DNK (deoksiribonukleinska kiselina) je jedna od najvažnijih komponenti žive materije. Kroz njega se vrši očuvanje i prenošenje nasljednih informacija s generacije na generaciju uz mogućnost varijabilnosti u određenim granicama. Sinteza svih proteina neophodnih za živi sistem bila bi nemoguća bez DNK matrice. U nastavku ćemo razmotriti strukturu, formiranje, osnovno funkcioniranje i ulogu DNK u biosintezi proteina.
Struktura DNK molekula
Deoksiribonukleinska kiselina je makromolekul koji se sastoji od dva lanca. Njegova struktura ima nekoliko nivoa organizacije.
Primarna struktura lanca DNK je niz nukleotida, od kojih svaki sadrži jednu od četiri azotne baze: adenin, gvanin, citozin ili timin. Lanci nastaju kada se šećer dezoksiriboze jednog nukleotida spoji sa ostatkom fosfata drugog. Ovaj proces se izvodi uz učešće proteina-katalizatora - DNK ligaze
- Sekundarna struktura DNK je takozvana dvostruka spirala (tačnije, dvostruki vijak). Tereni su sposobnipovezuju se međusobno na sljedeći način: adenin i timin formiraju dvostruku vodikovu vezu, a gvanin i citozin trostruku. Ova karakteristika leži u osnovi principa komplementarnosti baze, prema kojem su lanci međusobno povezani. U ovom slučaju dolazi do spiralnog (češće desnog) uvrtanja dvostrukog lanca.
- Tercijarna struktura je složena konformacija ogromne molekule koja se javlja kroz dodatne vodonične veze.
- Kvaternarna struktura se formira u kombinaciji sa specifičnim proteinima i RNK i predstavlja način na koji je DNK upakovana u ćelijskom jezgru.
DNK funkcije
Razmotrimo ulogu koju DNK igra u živim sistemima. Ovaj biopolimer je matrica koja sadrži zapis strukture različitih proteina, RNK potrebne organizmu, kao i različite vrste regulatornih mjesta. Općenito, sve ove komponente čine genetski program tijela.
Kroz biosintezu DNK, genetski program se prenosi na sljedeće generacije, osiguravajući naslijeđe informacija od suštinskog značaja za život. DNK je u stanju da mutira, zbog čega nastaje varijabilnost živih organizama jedne biološke vrste i, kao rezultat, moguć je proces prirodne selekcije i evolucija živih sistema.
Tokom seksualne reprodukcije, DNK organizma-potomka se formira kombinacijom očevih i majčinih nasljednih informacija. Kada se kombinuju, postoje različite varijacije, što takođe doprinosi varijabilnosti.
Kako se genetski program reprodukuje
Zbog komplementarne strukture moguća je matrična samoreprodukcija DNK molekula. U ovom slučaju, informacije sadržane u njemu se kopiraju. Duplikacija molekula kako bi se formirale dvije kćerke "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, formirajući viljušku za replikaciju, gdje se odvija proces biosinteze DNK - nakupljanje komplementarnih nukleotidnih sekvenci na svakom od lanaca.
Karakteristike kompleksa replikacije
Replikacija se takođe odvija uz učešće složenog skupa enzima - replizoma, u kojima glavnu ulogu igra DNK polimeraza.
Jedan od lanaca u toku biosinteze DNK je vodeći i kontinuirano se formira. Formiranje zaostalog lanca nastaje pričvršćivanjem kratkih sekvenci - Okazaki fragmenata. Ovi fragmenti su vezani pomoću DNK ligaze. Takav proces se naziva polukontinuiranim. Osim toga, okarakterisan je kao polukonzervativni, jer je u svakom od novonastalih molekula jedan od lanaca roditelj, a drugi kćer.
Replikacija DNK je jedan od ključnih koraka u diobi ćelije. Ovaj proces je u osnovi prijenosa nasljednih informacija na novu generaciju, kao i rast organizma.
Šta su proteini
Protein jenajvažniji funkcionalni element u ćelijama svih živih organizama. Obavljaju katalitičke, strukturalne, regulatorne, signalne, zaštitne i mnoge druge funkcije.
Molekul proteina je biopolimer formiran nizom aminokiselinskih ostataka. Nju, kao i molekule nukleinske kiseline, karakteriše prisustvo nekoliko nivoa strukturne organizacije - od primarnog do kvaternarnog.
Postoji 20 različitih (kanonskih) aminokiselina koje koriste živi sistemi za izgradnju ogromne raznolikosti proteina. Po pravilu, protein se ne sintetizira sam. Vodeću ulogu u formiranju kompleksne proteinske molekule imaju nukleinske kiseline - DNK i RNA.
Suština genetskog koda
Dakle, DNK je informaciona matrica koja pohranjuje informacije o proteinima neophodnim da tijelo raste i živi. Proteini se grade od aminokiselina, DNK (i RNK) od nukleotida. Određene nukleotidne sekvence molekula DNK odgovaraju određenim sekvencama aminokiselina određenih proteina.
Postoji 20 tipova proteinskih strukturnih jedinica - kanonskih aminokiselina - u ćeliji, i 4 vrste nukleotida u DNK. Dakle, svaka aminokiselina je zapisana na DNK matrici kao kombinacija tri nukleotida - triplet, čiji su ključni sastojci dušične baze. Ovaj princip korespondencije naziva se genetski kod, a bazni tripleti se nazivaju kodoni. Gene jesekvenca kodona koja sadrži zapis proteina i neke uslužne kombinacije baza - startni kodon, stop kodon i ostalo.
Neka svojstva genetskog koda
Genetski kod je gotovo univerzalan - uz vrlo malo izuzetaka, isti je u svim organizmima, od bakterija do ljudi. Ovo svedoči, prvo, o odnosu svih oblika života na Zemlji, a drugo, o drevnosti samog koda. Vjerovatno su se u ranim fazama postojanja primitivnog života prilično brzo formirale različite verzije koda, ali je samo jedna dobila evolucijsku prednost.
Osim toga, specifično je (nedvosmisleno): različite aminokiseline nisu kodirane istim tripletom. Takođe, genetski kod karakteriše degeneracija, odnosno redundantnost - nekoliko kodona može odgovarati istoj aminokiselini.
Genetski zapis se čita kontinuirano; funkcije interpunkcijskih znakova obavljaju i trojke osnova. U genetskom "tekstu" po pravilu nema preklapajućih zapisa, ali i ovde postoje izuzeci.
Funkcionalne jedinice DNK
Ukupnost cjelokupnog genetskog materijala organizma naziva se genom. Dakle, DNK je nosilac genoma. Sastav genoma uključuje ne samo strukturne gene koji kodiraju određene proteine. Značajan dio DNK sadrži regije s različitim funkcionalnim svrhama.
Dakle, DNK sadrži:
- regulatornosekvence koje kodiraju specifične RNA, kao što su genetski prekidači i regulatori strukturne ekspresije gena;
- elementi koji regulišu proces transkripcije - početna faza biosinteze proteina;
- pseudogeni su vrsta "fosilnih gena" koji su izgubili sposobnost da kodiraju protein 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 hromozoma, zahvaljujući kojima je DNK u hromozomima zaštićena od skraćivanja sa svakim događajem replikacije.
Učešće DNK u biosintezi proteina
DNK je u stanju da formira stabilnu strukturu, čiji je ključni element komplementarno jedinjenje azotnih baza. Dvostruki lanac DNK omogućava, prvo, potpunu reprodukciju molekula, a drugo, očitavanje pojedinačnih dijelova DNK tokom sinteze proteina. Ovaj proces se zove transkripcija.
Tokom transkripcije, dio DNK koji sadrži određeni gen se odmotava, a na jednom od lanaca - šablonskom - sintetiše se RNK molekul kao kopija drugog lanca, koji se zove kodirajući. Ova sinteza se takođe zasniva na svojstvu baza da formiraju komplementarne parove. U sintezi učestvuju nekodirajući, servisni regioni DNK i enzim RNK polimeraza. RNK već služi kao šablon za sintezu proteina, a DNK nije uključena u dalji proces.
Obrnuta transkripcija
Dugo se vjerovalo da je matricakopiranje genetskih informacija može ići samo u jednom smjeru: DNK → RNK → protein. Ova shema je nazvana središnjom dogmom molekularne biologije. Međutim, tokom istraživanja je ustanovljeno da je u nekim slučajevima moguće kopirati sa RNK na DNK - takozvana reverzna transkripcija.
Sposobnost prenošenja genetskog materijala iz RNK u DNK je karakteristična za retroviruse. Tipičan predstavnik takvih virusa koji sadrže RNK je virus ljudske imunodeficijencije. Integracija virusnog genoma u DNK inficirane stanice odvija se uz sudjelovanje posebnog enzima - reverzne transkriptaze (revertaze), koja djeluje kao katalizator biosinteze DNK na RNK šablonu. Revertaza je također dio virusne čestice. Novoformirani molekul je integriran u ćelijsku DNK, gdje služi za proizvodnju novih virusnih čestica.
Šta je ljudska DNK
Ljudska DNK, sadržana u ćelijskom jezgru, spakovana je u 23 para hromozoma i sadrži oko 3,1 milijardu uparenih nukleotida. Pored nuklearne DNK, ljudske ćelije, kao i drugi eukariotski organizmi, sadrže mitohondrijsku DNK, faktor u naslijeđu organela mitohondrijske ćelije.
Kodirajući geni nuklearne DNK (ima ih od 20 do 25 hiljada) čine samo mali dio ljudskog genoma - otprilike 1,5%. Ostatak DNK se ranije nazivao "smećem", ali brojne studije otkrivaju značajnu ulogu nekodirajućih regiona genoma, o kojima je gore bilo riječi. Takođe je izuzetno važno proučavati procesereverzna transkripcija u ljudskoj DNK.
Nauka je već formirala prilično jasno razumevanje šta je ljudska DNK u strukturnom i funkcionalnom smislu, ali dalji rad naučnika u ovoj oblasti doneće nova otkrića i nove biomedicinske tehnologije.
