Deoxyribonukleinsyre - DNA - tjener som en bærer af arvelig information, der overføres af levende organismer til de næste generationer, og en matrix til konstruktion af proteiner og forskellige regulatoriske faktorer, som kroppen kræver i vækst- og livprocesserne. I denne artikel vil vi fokusere på, hvad der er de mest almindelige former for DNA-struktur. Vi vil også være opmærksomme på, hvordan disse former er opbygget, og i hvilken form DNA findes inde i en levende celle.
Organisationsniveauer for DNA-molekylet
Der er fire niveauer, der bestemmer strukturen og morfologien af dette gigantiske molekyle:
- Det primære niveau eller struktur er rækkefølgen af nukleotiderne i kæden.
- Den sekundære struktur er den berømte "dobbelt helix". Det er denne sætning, der er faldet til ro, selvom en sådan struktur faktisk ligner en skrue.
- Den tertiære struktur dannes på grund af, at der opstår svage hydrogenbindinger mellem individuelle sektioner af den dobbeltstrengede snoede DNA-streng,giver molekylet en kompleks rumlig konformation.
- Den kvaternære struktur er allerede et komplekst DNA-kompleks med nogle proteiner og RNA. I denne konfiguration er DNA pakket ind i kromosomer i cellekernen.
Primær struktur: DNA-komponenter
De blokke, hvorfra makromolekylet af deoxyribonukleinsyre er bygget, er nukleotider, som er forbindelser, som hver omfatter:
- nitrogenholdig base - adenin, guanin, thymin eller cytosin. Adenin og guanin tilhører gruppen af purinbaser, cytosin og thymin hører til pyrimidin;
- fem-carbon monosaccharid deoxyribose;
- Orthophosphorsyrerest.
I dannelsen af en polynukleotidkæde spilles en vigtig rolle af rækkefølgen af grupper dannet af carbonatomer i et cirkulært sukkermolekyle. Fosfatresten i nukleotidet er forbundet med 5'-gruppen (læs "fem primtal") af deoxyribose, det vil sige til det femte carbonatom. Kædeforlængelse sker ved at fæstne en fosfatrest af det næste nukleotid til den frie 3'-gruppe af deoxyribose.
Den primære struktur af DNA i form af en polynukleotidkæde har således 3'- og 5'-ender. Denne egenskab ved DNA-molekylet kaldes polaritet: syntesen af en kæde kan kun gå i én retning.
Sekundær strukturdannelse
Det næste trin i den strukturelle organisering af DNA er baseret på princippet om komplementaritet af nitrogenholdige baser - deres evne til at forbinde i par med hinandengennem hydrogenbindinger. Komplementaritet - gensidig korrespondance - opstår, fordi adenin og thymin danner en dobbeltbinding, og guanin og cytosin danner en tredobbelt binding. Derfor, når de danner en dobbeltkæde, står disse baser overfor hinanden og danner de tilsvarende par.
Polynukleotidsekvenser er placeret i den sekundære struktur antiparallel. Så hvis en af kæderne ser ud som 3' - AGGZATAA - 5', så vil det modsatte se sådan ud: 3' - TTATGTST - 5'.
Når et DNA-molekyle dannes, snoes den fordoblede polynukleotidkæde, og koncentrationen af s alte, vandmætning og selve makromolekylets struktur bestemmer, hvilke former DNA kan antage på et givet strukturelt trin. Der kendes adskillige sådanne former, betegnet med latinske bogstaver A, B, C, D, E, Z.
Konfiguration C, D og E findes ikke i dyrelivet og er kun blevet observeret under laboratorieforhold. Vi vil se på de vigtigste former for DNA: de såkaldte kanoniske A og B, samt Z-konfigurationen.
A-DNA er et tørt molekyle
A-form er en højrehåndsskrue med 11 komplementære basepar i hver omgang. Dens diameter er 2,3 nm, og længden af en drejning af spiralen er 2,5 nm. Planerne dannet af de parrede baser har en hældning på 20° i forhold til molekylets akse. Nabonukleotider er kompakt arrangeret i kæder - der er kun 0,23 nm mellem dem.
Denne form for DNA forekommer med lav hydrering og med en øget ionisk koncentration af natrium og kalium. Det er typisk forprocesser, hvor DNA danner et kompleks med RNA, da sidstnævnte ikke er i stand til at antage andre former. Derudover er A-formen meget modstandsdygtig over for ultraviolet stråling. I denne konfiguration findes deoxyribonukleinsyre i svampesporer.
Wet B-DNA
Med et lavt s altindhold og en høj grad af hydrering, det vil sige under normale fysiologiske forhold, antager DNA sin hovedform B. Naturlige molekyler findes som regel i B-formen. Det er hende, der ligger til grund for den klassiske Watson-Crick-model og er oftest afbildet i illustrationer.
Denne form (den er også højrehåndet) er karakteriseret ved mindre kompakt placering af nukleotider (0,33 nm) og en stor skruestigning (3,3 nm). En omgang indeholder 10,5 basepar, rotationen af hver af dem i forhold til den foregående er omkring 36 °. Parrenes planer er næsten vinkelrette på "dobbelthelixens" akse. Diameteren af sådan en dobbeltkæde er mindre end A-formens - den når kun 2 nm.
Ikke-kanonisk Z-DNA
I modsætning til kanonisk DNA er Z-type-molekylet en venstrehåndsskrue. Den er den tyndeste af alle med en diameter på kun 1,8 nm. Dens spoler, 4,5 nm lange, synes at være aflange; denne form for DNA indeholder 12 parrede baser pr. tur. Afstanden mellem tilstødende nukleotider er også ret stor - 0,38 nm. Så Z-formen har det mindste twist.
Det er dannet ud fra en B-type konfiguration i de områder, hvor purinog pyrimidinbaser med en ændring i indholdet af ioner i opløsning. Dannelsen af Z-DNA er forbundet med biologisk aktivitet og er en meget kortvarig proces. Denne form er ustabil, hvilket skaber vanskeligheder i studiet af dets funktioner. Indtil videre er de ikke helt klare.
DNA-replikation og dens struktur
Både de primære og sekundære strukturer af DNA opstår under et fænomen kaldet replikation - dannelsen af to identiske "dobbelthelixer" fra det overordnede makromolekyle. Under replikation afvikles det originale molekyle, og komplementære baser opbygges på de frigivne enkeltkæder. Da DNA-halvdelene er antiparallelle, forløber denne proces på dem i forskellige retninger: i forhold til forældrekæderne fra 3'-enden til 5'-enden, dvs. nye kæder vokser i retningen 5' → 3'. Den ledende streng syntetiseres kontinuerligt mod replikationsgaflen; på lagging-strengen udføres syntese fra gaflen i separate sektioner (Okazaki-fragmenter), som derefter sys sammen af et særligt enzym, DNA-ligase.
Mens syntesen fortsætter, gennemgår de allerede dannede ender af dattermolekylerne spiralformede vridninger. Derefter, før replikationen er fuldført, begynder de nyfødte molekyler at danne en tertiær struktur i en proces kaldet supercoiling.
Super Twisted Molecule
Den supersnoede form af DNA opstår, når et dobbeltstrenget molekyle laver et ekstra twist. Det kan være med uret (positivt) ellerimod (i dette tilfælde taler man om negativ supercoiling). DNA'et fra de fleste organismer er negativt supercoiled, det vil sige mod hovedvindingerne af "dobbelt helix".
Som et resultat af dannelsen af yderligere loops - supercoils - får DNA en kompleks rumlig konfiguration. I eukaryote celler sker denne proces med dannelsen af komplekser, hvor DNA spoler sig negativt omkring histonproteinkomplekser og tager form af en tråd med nukleosomperler. Frie dele af tråden kaldes linkere. Ikke-histonproteiner og uorganiske forbindelser deltager også i opretholdelsen af den supersnoede form af DNA-molekylet. Sådan dannes kromatin - kromosomernes substans.
Kromatinstrenge med nukleosomale perler er i stand til yderligere at komplicere morfologien i en proces kaldet kromatinkondensering.
Endelig komprimering af DNA
I kernen bliver formen af deoxyribonukleinsyremakromolekylet ekstremt kompleks og komprimeres i flere trin.
- Først vikles glødetråden ind i en speciel solenoide-type struktur - en kromatinfibril 30 nm tyk. På dette niveau folder DNA og forkorter dets længde med 6-10 gange.
- Yderligere danner fibrillen zigzag-løkker ved hjælp af specifikke stilladsproteiner, hvilket reducerer den lineære størrelse af DNA allerede 20-30 gange.
- Tætpakkede løkkedomæner dannes på næste niveau, som oftest har en form, der konventionelt kaldes "lampebørste". De binder sig til det intranukleære proteinmatrix. Tykkelsen af sådanne strukturer er allerede 700 nm, mens DNA er forkortet med cirka 200 gange.
- Det sidste niveau af morfologisk organisering er kromosom alt. Sløjfedomænerne komprimeres i en sådan grad, at der opnås en samlet afkortning på 10.000 gange. Hvis længden af det strakte molekyle er ca. 5 cm, falder det til 5 mikron efter pakning i kromosomer.
Det højeste niveau af komplikation af DNA-formen når i tilstanden af metafase af mitose. Det er så, at det får et karakteristisk udseende - to kromatider forbundet med en indsnævring-centromer, som sikrer, at kromatider divergerer i delingsprocessen. Interfase-DNA er organiseret ned til domæneniveau og er fordelt i cellekernen i nogen bestemt rækkefølge. Således ser vi, at morfologien af DNA er tæt forbundet med de forskellige faser af dets eksistens og afspejler funktionerne i dette vigtigste molekyle for livet.
