Deoksiribonukleinska kislina - DNK - služi kot nosilec dednih informacij, ki jih živi organizmi prenašajo na naslednje generacije, ter matrica za gradnjo beljakovin in različnih regulatornih dejavnikov, ki jih telo potrebuje v procesih rasti in življenja. V tem članku se bomo osredotočili na to, katere so najpogostejše oblike strukture DNK. Pozorni bomo tudi na to, kako so te oblike zgrajene in v kakšni obliki je DNK v živi celici.
Ravni organizacije molekule DNK
Obstajajo štiri ravni, ki določajo strukturo in morfologijo te velikanske molekule:
- Primarna raven ali struktura je vrstni red nukleotidov v verigi.
- Sekundarna struktura je znana "dvojna vijačnica". Prav ta fraza se je ustalila, čeprav je v resnici taka struktura podobna vijaku.
- Terciarna struktura nastane zaradi dejstva, da nastanejo šibke vodikove vezi med posameznimi deli dvoverižne zvite verige DNK,daje molekuli kompleksno prostorsko konformacijo.
- Kvartarna struktura je že kompleksen kompleks DNK z nekaterimi beljakovinami in RNA. V tej konfiguraciji je DNK zapakirana v kromosome v celičnem jedru.
Primarna struktura: komponente DNK
Bloki, iz katerih je zgrajena makromolekula deoksiribonukleinske kisline, so nukleotidi, ki so spojine, od katerih vsaka vključuje:
- dušikova baza - adenin, gvanin, timin ali citozin. Adenin in gvanin spadata v skupino purinskih baz, citozin in timin v pirimidin;
- pet-ogljikov monosaharid deoksiriboza;
- Ostanek ortofosforne kisline.
Pri tvorbi polinukleotidne verige igra pomembno vlogo vrstni red skupin, ki jih tvorijo ogljikovi atomi v krožni molekuli sladkorja. Fosfatni ostanek v nukleotidu je povezan s 5'-skupino (beri "pet praštevil") deoksiriboze, torej s petim ogljikovim atomom. Podaljšanje verige se pojavi tako, da se fosfatni ostanek naslednjega nukleotida pritrdi na prosto 3'-skupino deoksiriboze.
Tako ima primarna struktura DNK v obliki polinukleotidne verige 3'- in 5'-konec. Ta lastnost molekule DNK se imenuje polarnost: sinteza verige lahko poteka samo v eno smer.
tvorba sekundarne strukture
Naslednji korak v strukturni organizaciji DNK temelji na načelu komplementarnosti dušikovih baz – njihovi sposobnosti, da se med seboj povezujejo v parihpreko vodikovih vezi. Komplementarnost - medsebojna korespondenca - nastane, ker adenin in timin tvorita dvojno vez, gvanin in citozin pa trojno vez. Zato pri tvorbi dvojne verige te baze stojijo ena nasproti druge in tvorijo ustrezne pare.
Polinukleotidne sekvence se nahajajo v sekundarni strukturi antiparalelno. Torej, če je ena od verig videti kot 3' - AGGZATAA - 5', bo nasprotno videti takole: 3' - TTATGTST - 5'.
Ko nastane molekula DNK, se podvojena polinukleotidna veriga zasuka, koncentracija soli, nasičenost z vodo in struktura same makromolekule pa določajo, kakšne oblike lahko DNK sprejme na danem strukturnem koraku. Znanih je več takih oblik, označenih z latinskimi črkami A, B, C, D, E, Z.
Konfiguracije C, D in E ne najdemo v prostoživečih živalih in so bile opažene le v laboratorijskih pogojih. Pogledali si bomo glavne oblike DNK: tako imenovane kanonske A in B, pa tudi konfiguracijo Z.
A-DNK je suha molekula
A-oblika je desni vijak z 11 komplementarnimi osnovnimi pari v vsakem zavoju. Njegov premer je 2,3 nm, dolžina enega obrata spirale pa 2,5 nm. Ravnine, ki jih tvorijo parne baze, imajo naklon 20° glede na os molekule. Sosednji nukleotidi so kompaktno razporejeni v verige - med njimi je le 0,23 nm.
Ta oblika DNK se pojavi pri nizki hidrataciji in s povečano ionsko koncentracijo natrija in kalija. Značilno je zaprocesi, pri katerih DNK tvori kompleks z RNA, saj ta ne more prevzeti drugih oblik. Poleg tega je oblika A zelo odporna na ultravijolično sevanje. V tej konfiguraciji najdemo deoksiribonukleinsko kislino v sporah gliv.
Wet B-DNA
Z nizko vsebnostjo soli in visoko stopnjo hidracije, torej v normalnih fizioloških pogojih, DNK prevzame svojo glavno obliko B. Naravne molekule praviloma obstajajo v B-obliki. Ona je tista, ki je osnova klasičnega modela Watson-Crick in je najpogosteje prikazana v ilustracijah.
Za to obliko (je tudi desničar) je značilna manj kompaktna postavitev nukleotidov (0,33 nm) in velik nagib vijaka (3,3 nm). En obrat vsebuje 10,5 baznih parov, vrtenje vsakega od njih glede na prejšnjega je približno 36 °. Ravnine parov so skoraj pravokotne na os "dvojne vijačnice". Premer takšne dvojne verige je manjši od premera A-oblike - doseže le 2 nm.
Nekanonična Z-DNK
Za razliko od kanonske DNK je molekula tipa Z levi vijak. Je najtanjši od vseh, s premerom le 1,8 nm. Njegove tuljave, dolge 4,5 nm, se zdijo podolgovate; ta oblika DNK vsebuje 12 parnih baz na zavoj. Tudi razdalja med sosednjimi nukleotidi je precej velika - 0,38 nm. Torej ima oblika Z najmanj zasuka.
Nastane iz konfiguracije tipa B na tistih območjih, kjer je purinin pirimidinske baze, s spremembo vsebnosti ionov v raztopini. Tvorba Z-DNK je povezana z biološko aktivnostjo in je zelo kratkotrajen proces. Ta oblika je nestabilna, kar povzroča težave pri preučevanju njenih funkcij. Zaenkrat niso povsem jasni.
replikacija DNK in njena struktura
Tako primarne kot sekundarne strukture DNK nastanejo med pojavom, imenovanim replikacija - tvorba dveh enakih "dvojnih vijačnic" iz matične makromolekule. Med replikacijo se izvirna molekula odvije in na sproščenih posameznih verigah se naberejo komplementarne baze. Ker sta polovica DNK antiparalelna, ta proces na njih poteka v različnih smereh: glede na matične verige od 3'-konca do 5'-konca, torej nove verige rastejo v smeri 5' → 3'. Vodilna veriga se nenehno sintetizira proti replikacijski vilici; na zaostajajoči verigi se izvede sinteza iz vilic v ločenih odsekih (Okazakijevi fragmenti), ki jih nato sešije skupaj s posebnim encimom, DNK ligazo.
Medtem ko se sinteza nadaljuje, se že oblikovani konci hčerinskih molekul podvržejo spiralnemu zvijanju. Nato, preden je replikacija končana, novorojene molekule začnejo tvoriti terciarno strukturo v procesu, imenovanem supercoiling.
Super Twisted Molecule
Superzvita oblika DNK se pojavi, ko dvoverižna molekula naredi dodaten zasuk. Lahko je v smeri urinega kazalca (pozitivno) ozproti (v tem primeru govorimo o negativnem supercoilingu). DNK večine organizmov je negativno navit, to je proti glavnim zavojom "dvojne vijačnice".
Zaradi tvorbe dodatnih zank - superzvitkov - DNK pridobi zapleteno prostorsko konfiguracijo. V evkariontskih celicah se ta proces pojavi s tvorbo kompleksov, v katerih se DNK negativno zvije okoli histonskih proteinskih kompleksov in ima obliko niti z nukleosomskimi kroglicami. Prosti deli niti se imenujejo povezovalci. Nehistonski proteini in anorganske spojine sodelujejo tudi pri ohranjanju superzvite oblike molekule DNK. Tako nastane kromatin - snov kromosomov.
Kromatinske verige z nukleosomskimi kroglicami lahko dodatno zapletejo morfologijo v procesu, imenovanem kondenzacija kromatina.
končna kompaktizacija DNK
V jedru postane oblika makromolekule deoksiribonukleinske kisline izredno zapletena in se zbije v več korakih.
- Najprej se filament zvije v posebno strukturo solenoidnega tipa - kromatinsko vlakno debeline 30 nm. Na tej ravni se DNK zloži in skrajša svojo dolžino za 6-10 krat.
- Poleg tega fibril tvori cikcak zanke s pomočjo specifičnih proteinov ogrodja, kar zmanjša linearno velikost DNK že za 20-30-krat.
- Na naslednji ravni se oblikujejo gosto zapakirane domene zanke, ki imajo najpogosteje obliko, ki se običajno imenuje "krtača svetilke". Vežejo se na intranuklearni proteinmatriko. Debelina takšnih struktur je že 700 nm, medtem ko se DNK skrajša za približno 200-krat.
- Zadnja raven morfološke organizacije je kromosomska. Domene zanke so stisnjene do te mere, da se doseže skupno skrajšanje 10.000-krat. Če je dolžina raztegnjene molekule približno 5 cm, se po pakiranju v kromosome zmanjša na 5 mikronov.
Najvišjo stopnjo zapleta oblika DNK doseže v stanju metafaze mitoze. Takrat dobi značilen videz - dve kromatidi, povezani z zožitvijo-centromero, ki zagotavlja razhajanje kromatid v procesu delitve. Interfazna DNK je organizirana do ravni domene in je porazdeljena v celičnem jedru v nobenem posebnem vrstnem redu. Tako vidimo, da je morfologija DNK tesno povezana z različnimi fazami njenega obstoja in odraža značilnosti delovanja te najpomembnejše molekule za življenje.
