DNA
DNA — DNA, kwas deoksyrybonukleinowy – wielkocząsteczkowy związek chemiczny zbudowany z podjednostek zwanych nukleotydami, występujący u wszystkich organizmów żywych; pełni rolę nośnika informacji genetycznej.
Budowa chemiczna DNA
Cząsteczka DNA jest liniowym i nierozgałęzionym polimerem utworzonym z podjednostek zwanych nukleotydami. Każda podjednostka składa się z pięciowęglowego cukru – deoksyrybozy, do której w pozycji 5ʾ dołączona jest grupa fosforanowa, a w pozycji 1ʾ jedna z czterech zasad azotowych – adenina (A), tymina (T), cytozyna (C) lub guanina (G); w DNA niektórych wirusów zamiast tyminy występuje uracyl (U). Zasady łączą się z atomem węgla deoksyrybozy za pomocą wiązania N-glikozydowego, tworząc deoksynukleozydy (deoksyrybonukleozydy) – odpowiednio deoksyadenozynę (dA), deoksytymidynę (dT), deoksycytydynę (dC), deoksyguanozynę (dG) oraz deoksyurydynę (dU). Adenina i guanina, należące do zasad purynowych, zbudowane są z dwóch pierścieni. Cytozyna, tymina i uracyl, należące do zasad pirymidynowych, zbudowane są z jednego pierścienia.
Sąsiadujące ze sobą nukleotydy połączone są wiązaniami fosfodiestrowymi pomiędzy grupą fosforanową piątego atomu węgla deoksyrybozy jednego nukleotydu i trzecim atomem węgla deoksyrybozy kolejnego nukleotydu.
Budowa przestrzenna DNA – podwójna helisa
Model podwójnej helisy DNA został opracowany w 1953 r. przez Jamesa Watsona i Francisa Cricka na podstawie zdjęć rentgenowskich wykonanych przez Rosalind Franklin i Maurice’a Wilkinsa. James Watson, Francis Crick i Maurice Wilkins otrzymali za odkrycie struktury DNA Nagrodę Nobla w 1962 r.
Cząsteczka DNA zbudowana jest z dwóch łańcuchów polinukleotydowych, biegnących antyrównolegle w stosunku do siebie (koniec 5′ jednego łańcucha leży naprzeciw końca 3′ drugiego łańcucha).
Łańcuchy DNA skręcają się wokół wspólnej osi, tworząc podwójną (dwuniciową), najczęściej prawoskrętną helisę. Reszty cukrowe i fosforanowe połączone wiązaniami fosfodiestrowymi znajdują się po zewnętrznej stronie helisy.
Zasady azotowe skierowane są do wnętrza helisy i ustawione są pod kątem prostym w stosunku do jej osi. Zasady położone naprzeciwko siebie połączone są wiązaniami wodorowymi oraz oddziaływaniami hydrofobowymi. Tworzą pary komplementarne – adenina łączy się z tyminą (uracylem) dwoma wiązaniami, guanina łączy się z cytozyną trzema wiązaniami. Sekwencja nukleotydów jednej nici DNA określa sekwencję nukleotydów drugiej nici. Sekwencja zasad azotowych zawiera informację o pierwszorzędowej strukturze białek oraz sekwencji nukleotydów w tRNA i rRNA.
Rodzaje DNA
Istnieje kilka różnych form podwójnej helisy DNA, których cechą wspólną są zwinięte wokół siebie nici DNA biegnące antyrównolegle.
Wyróżnia się:
- B-DNA – helisa prawoskrętna; średnica helisy wynosi 2 nm; sąsiednie pary zasad oddalone są od siebie o 0,34 nm; na jeden pełen skręt helisy przypada 10 par zasad; długość każdego skrętu wynosi 3,4 nm; występuje w każdym DNA;
- A-DNA – helisa prawoskrętna, krótsza i szersza od B-DNA; średnica helisy wynosi 2,6 nm; sąsiednie pary zasad oddalone są od siebie o 0,26 nm; na jeden pełen skręt helisy przypada 11 par zasad; długość każdego skrętu wynosi 2,8 nm; występuje w warunkach niskiej wilgotności
- Z-DNA – helisa lewoskrętna; średnica helisy wynosi 1,8 nm; sąsiednie pary zasad oddalone są od siebie o 0,37 nm; na jeden pełen skręt helisy przypada 12 par zasad; długość każdego skrętu wynosi 4,5 nm; występuje tylko na krótkich odcinkach cząsteczki.
Długość cząsteczek DNA i ich organizacja w komórkach organizmów żywych
Cząsteczki DNA są bardzo długie, np. chromosom 1 człowieka (największy chromosom człowieka) ma długość ok. 8 cm i zawiera ok. 246 mln par zasad; chromosom Drosophila melanogaster ma długość ok. 1,6 mm i zawiera 4,7 mln par zasad. W związku ze znaczną długością cząsteczek DNA są one ściśle upakowane w chromosomach, w czym uczestniczą białka histonowe (u eukariontów) lub białka histonopodobne (u prokariontów).
W komórkach eukariotycznych cząsteczka DNA owija się wokół histonów, tworząc struktury zwane nukleosomami. Składają się one z odcinka DNA o długości ok. 200 par zasad, z których ok. 140 nawiniętych jest na 8 histonów rdzeniowych (oktamer histonowy), tworząc rdzeń nukleosomu. Nukleosomy wraz z DNA łącznikowym o długości ok. 50 par zasad tworzą solenoid (włókno 30 nm), którego pętle powiązane są białkami niehistonowymi. DNA, białka histonowe i niehistonowe tworzą chromatynę – główny składnik chromosomów.
DNA żywych organizmów
Cząsteczki DNA u eukariontów występują w jądrze komórkowym (DNA jądrowy nDNA), w mitochondriach (DNA mitochondrialny mtDNA) oraz w chloroplastach (DNA chloroplastowy cpDNA). W komórkach prokariontów (bakterii i sinic) cząsteczka DNA występuje bezpośrednio w cytoplazmie (nukleoid) w postaci genoforu; u wirusów znajduje się wewnątrz płaszcza białkowego (kapsydu).
DNA występujący w komórkach prokariontów, a także w mitochondriach i chloroplastach posiada formę kolistą – charakteryzuje się brakiem wolnych końców 5ʾ i 3ʾ (są połączone wiązaniami fosfodiestrowymi) oraz brakiem białek histonowych.
Cząsteczka DNA może występować w formie jednoniciowej u niektórych wirusów (np. u bakteriofaga ΦX174).
DNA pełni rolę nośnika informacji genetycznej – zawiera informacje dotyczące budowy, wzrostu, rozwoju, funkcjonowania oraz reprodukcji wszystkich organizmów żywych oraz wirusów, które przekazywane są dziedzicznie w postaci genów. Informacja genetyczna zapisana jest w sekwencji nukleotydów, a także może wynikać z wzajemnego ułożenia nukleosomów w chromatynie.
