DNK (deoksiribonukleinska kislina) je ena najpomembnejših sestavin žive snovi. Preko njega se izvaja ohranjanje in prenos dednih informacij iz roda v rod z možnostjo variabilnosti v določenih mejah. Sinteza vseh beljakovin, potrebnih za živ sistem, bi bila nemogoča brez matriksa DNK. Spodaj bomo obravnavali strukturo, tvorbo, osnovno delovanje in vlogo DNK pri biosintezi beljakovin.
Struktura molekule DNK
Deoksiribonukleinska kislina je makromolekula, sestavljena iz dveh verig. Njegova struktura ima več nivojev organizacije.
Primarna struktura verige DNK je zaporedje nukleotidov, od katerih vsak vsebuje eno od štirih dušikovih baz: adenin, gvanin, citozin ali timin. Verige nastanejo, ko se sladkor deoksiriboze enega nukleotida poveže s fosfatnim ostankom drugega. Ta proces se izvaja s sodelovanjem proteinskega katalizatorja - DNK ligaze
- Sekundarna struktura DNK je tako imenovana dvojna vijačnica (natančneje dvojni vijak). Podlaga je sposobnapovezujejo med seboj na naslednji način: adenin in timin tvorita dvojno vodikovo vez, gvanin in citozin pa trojno. Ta lastnost temelji na načelu komplementarnosti baze, po katerem so verige med seboj povezane. V tem primeru pride do vijačnega (pogosteje desno) zasuka dvojne verige.
- Terciarna struktura je kompleksna konformacija ogromne molekule, ki nastane z dodatnimi vodikovimi vezmi.
- Kvartarna struktura je oblikovana v kombinaciji s specifičnimi beljakovinami in RNA in je način, kako je DNK pakirana v celičnem jedru.
funkcije DNK
Razmislimo o vlogi DNK v živih sistemih. Ta biopolimer je matrica, ki vsebuje zapis o strukturi različnih beljakovin, RNA, ki jo potrebuje telo, pa tudi različne vrste regulativnih mest. Na splošno vse te komponente sestavljajo genetski program telesa.
Prek biosinteze DNK se genetski program prenaša na naslednje generacije, kar zagotavlja dednost informacij, ki so bistvene za življenje. DNK lahko mutira, zaradi česar nastane variabilnost živih organizmov ene biološke vrste in posledično je možen proces naravne selekcije in evolucija živih sistemov.
Med spolnim razmnoževanjem nastane DNK potomca organizma z združevanjem očetovih in materinih dednih informacij. V kombinaciji obstajajo različne različice, kar prispeva tudi k variabilnosti.
Kako se reproducira genetski program
Zaradi komplementarne strukture je možna matrična samoreprodukcija molekule DNK. V tem primeru se podatki, ki jih vsebuje, kopirajo. Podvajanje molekule v dve hčerinski "dvojni vijačnici" se imenuje replikacija DNK. To je zapleten proces, ki vključuje veliko komponent. Toda z določeno poenostavitvijo ga lahko predstavimo kot diagram.
Replikacijo sproži poseben kompleks encimov na določenih področjih DNK. Hkrati se dvojna veriga odvija in tvori replikacijsko vilico, kjer poteka proces biosinteze DNK – nastajanje komplementarnih nukleotidnih zaporedij na vsaki od verig.
Značilnosti replikacijskega kompleksa
Replikacija poteka tudi s sodelovanjem kompleksnega nabora encimov - replisomov, v katerih ima glavno vlogo DNK polimeraza.
Ena od verig v biosintezi DNK je vodilna in se nenehno oblikuje. Nastanek zaostajajočega pramena se pojavi s pritrjevanjem kratkih sekvenc - Okazakijevih fragmentov. Ti fragmenti so vezani z DNA ligazo. Takšen proces se imenuje polkontinuiran. Poleg tega je označena kot polkonservativna, saj je v vsaki od novonastalih molekul ena od verig matična, druga pa hčerka.
Podvajanje DNK je eden ključnih korakov pri delitvi celic. Ta proces je osnova prenosa dednih informacij na novo generacijo, pa tudi rast organizma.
Kaj so beljakovine
Beljakovine sonajpomembnejši funkcionalni element v celicah vseh živih organizmov. Opravljajo katalitične, strukturne, regulacijske, signalne, zaščitne in številne druge funkcije.
Proteinska molekula je biopolimer, ki ga tvori zaporedje aminokislinskih ostankov. Zanj je, tako kot za molekule nukleinske kisline, značilna prisotnost več ravni strukturne organizacije - od primarne do kvartarne.
Obstaja 20 različnih (kanoničnih) aminokislin, ki jih živi sistemi uporabljajo za izgradnjo velikega števila beljakovin. Beljakovine se praviloma ne sintetizirajo same. Vodilno vlogo pri tvorbi kompleksne beljakovinske molekule imajo nukleinske kisline - DNK in RNA.
Bistvo genetske kode
Torej, DNK je informacijska matrica, ki hrani informacije o beljakovinah, potrebnih za rast in življenje telesa. Beljakovine so zgrajene iz aminokislin, DNK (in RNA) iz nukleotidov. Določena nukleotidna zaporedja molekule DNK ustrezajo določenim zaporedjem aminokislin določenih beljakovin.
V celici je 20 vrst beljakovinskih strukturnih enot – kanoničnih aminokislin, v DNK pa 4 vrste nukleotidov. Vsaka aminokislina je torej na matriksu DNK zapisana kot kombinacija treh nukleotidov – tripleta, katerega ključne sestavine so dušikove baze. To načelo korespondence se imenuje genetska koda, bazni trojčki pa se imenujejo kodoni. Gene jezaporedje kodonov, ki vsebuje zapis proteina in nekaj servisnih kombinacij baz - začetni kodon, stop kodon in drugo.
Nekatere lastnosti genetske kode
Genetska koda je skoraj univerzalna - z zelo redkimi izjemami je enaka v vseh organizmih, od bakterij do ljudi. To priča, prvič, o odnosu vseh življenjskih oblik na Zemlji, in drugič, o starodavnosti same kode. Verjetno so se v zgodnjih fazah obstoja primitivnega življenja precej hitro oblikovale različne različice kode, vendar je le ena dobila evolucijsko prednost.
Poleg tega je specifična (nedvoumna): različne aminokisline niso kodirane z istim tripletom. Prav tako je za genetsko kodo značilna degeneracija ali redundanca – več kodonov lahko ustreza isti aminokislini.
Genetski zapis se neprekinjeno bere; funkcije ločil opravljajo tudi trojke osnov. V genetskem "besedilu" praviloma ni prekrivajočih se zapisov, a tudi tukaj so izjeme.
Funkcionalne enote DNK
Celota vsega genskega materiala organizma se imenuje genom. Torej je DNK nosilec genoma. Sestava genoma vključuje ne le strukturne gene, ki kodirajo določene beljakovine. Pomemben del DNK vsebuje regije z različnimi funkcionalnimi nameni.
Torej, DNK vsebuje:
- regulativnozaporedja, ki kodirajo specifične RNA, kot so genetska stikala in regulatorji strukturne genske ekspresije;
- elementi, ki uravnavajo proces transkripcije - začetna faza biosinteze beljakovin;
- psevdogeni so nekakšni "fosilni geni", ki so zaradi mutacij izgubili sposobnost kodiranja beljakovin ali se transkribirajo;
- mobilni genetski elementi - regije, ki se lahko premikajo znotraj genoma, kot so transpozoni ("skakajoči geni");
- telomeri so posebne regije na koncih kromosomov, zaradi katerih je DNK v kromosomih zaščitena pred skrajšanjem z vsakim dogodkom replikacije.
Vpletenost DNK v biosintezo beljakovin
DNK lahko tvori stabilno strukturo, katere ključni element je komplementarna spojina dušikovih baz. Dvojna veriga DNK zagotavlja, prvič, popolno reprodukcijo molekule, in drugič, branje posameznih delov DNK med sintezo beljakovin. Ta postopek se imenuje transkripcija.
Med transkripcijo se odcepi del DNK, ki vsebuje določen gen, in na eni od verig - šablonski - se sintetizira molekula RNA kot kopija druge verige, imenovane kodirna. Ta sinteza temelji tudi na lastnosti baz, da tvorijo komplementarne pare. Pri sintezi sodelujejo nekodirajoča servisna področja DNK in encim RNA polimeraza. RNA že služi kot predloga za sintezo beljakovin, DNK pa ni vključena v nadaljnji proces.
Povratna transkripcija
Dolgo časa je veljalo, da je matricakopiranje genetskih informacij lahko gre samo v eno smer: DNK → RNA → protein. Ta shema je bila imenovana osrednja dogma molekularne biologije. Vendar pa je bilo med raziskavami ugotovljeno, da je v nekaterih primerih možno kopirati iz RNA v DNK - tako imenovana reverzna transkripcija.
Zmožnost prenosa genskega materiala iz RNA v DNK je značilna za retroviruse. Tipičen predstavnik takšnih virusov, ki vsebujejo RNA, je virus človeške imunske pomanjkljivosti. Integracija virusnega genoma v DNK okužene celice poteka s sodelovanjem posebnega encima - reverzne transkriptaze (revertaze), ki deluje kot katalizator biosinteze DNK na RNA predlogi. Revertaza je tudi del virusnega delca. Novonastala molekula je integrirana v celično DNK, kjer služi za proizvodnjo novih virusnih delcev.
Kaj je človeška DNK
Človeška DNK, ki jo vsebuje celično jedro, je pakirana v 23 parov kromosomov in vsebuje približno 3,1 milijarde parnih nukleotidov. Poleg jedrske DNK človeške celice, tako kot drugi evkariontski organizmi, vsebujejo mitohondrijsko DNK, ki je dejavnik dednosti organelov mitohondrijske celice.
Kodirajoči geni jedrske DNK (teh je od 20 do 25 tisoč) sestavljajo le majhen del človeškega genoma - približno 1,5%. Preostali del DNK se je prej imenoval "junk", vendar številne študije razkrivajo pomembno vlogo nekodirajočih regij genoma, o katerih smo razpravljali zgoraj. Zelo pomembno je tudi preučevanje procesovpovratna transkripcija v človeški DNK.
Znanost je že oblikovala dokaj jasno razumevanje, kaj je človeška DNK v strukturnem in funkcionalnem smislu, vendar bo nadaljnje delo znanstvenikov na tem področju prineslo nova odkritja in nove biomedicinske tehnologije.
