Deoksiribonukleinska kiselina

Izvor: Wikipedija

Animacija DNA
Povećaj
Animacija DNA

Deoksiribonikleinska kiselina (eng. DNA) je nukleinska kiselina u obliku dvostruke, spirano zavijene zavojnice koja sadrži genetičke odrednice za specifični biološki razvoj staničnih oblika života i većine virusa. DNA je dugački polimer nukleotida i kodira redoslijed aminokiselina u proteinima koristeći genetički kod tj. trostruki kod nukleotida.

U eukariotskim stanicama kao što su biljke, životinje, gljive i protisti, većina DNA je smještena u staničnoj jezgri. Nasuprot tome, u jednostavnijih stanica zvane prokarioti (bakterije), DNA nije odvojena od citoplazme jezgrinom ovojnicom (jezgra u tih stanica kao takva ne postoji). Stanične organele kao što su mitohondriji i kloroplasti također sadrže DNA.

DNA je osnovna molekula na kojoj se temelji nasljeđivanje i odgovorna je za prenošenje nasljednog materijala i osobina. U ljudi, te osobine mogu ići od boje kose do sklonosti prema nekim bolestima. Za vrijeme diobe stanice, DNA se replicira i prenosi se potomcima putem reprodukcije. Istraživanja porijekla mogu se bazirati i na mitohondrijskoj DNA koju dobivamo samo od majke i muškom Y kromosomu kojeg dobivamo samo od oca.

DNA svake osobe, njihov genom, nasljeđen je od oba roditelja. Majčina mitohondrijska DNA zajedno sa 23 kromosoma od svakog roditelja kombinira se u tvorbi genoma zigote tj. oplođene jajne stanice. Kao rezultat, uz pojedine iznimke npr. crvene krvne stanice, većina ljudskih stanica sadrži 23 para kromosoma, zajedno sa mitohondrijskom DNA nasljeđene od majke.

Sadržaj

[uredi] Uvod

Osnovna građa dijela (vjerojatno gena) jedne Deoksiribonukleinske kiseline
Povećaj
Osnovna građa dijela (vjerojatno gena) jedne Deoksiribonukleinske kiseline

DNA nije jedinstvena molekula nego par molekula koje su međusobno povezane vodikovim vezama i organizirane tako da su njeni lanci međusobno komplementarni, od početka do kraja. Svaki lanac se lanac DNA sastoji od gradivnih jedinica zvane nuklotidi kojih ima 4 vrste: adenin (A), citozin (C), guanin (G) i timin (T). U nekim organizmima, posebice u PBS1 faga, uracil zamjenjuje timin u DNA samog organizma. Te osnovne komponente nuklenskih kiselina mogu biti polimerizirane po bilo kojem redu po čemu je sama molekula jedinstvena.

Između dva lanca, svaka baza jednog može biti sparena s određenom bazom drugog lanca i to tako da se adenin spaja uvijek sa timinom, i obrnuto te citozin uvijek sa guaninom, i obrnuto. Tako dobivamo moguće kombinacije: A+T, T+A, C+G, G+C. U rijetkim se situacijama događa krivo sparivanje npr. kad timin prijeđe u svoju enolni oblik, a citozin u imino oblik. Dvolančana struktura DNA omogućava jednostavan mehanizam za DNA replikaciju: lanci DNA se odvajaju poput patenta zatvarača čime se lanci otvaraju prema brojnim nukleotidima u okolini. Enzimi stvaraju novi lanac tržeći pravilnu bazu u okolini i sparuju je sa originalnim jednostrukim lancem. Naravno, baza na starom lancu određuje koja će baza biti na novom lancu da se sačuva komplementarnost. Tako stanica završava replikaciju sa još jednom kopijom svoje DNA.

DNA sadrži genetičku informaciju koja se nasljeđuje potomcima. Ta informacija određena je redoslijedom parova baza. Lanac DNA sadrži gene, područja koja reguliraju gene i pogručja koja nemaju nikakvu funkciju ili funkciju koju mi još ne znamo. Geni se mogu shvatiti kao kuharica ili program organizma.

Još neke odrednice DNA:

  • DNA je kiselina zbog fosfatnih grupa između svake deoksiriboze. To je primaran razlog negativnog naboja DNA.
  • Polaritet pojedinog para je bitno pa A+T nije isto T+A i C+G nije isto G+C.
  • Mutacije su određene greške u lancima DNA koje su nastale slučajno bilo da su baze preskočene, umetnute ili nepravilno kopirane, zatim lanci mogu biti nadodani ili odrezani ili su to pak kombinacije svih ovih nezgodnih operacija. Mutacije se javljaju pri kemijskim oštećenjima (mutageni), oštećenjima zračenjem (UV zrake) ili kompliciranim zamjenama gena.
  • DNA djeluje kao enzim u laboratorijskim uvijetima, ali kod živih organizama to još nije utvrđeno.
  • Tradicijski gledano DNA gradi dvostruku formu (Watson-Crickov model), ali može graditi trostruke pa i četverostruke forme (Hoogstenov model).
  • DNA se od ribonukleinske kiseline (RNA) razlikuje po tome što sadrži 2-deoksiribozu umjesto riboze te što je timin zamijenjen nukleotidom uracilom.

[uredi] DNA u praksi

[uredi] DNA i kriminal

Forenzičari koriste DNA iz krvi, sjemena, kože, sline ili kose koje su pronađene na mjestu zločina za identificiranje mogućih sumnjivaca u procesu koji se naziva genetički otisak prsta u određivanju DNA profila. Koriste se komadići slijedova repetitivne DNA kao npr. Kratki niz ponovljenih sekvenci ili minisateliti koji se uspoređuju. Metodu je razvio 1984. engleski genetičar Alec Jeffreys na Sveučilištu u Leicesteru za dokazivanje krivnje Colina Pitchforka 1988. pomoću računalne baze podataka. To je pomoglo istražiteljima da riješe stare slučajeve gdje je zločinac bio nepoznat, a postojao je uzorak DNA sa mjseta događaja (npr. slučajevi silovanja). Ova je metoda najviše pouzdana za identificiranje kriminalaca, ali nije uvijek savršena jer DNA ponekad ne može biti nađena ili samo mjesto zločina može biti kontaminirano sa DNA više mogućih osumnjičenka.

[uredi] DNA - povijesna i antropološka istraživanja

DNA istraživanje se provodi pri praćenju hoda ljudske populacije tijekom vremena te za dokazivanje i identifikaciju određenih ljudskih skupina i povijesnih osoba. Naravno koristi se i za određivanje rodovskih poveznica (rodoslovnog stabla) te testiranje majčinstva i očinstva.

[uredi] Molekularna struktura

DNA, molekula nasljeđivanja, općenito gledajući je jedna makromolekula koja se u biti sastoji od dva lanca molekula koji su međusobno uvijeni jedan oko drugog u obliku dvostrukog heliksa. Kemijski se lanac DNA sastoji od niza nukleotida, a svaki se nukleotid sastoji od šećera (deoksiriboza), fosfata i nukleobaza (baza). Prema tome, DNA je polimer jer se sastoji od određenih podjedinica tj. nukleotida.

Raznolikost baza znači da postoji 4 vrste nukleotida, koji se identificirajuprema njihovim bazama. To su adenin, timin, citozin i guanin. Rijetko DNA sadrži uracil kao bazu (DNA PBS1 faga gdje je timin zamjenjen uracilom). Suprotno tome, RNA molekula redovito u svom sastavu ima uracil umjesto timina, osim u nekih transportnih RNA gdje timin postoji na nekim mjestima. Jedina bitna razlika između DNA i RNA je što DNA ima deoksiribozu, RNA ribozu.

Svaki polinukleotidni lanac je pridružen drugome zbog vodikovih veza koje nastaju među njima i određuju komplementarno sparivanje prema pravilu: A sa T i C sa G. Identitet baza pri tome određuje i jačinu i duljinu trajanja veze.

Zbog sparivanja baza, same baze su okrenute prema unutrašnjosti molekule tvoreći osovinu zavojnice, a fosfatne grupe i šećeri nukleotida su okrenute prema van pri čemu lanci čine kostur zavojnice. Povezivanje samih nukleotida omogućuju kemijske veze među fosfatima i šećerima oblikujući polinukleotidni lanac.

Moguće je da dođe to otapanja ili disocijacije DNA dvostrukog heliksa, pri čemu se svaki pojedini lanac koristi za sintetiziranje novih lanaca istobitnih prvome. Greške koje se javljaju pri sintezi poznate su kao mutacije. Proces lančane reakcije polimeraze – PCR (polymerase chain reaction) koristi se u laboratoriju u in vitro sintezi velikih količina DNA u različite istraživačke svrhe.

[uredi] Uloga redosljeda

Unutar gena, redoslijed nukleotida duž DNA određuje glasničku RNA (eng. messenger RNA) koja pak definira protein kojeg je organizam dužan obraditi izraziti na određena mjesta tijekom života. Translacija proces kojim se odvija sinteza proteina pomoću redoslijeda aminokiselina određene redoslijedom nukleotida. Taj redoslijed nukleotida naziva se genetički kod, a sastoji se od tri nukleotida i naziva se kodon kojeg opisujemo trima slovima imena baza (npr. ACT, CAG, TTT). Ti kodoni traslacijom stvaraju glasničku RNA (mRNA) i tada transportna RNA (eng. transfer RNA ili tRNA) prema odgovarajućem kodonu dodaje odgovarajuću aminokiselinu. Moguće je 64 kodona ( 4 vrste baza za tri mjesta kodona: 43) koji kodiraju 20 aminokiselina. Više kodona može kodirati jednu te istu aminokiselinu, a postoje i ‘’stop’’ ili nonsensni kodoni koji označavaju kraj kodne regije (UAA, UGA i UAG kodoni).

U mnogih vrsta, samo mali dio ukupnog redoslijeda genoma kodira protein. Na primjer, samo 1.5% humanog genoma se sastoji od dijelova koji kodiraju proteine, a to su egzoni. Funkcija ostalih dijelova je manje poznata. Postoje redoslijedi DNA koji imaju specifični afinitet za proteine koji vežu DNA ( DNA binding proteins) koji igraju veliku ulogu u replikaciji i tanskripciji. Takvi redoslijedi DNA nazivaju se regulacijske sekvence i istraživači pretpostavljaju da su našli tek mali dio takvih sekvenci od ukupnog broja. Otpadna DNA (junk DNA) predstavlja redoslijede u kojima nema gena i nemaju nikakvu funkciju. Razlozi postojanja toliko mnogo nekodirajuće DNA u eukariotskim genomima i iznimne razlike velične genoma (C – veličina) između vrsta predstavljaju problem nazvan enigma C-veličine.

Neke sekvence DNA igraju strukturnu ulogu u kromosomima. Telomere i centromere sadrže malo ili uopće ne sadrže gene za kodiranje proteina, ali su važne za funkciju i stabilnost kromosoma. Neki RNA geni kodiraju traskripte koji funkcioniraju kao regilatorne DNA koje utječu na funkciju drugih DNA molekula. Intrinska i egzonska struktura nekih gena (geni imunoglobulina i protokadeherina) su važni za dopuštanje alternativnog izrezivanja (splicing) pre-mRNA te se pri tome stvaraju različiti proteini koji u biti potječu od jednog gena. Neke nekodirajuće regije predtavljaju pseudogene koji mogu biti korišteni kao materijal za stvaranje novih gena s novim funkcijama. Postoje i nekodirajuće regije koje omogućuju vruće točke za duplikaciju kratkih dijelova DNA te takve duplicirane sekvence mogu biti glavni oblik genetičke promijene u ljudskom porijeklu. Egzoni među kojima je mnoštvo introna omogućuju ‘’egzonsku prevrtljivost’’ pri stvaranju modificiranih gena koji mogu imati novu prilagodbenu funkciju. Velika količina nekodirajuće DNA su vjerojatno prilagodbeni tako što omogućuju kromosomskim regijama gdje se vrši rekombinacija između homolognih dijelova kromosoma bez poremećaja u funkciji gena. Redoslijedi DNA također određuju podložljivost cijepanju restrikcijskim enzimima vrlo bitnim za genetički inženjering. Točno mjesto cijepanja nečijeg genoma vrstu ‘’DNA otiska’’ pojedine individue.

[uredi] Replikacija

DNA replikacija
DNA replikacija

DNA replikacija ili sinteza DNA je proces umnažanja dvolančene DNA prije stanične diobe. Replikacija se odvija na replikacijskoj viljušci i u njoj sudjeluju oba lanca. U sintezi sudjeluju enzimi: DNK i RNK polimeraze, egzonukleaze, DNK ligaza i helikaza koja odmotava molekulu DNK. Enzimi helikaze kidaju vodikove veze između N (dušičnih) baza dvaju lanaca u molekuli DNK. Odmotavanje lanca pomaže SSB protein koji drži lance odmotane da se ponovo ne vežu (spetljaju).

RNK polimeraza (primaza) stvara RNK-prajmere (kratke segmente od 30 nukleotida; čije prisustvo je uvijet za dijleovanje DNK polimeraze). DNK polimeraza sintetizira nove lance u smjeru 5---3 tzv. vodeći lanac (od roditeljskog lanca 3---5 smjera, koji služi kao predložak). Roditeljski lanac DNK koji je 5---3 smjera služi kao predložak za sintezu kratkih dijleova novg lanca DNK tzv. okazaki fragmenti, koje enzim DNK-ligaza spaja u tzv. zaostajući lanac (koji će imati 3---5 smjer). Dva dobivena lanca savršeno su identični, ali se ponekad u tom procesu mogu pojaviti i greške kao mutacije ( npr. zbog izlaganja kemikalijama zračenju). Svaka od njih se sastoji od jednog originalnog lanca i jednog lanca koji je novo sintetiziran. To se naziva semikonzervativna replikacija. Proces replikacije odvija se u tri stupnja: inicijacija, elongacija i terminacija.

   Ovaj članak nema wikipoveznica ili ih ima premalo.
Članak treba dopuniti dodavanjem wikipoveznica na druge pojmove.


[uredi] Osobine molekule

[uredi] Asocijacija i disocijacija lanaca

Vodikove veze između lanaca u dvostrukom heliksu su toliko slabe dovoljno da lanci mogu biti razdvojeni enzimima. Enzimi zvani helikaze odvijaju lance da ubrzaju napredovanje enzima koji čita sekvence kao DNA polimeraza. Zaodvijanje je potrebno da helikaza cijepa fosfatni kostur jednog od lanca u namjeri da se okrene oko drugog. Lanci mogu biti razdvojeni i na lagano višoj temperaturi ako imaju manje od 10,000 parova baza (10 kilobaza), na čemu se temelji PCR tehnologija.

[uredi] Kružna DNA

Kad su krajevi komada dvostruke zavojnice DNA spojeni tako da tvore krug, kao u plazmida, lanci su topološki zamršeni. To znači da ne mogu biti razdvojeni laganim zagrijavanjem ili bilo kojim procesom koji ne uključuje prekidanje lanaca. Enzimi topoizomeraze su zaslužni za odmrsavanje topološki povezanih lanaca. Neki enzimi to čine cijepanjem dvaju lanaca tako da i drugi dvolančani segment može proći. Odmrsavanje je potrebno za replikaciju kružne DNA kao i za različite tipove linearnih DNA.

[uredi] Velika dužina nasuprot vrlo malenoj širini

Zbog uske širine uzvojnice skoro ju je nemoguće detektirati elektronskim mikroskopom osim pri jačem bojenju. Nasuprot tome, dužina lanaca u humanim kromosomima prosječno iznosi 2 metra. Prema tome stanica ju mora upakirati da se normalno može nalaziti u njima. To je jedna od funkcija kromosoma koji sadrže okruglaste proteine zvane histoni, oko kojih se mota DNA.

[uredi] Entropijsko rastezanje


Kada se DNA nalazi u otopini, podvrgnuta je komformacijskim kolebanjima zbog energije koja se nalazi u samoj otopini. Zbog entropijskih razloga, savitljiva stanja su termički pogodnija od rastegnutih stanja. Zato se DNA rasteže slično gumenoj traci. Koristeći optička kliješta, entropijsko rastezanje DNA je analizirano iz perspektive fizike polimera i utvrđeno je da se DNA ponaša kao Kratky-Porodov crvoliki lanac, model sa duljinom postojanosti od oko 53 nm.

DNA se zatim podvrgava rastezanju faznog prijelaza pri sili od 65 pN. Pri višim vrijednostima sile, DNA poprima oblik koji je pretpostavio Linus Pauling tako da se fosfati nalaze u sredini, a baze su okrenute prema van. Ta predložena struktura se naziva P-oblik DNA u čast Paulingu.

[uredi] Geometrijski oblici DNA


DNA zavojnica može poprimiti geometrijski tri različita oblika od kojih su B oblik opisali James D. Watson i Francis Crick za kojeg se smatra da je dominantan u stanicama. Takva DNA je široka 2 nanometra, a duljina 10 parova baza (10 bp) po sekvenci je 3.4 nm. To je također prosječna duljina sekvence pri kojoj dvostruka zavojnica napravi potpuni zavoj oko osi. Frekvencija zavoja ovisi o silama koje svaka baza vrši na susjednu bazu u lancu.

[uredi] Superzavojnica

B oblik DNA zavojnice se zakreće 360° po 10 bp u odsutnosti naprezanja. Ali mnogi molekularni biološki procesi mogu izazvati to naprezanje. To će rezutirati prevelikim ili premalim zavojima, odnosno kao pozitivno ili negativno superzavijanje. DNA je in vivo tipično negativno superzavijena, što ubrzava odmotavanje dvostrukog heliksa za transkripciju.

[uredi] Nabor šećera

Postoje 4 konformacije prstena ribofuranoze u nukleotidu:

1. C-2' endo

2. C-2' egzo

3. C-3' endo

4. C-3' egzo

Riboza je inače u C-3’ endo, dok su deoksiriboze inače u C-2’endo konformaciji šećernog nabora. A i B oblici se uglavnom razlikuju po njihovim šećernim oblicima. U A obliku, C3’ konfiguracija je iznad prstena šećera dok je kod C2’ konfiguracije ispod. Tako se A oblik opisuje kao C-3’ endo. Isto tako, u B obliku, C2’ konfiguracija je iznad prstena šećera, a C3’ ispod pa se naziva C-2’ endo. Drukčije nabiranje A-DNA rezultira skraćenju udaljenosti između susjednih fosfata za 1 angstrem. To daje 11 ili12 parova baza u zavoju DNA lanca, umjesto 10.5 u B-DNA. Šećerni nabor daje DNA jednoliki oblik vrpce, sa cilindrično otvorenim središtem i skučenjim,izraženim dubljim glavnim utorom nego što su utori u B-DNA.

[uredi] A i Z oblici zavojnice

Dva ostala poznata geometrijska oblika (A i Z) razlikuju se u njihovoj geometriji i dimenzijama. A oblik se nalazi samo u dehidriranim uzorcima DNA, kao što su oni koji se nalaze u kristalografskim eksperimentima te u hibridno sparenih DNA i RNA lanaca. Segmenti DNA koje je stanica metilirala u regulacijske svrhe pripadaju Z geometriskom obliku u kojem se lanci okreću oko osi zavonice kao zrcalna slika B oblika.

[uredi] Odlike različitih oblika zavojnica


Geometry attribute A-form B-form Z-form
Smjer zavojnice desni vijak desni vijak lijevi vijak
Jedinica ponavljanja 1 bp 1 bp 2 bp
Rotacija/bp 33.6° 35.9° 60°/2
Broj parova baza po zavoju 10.7 10.4 12
Inklinacija bp od osi +19° -1.2° -9°
Rast/bp duž osi 0.23 nm 0.332 nm 0.38 nm
Period po okretu zavojnice 2.46 nm 3.32 nm 4.56 nm
Srednji okret vijka +18° +16°
Glikozilni kut anti anti C: anti,
G: syn
Šećerni nabor C3'-endo C2'-endo C: C2'-endo,
G: C2'-exo
Promjer 2.6 nm 2.0 nm 1.8 nm

Treba spomenuti da postoje i neki nezavojiti oblici DNA npr. SBS (side-by-side; usporedna) konfiguracija DNA.

[uredi] Smjer lanaca


Asimetrični oblik i povezanost nukleotida znači da DNA lanac uvijek ima određenu orijentaciju i usmjerenost. Zbog usmjerenosti, blizak uvid u dvostruku zavojnicu otkriva da nukleotidi jednoga lanca prate jedan put (acendentni lanac) odnosno lanac ‘’raste’’, a nukleotidi drugog lanca drugi put (descendentni lanac) odnosno taj lanac ‘’opada’’. Tako izgleda da su lanci antiparalelni.

[uredi] Kemijska nomenklatura (5’ i 3’ krajevi)


U svakoj DNA postoje asimetrični krajevi pri čemu kraj prvog lanca naziva 5’ kraj, a kraj drugog lanca 3’ kraj. Unutar stanice, enzimi koji izvode replikaciju i transkripciju čitaju DNA uvijek od 3’ prema 5’ smjeru jednog lanca, dok enzimi koji provode translaciju (na RNA) čitaju u suprotnom smjeru. U laboratorijskim uvijetima moguće su i manipulacije smjera čitanja. U vertikalno orijentiranoj dvostrukoj zavonici kažemo da lanac od 3’ kraja raste, a drugi lanac od 5’ kraja opada.

[uredi] ‘’Sense’’ i ‘’antisense’’


Rezultat antiparalelnog ustroja lanaca i odlika enzima koji čitaju sekvence DNA je taj da stanice mogu pravilno translatirati samo jedan od njih. Drugi se lanac može čitati samo unatrag. Prema molekularnim biolozima sekvenca je smislena (‘’sense’’) ako može biti prevedna, a njezina komplementarna sekvenca je antismislena (‘’antisense’’). Prema svemu ovome podloga za transkripciju je ‘’sense’’ sekvenca, a transkript smislenog lanca je i sam po sebi smislen.

[uredi] Razlike među sense i antisense sekvenci


U malog udijela gena prokariota, te više u virusa i plazmida postoje male razlike između sense i antisense lanaca. Određene sekvence njihovog genoma ima dvostruku zadaću da očitavaju jedan lanac u smjeru 5’ prema 3’ te drugi lanacu smjeru 3’ prema 5’. Kao rezultat toga, genomi tih virusa su neuobičajeno kompaktni za brojne gene koje sadrže, za koje biolozi vjeruju da predstavljaju prilagodbu. To jednostavno potvrđuje da nema biološlike među dvama lanaca dvostruke zavojnice. Zaista, tipično je da se svaki lanac DNA ponaša kao sense i antisense u različitim regijama.

[uredi] Jednolančana DNA (ssDNA-single stranded DNA)


U nekim se virusima DNA javlja u nezavojitom jednolančanom obliku. Zbog mnogih mehanizama popravka DNA u stanici koji djeluju samo na uparenim bazama, u virusa koji nose jednolančanu DNA genomi mutiraju učestaluje. Takve se vrste mnogo brže prilagođaaju i odupiru izumiranju. Rezultat ne bi bio zadovoljavajući u kompliciranijih i spororeplicirajućih organizama što bi moglo objasniti zašto ti virusi nose jednolančanu DNA.


Molekule DNA se kod različitih biljaka i životinja razlikuju po veličini. Najmanji broj nukleotida ima DNA virusa (samo nekoliko tisuća), molekula DNA bakterije sadrži nekoliko milijuna nukleotida, dok kod čovjeka taj broj prelazi nekoliko milijardi nukleotida.

U Wikimedijinu spremniku nalazi se još materijala na temu: