Terciárna štruktúra

Terciárnu štruktúru určuje priestorové usporiadanie dvojzávitnice. Tá sa stočí do superhelixu. Takto zvinutá DNA sa nazýva superšpiralizovaná DNA.

Štruktúra DNA v chromozómoch

DNA sa omotá okolo bielkovín - hystónov a vzniknutý komplex (nukleohistónový komplex, skrátene nukleohistón) sa nazýva nukleozóm a tvorí základnú štruktúrnu jednotku eukaryotického chromatínu. Po celej dĺžke molekuly DNA sa nachádza veľké množstvo nukleozómov v tesných vzdialenostiach medzi sebou tvoriac tak nukleozómové vlákno o priemere ~10 nm. Úspora dĺžky DNA je približne 6-násobná. Ďalšia kondenzácia spočíva v zhustení samotných nukleozómov do kompaktnejších štruktúr. Umožňuje to ďalší typ histónu, ktorý nie je súčasťou 10 nm nukleozómového vlákna. Až s jeho prítomnosťou dochádza k veľmi tesnému spojeniu susediacich nukleozómov a výsledkom je vlákno široké 30 nm. Pri tomto stupni kondenzácie je DNA skrátená zhruba 40-násobne oproti relaxovanej. Napokon prichádzajú do hry proteíny, ktoré tvoria tzv. chromozómové lešenie (angl. scaffold). Sú to nehistónové proteíny, ktoré vytvoria akýsi podklad, ku ktorému sa 30 nm vlákno s DNA prichytí na viacerých miestach, pričom voľné vlákna vytvoria slučky smerujúce od lešenia do všetkých strán. Podrobné znalosti o týchto štruktúrach ani o ďalšom priebehu vinutia DNA nie sú známe, pretože ich preskúmanie je do značnej miery technicky obtiažne. Na jeho konci je kondenzovaný metafázny chromozóm, ktorý je asi 10000x kratší a 400x hrubší ako je nahá DNA.

Funkcie DNA

Úlohou DNA je uchovávať a odovzdávať genetickú informáciu (o poradí aminokyselín v bielkovinách), ktorá je zapísaná v jej primárnej štruktúre. Prenos genetickej informácie na molekulovej úrovni prebieha jedným smerom a v troch procesoch: replikácii, transkripcii a translácii.

Replikácia DNA

Väčšina génov potrebných pre život sa nachádza v eukaryotických bunkách – v jadre, mitochondriách a v chloroplastoch na chromozómoch. V prokaryotických organizmoch sa nachádza na plazmidoch doplnková genetická informácia.

Na to aby mohla DNA plniť svoju funkciu musí byť schopná zdvojenia sa, čo sa uskutočňuje replikáciou – kopírovaním.

Pri vlastnej syntéze DNA sa obidve vlákna pôvodnej molekuly začnú od seba vzďaľovať a rozpletať (enzým helikáza) - vzniká "replikačná bublina". Voľné nukleotidy sa podľa princípu komplentarity (enzým DNA-polymeráza) začínajú prikladať k pôvodnému (matricovému) vláknu DNA (3’ → 5’), oproti druhému vláknu (5’→ 3’) syntetizuje DNA-polymeráza iba krátke fragmenty (tzv. Okazakiho fragmenty), ktoré následne spája enzým DNA-ligáza. Aby nový nukleotid mohol byť zaradený, musí byť v tvz. aktivovanej forme, musí mať na 5' uhlíku deoxyribózy naviazanétri fosfátové skupiny. Navzájom reagujú deoxynukleotidtrifosfáty, všeobecne dNTP (dATP, dTTP, dGTP, dCTP), pričom sa pri reakcii odštepuje PPi pyrofosfát (spojené dve fosfátové skupiny). Týmto spôsobom z jednej pôvodnej DNA vzniknú dve molekuly, z toho každá ma jedno vlákno pôvodné a jedno vlákno nové, tzv. semikonzervatívny spôsob.

Podmienky pre aktivitu DNA-polymerázy:

* v reakčnom prostredí musia byť ako substrát prítomné všetky štyri dNTP.

* Syntéza DNA nemôže vznikať de novo, DNA polymerázy vyžadujú prítomnosť voľnej 3’-OH na reťazci, ktorý sa má predlžovať. Molekula poskytujúca túto skupinu sa označuje ako primer. Na úplnom začiatku syntézy je to krátka jednovláknová RNA, dlhá približne 15 nukleotidov, ktorá sa komplementárne napojí na matricovú DNA.

* Pre funkčnosť a presnosť DNA polymerázy sú potrebné dvojmocné katióny, najčastejšie Mg2+ ako konfaktor. Aktívne miesto DNA polymerázy obsahuje dva katióny Mg2+ a každý je komplexne viazaný s šiestimi atómami kyslíka, ktoré poskytuje voda, COO- skupina aminokyseliny asparágovej zaradenej v peptidovom reťazci enzýmu, fosfátové skupiny dNTP a -OH skupina primeru. Takto naviazané a stabilizované nukleotidy sa naviažu a odburá sa pritom už spomínaný pyrofosfát.

* potrebný je aj templát (vzor). Ide o jednovláknový úsek DNA podľa ktorého sa na základe komplementarity zara´dujú nukleotidy v syntezovanom vlákne.

Problém "skracovania koncov" molekuly DNA

Syntetizácia DNA pomocou enzýmu telomerázy.

Replikácia DNA začína pripojením krátkeho RNA priméru, ktorý na začiatku poskytne prvú voľnú -OH skupinu. Po skončení replikácie sa táto molekula RNA uvoľní - tu nastal problém, ako sa zapláta diera, pri ďalšej replikácii, keď sa vlákno nemôže komplementárne dopĺňať. Všetko vyriešili špecifické úseky umiestnené na koncoch chromozómov nazývané teloméry (grec. telos - koniec). Tieto oblasti nekódujú proteíny ale obsahujú opakujúci sa motív, ktorý nebude molekule chýbať, teda chráni koniec pred degradáciou a vzájomnému spájaniu sa chromozómov. Aby sa opakované úseky neskrátil na kritickú hodnotu, tak spätne ich predlžuje enzým telomeráza, ktorý začne pracovať po replikácii a bude pokračovať v syntéze DNA bez templátu (vzoru). Princíp je taký, že enzým obsahuje komplementárnu opakujúcu sa skupinu nukleotidov pôvodnej teloméry, pričom sa naviaže na koniec molekuly. Ako primer využíva voľnú -OH skupinu teloméry DNA (taktiež môže syntetizovať DNA len na 3’ konci) a dosyntetizuje sa chýbajúci úsek. Inak povedané, čo sa pri prvej replikácii stratí, to sa pri druhej dosyntetizuje. Tento enzým je však aktívny len v bunkách, ktoré sa aktívne delia, v ostatných je potlačený, čo má za následok aj starnutie buniek v dôsledku poškodenia DNA.