniva se na principu komplementarnosti azotnih baza - njihovoj sposobnosti da se međusobno povezuju u parukroz vodonične veze. Komplementarnost - međusobna korespondencija - nastaje jer adenin i timin formiraju dvostruku vezu, a gvanin i citozin trostruku vezu. Stoga, kada formiraju dvostruki lanac, ove baze stoje jedna naspram druge, formirajući odgovarajuće parove.
Polinukleotidne sekvence se nalaze 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 molekul DNK, udvojeni polinukleotidni lanac se uvrće, a koncentracija soli, zasićenost vodom i struktura same makromolekule određuju koje oblike DNK može imati u datom strukturnom koraku. Poznato je nekoliko takvih oblika, označenih latiničnim slovima A, B, C, D, E, Z.
Konfiguracije C, D i E nisu pronađene u divljim životinjama i posmatrane su samo u laboratorijskim uslovima. Pogledaćemo glavne oblike DNK: takozvane kanonske A i B, kao i Z konfiguraciju.
A-DNK je suhi molekul
A-oblik je desni vijak sa 11 komplementarnih parova baza u svakom okretu. Njegov prečnik je 2,3 nm, a dužina jednog okreta spirale je 2,5 nm. Ravnine koje formiraju uparene baze imaju nagib od 20° u odnosu na osu molekula. Susedni nukleotidi su kompaktno raspoređeni u lance - između njih je samo 0,23 nm.
Ovaj oblik DNK javlja se uz nisku hidrataciju i povećanu ionsku koncentraciju natrijuma i kalija. To je tipično zaprocesi u kojima DNK formira kompleks sa RNK, budući da ova potonja nije u stanju da poprimi druge oblike. Osim toga, A-forma je vrlo otporna na ultraljubičasto zračenje. U ovoj konfiguraciji, deoksiribonukleinska kiselina se nalazi u sporama gljivica.
Mokri B-DNK
Sa niskim sadržajem soli i visokim stepenom hidratacije, odnosno u normalnim fiziološkim uslovima, DNK poprima svoj glavni oblik B. Prirodni molekuli postoje, po pravilu, u B-obliku. Ona je ta koja je u osnovi klasičnog Watson-Crick modela i najčešće je prikazana na ilustracijama.
Ovaj oblik (takođe je dešnjak) karakteriše manje kompaktan raspored nukleotida (0,33 nm) i veliki šraf (3,3 nm). Jedan okret sadrži 10,5 parova baza, rotacija svakog od njih u odnosu na prethodni je oko 36 °. Ravnine parova su skoro okomite na osu "dvostrukog heliksa". Prečnik takvog dvostrukog lanca je manji od prečnika A-forme - dostiže samo 2 nm.
Nekanonska Z-DNK
Za razliku od kanonske DNK, molekul Z-tipa je ljevoruki vijak. Najtanji je od svih, ima prečnik od samo 1,8 nm. Njegove zavojnice, duge 4,5 nm, izgledaju kao da su izdužene; ovaj oblik DNK sadrži 12 uparenih baza po krugu. Udaljenost između susjednih nukleotida je također prilično velika - 0,38 nm. Dakle, Z-oblik ima najmanje uvijanja.
Nastaje iz konfiguracije B-tipa u onim područjima gdje je purini pirimidinske baze, uz promjenu sadržaja jona u otopini. Formiranje Z-DNK povezano je s biološkom aktivnošću i vrlo je kratkotrajan proces. Ovaj oblik je nestabilan, što stvara poteškoće u proučavanju njegovih funkcija. Za sada nisu sasvim jasni.
replikacija DNK i njena struktura
I primarne i sekundarne strukture DNK nastaju tokom fenomena koji se zove replikacija - formiranje dvije identične "dvostruke spirale" iz matične makromolekule. Tokom replikacije, originalni molekul se odmotava, a komplementarne baze se stvaraju na oslobođenim pojedinačnim lancima. Budući da su polovice DNK antiparalelne, ovaj proces se 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 sintetiše prema replikacijskoj vilici; na zaostalom lancu, sinteza se izvodi iz viljuške u odvojenim dijelovima (Okazaki fragmenti), koji se zatim spajaju posebnim enzimom, DNK ligazom.
Dok se sinteza nastavlja, već formirani krajevi molekula kćeri prolaze kroz spiralno uvijanje. Zatim, prije nego što se replikacija završi, novorođeni molekuli počinju formirati tercijarnu strukturu u procesu koji se naziva supersmotavanje.
Super Twisted Molecule
Supernamotani oblik DNK nastaje kada dvolančani molekul napravi dodatni zaokret. Može biti u smjeru kazaljke na satu (pozitivno) iliprotiv (u ovom slučaju se govori o negativnom supernamotanju). DNK većine organizama je negativno namotana, odnosno protiv glavnih zavoja "dvostrukog heliksa".
Kao rezultat formiranja dodatnih petlji - superzavojnica - DNK dobija složenu prostornu konfiguraciju. U eukariotskim stanicama ovaj proces se događa formiranjem kompleksa u kojima se DNK negativno namota oko kompleksa histonskih proteina i poprima oblik niti s nukleosomskim zrncima. Slobodni dijelovi niti se nazivaju linkeri. Nehistonski proteini i anorganska jedinjenja takođe učestvuju u održavanju superzamotanog oblika molekula DNK. Tako nastaje kromatin - supstanca hromozoma.
Chromatinski lanci sa nukleosomskim zrncima su sposobni dodatno zakomplikovati morfologiju u procesu koji se zove kondenzacija hromatina.
Konačna kompaktizacija DNK
U jezgru, oblik makromolekule deoksiribonukleinske kiseline postaje izuzetno složen, sabijajući se u nekoliko koraka.
- Prvo, filament je namotan u posebnu strukturu tipa solenoid - hromatinska fibrila debljine 30 nm. Na ovom nivou, DNK se savija i skraćuje svoju dužinu za 6-10 puta.
- Dalje, fibril formira cik-cak petlje uz pomoć specifičnih proteina skele, što smanjuje linearnu veličinu DNK već za 20-30 puta.
- Gusto zbijeni domeni petlje formiraju se na sljedećem nivou, najčešće imaju oblik koji se konvencionalno naziva "četkica lampe". Vežu se za intranuklearni proteinmatrica. Debljina takvih struktura je već 700 nm, dok je DNK skraćena za približno 200 puta.
- Posljednji nivo morfološke organizacije je hromozomski. Domeni petlje su zbijeni do te mjere da se postiže ukupno skraćivanje od 10.000 puta. Ako je dužina istegnute molekule oko 5 cm, tada se nakon pakovanja u hromozome smanjuje na 5 mikrona.
Najviši nivo komplikacija oblika DNK dostiže u stanju metafaze mitoze. Tada poprima karakterističan izgled - dvije hromatide povezane suženjem-centromerom, što osigurava divergenciju kromatida u procesu diobe. Interfazna DNK je organizovana do nivoa domena i raspoređena je u ćelijskom jezgru bez posebnog reda. Dakle, vidimo da je morfologija DNK usko povezana sa različitim fazama njenog postojanja i odražava karakteristike funkcionisanja ovog najvažnijeg molekula za život.
