Deoxyribonukleová kyselina - DNA

Deoxyribonukleová kyselina alebo dezoxyribonukleová kyselina alebo kyselina de(z)oxyribonukleová, skr. DNK alebo DNA (angl. deoxyribonucleic acid) patrí spolu s kyselinou ribonoukleovou medzi nukleové (jadrové) kyseliny. Nukleové preto, lebo sa nachádza predovšetkým v bunkovom jadre. DNA je nositeľkou genetickej informácie bunky, riadi rast a regeneráciu bunky. V chromozómoch je DNA uložená ako špirála - dvojzávitnica.

DNA je polymérna molekula tvorená nukleotidmi, ktoré pozostávajú z troch zložiek:

1. fosfátového zvyšku kyseliny fosforečnej (PO43−),
2. molekuly deoxyribózy,
3. dusíkatej bázy. Dusíkaté bázy sú štyri: adenín (A), guanín (G), cytozín (C) a tymín (T). Spájajú obe vlákna dvojzávitnice DNA pomocou vodíkových väzieb, pričom platí princíp tzv. komplementarity báz.
Prokaryotická DNA

V prokaryotickej bunke nie je genetická informácia oddelená od zvyšku cytoplazmy jadrovou membránou. Označuje sa ako nukleotid alebo kruhový chromozóm. Okrem chromozómu vlastní takmer každá prokaryotická bunka niekoľko plazmidov, ktoré sa definujú ako doplnkové genetické elementy. Obsahujú gény, ktoré nie sú potrebné na prežitie bunky, ale obsahuje napr. gény nesúce informácie o rezistencii voči antibiotikám alebo pre tvorbu toxínov. Plazmidy sa využívajú aj v génovom inžinierstve na vnášanie cudzorodej genetickej informácie do buniek geneticky nepríbuzných buniek. Napr. do plazmidu baktérie sa vložil gén na tvorbu inzulínu a tak pomohol diabetikom plnohodnotnejšie žiť.

Eukaryotická DNA

Jadrová DNA eukaryot na rozdiel od prokaryotického chromozómu je chránená od metabolických procesov prebiehajúcich v cytoplazme dvojitou jadrovou membránou. Členená je spravidla do viacerých chromozómov, ktoré sa počas bunkového delenia správajú ako samostatné elementy. Eukaryotická DNA je dvojvláknová a lineárna, len výnimočne kruhová. DNA je v eukaryotickom jadre v asociácii s proteínmi, ktoré napomáhajú jej špiralizácii a majú aj regulačnú úlohu pri realizácii genetickej informácie.

Mimojadrová DNA

Dve membránové organely eukaryotických buniek, mitochondrie a chloroplasty, obsahujú vlastné molekuly DNA. Preto sa predpokladá že tieto organely vznikli pohltením baktérii na základe symbiózy.

Štruktúra DNA

Komplementárnosť

Dôležitá vlastnosť štruktúry DNA je komplementárnosť jednotlivých nukleotidov. To znamená, že sa párujú len dve špecifické dusíkaté bázy. Všeobecne : vždy purínová s piridinová báza. Guanín s cytozínom, tie sa viažu tromi vodíkovými väzbami, a adenín s tymínom, tie zase dvomi vodíkovými väzbami. Takto sa uchováva v každom vlákne rovnaká informácia, iba z rozdielom, že sa jedná o vzájomný negatív.

Primárna štruktúra

Primárnu štruktúru DNA určuje poradie jednotlivých nukleotidov spojených esterovou väzbou do polynukleotidového reťazca. Väzba sa vytvára medzi zvyškom kyseliny trihydrogenfosforečnej na 5' uhlíku jedného nukleotidu a hydroxilovou skupinnou viazanou na 3. uhlíkovom atóme pentózy susedného nukleotidu, teda 3',5'-fosfodiesterovou väzbou. Na vlákne DNA rozlišujeme dva konce: na 5' konci je vlákno ukončené fosfátom a na 3' konci je vlákno ukončené hydroxilovou -OH skupinou. Primárna štruktúra DNA určuje poradie aminokyselín v bielkovinách. Sekvencia nukleotidov, ktorá obsahuje informáciu pre syntézu určitého produktu (najčastejšie je ním funkčná enzymatická bielkovina), sa nazývajú gén. Na rozdiel od primárnej štruktúry bielkovín, kde sa mohlo viazať približne 20 aminokyselín, primárna štruktúra NK obsahuje prakticky iba štyri nukleotidy, pričom pomer adenínu s tymínom (A : T) a guanínu s cytozínom (C : G) je rovnaký 1 : 1.

Sekundárna štruktúra

Sekundárnou štruktúrou označujeme priestorové usporiadanie polynukleotidového reťazca. Dva reťazce DNA sa komplementárne spájajú pomocou komplementárnych nukleových báz, pričom sa spájajú vodíkovými väzbami. Adenín s tymínom dvomi a cytozín s guanínom tromi vodíkovými väzbami. Reťazce sú zároveň postavené v opačnom poradí. Kým jeden reťazec je orientovaný v smere 5'→3', druhy bude orientovaný v smere 3'→5'. Dvojvlákno má tvar pravotočivej dvojzávitnice, α-helixu. Forma stočení nieje vždy, za každých podmienok rovnaká. DNA v skúmavke in vitro je väčšinou v B forme, ale v živých organizmoch in vivo za určitých podmienok prirodzene prechádza aj na inú formu.

* ds forma A -Pravotočivá; 10 komplementárnych párov na jeden závit; priemer vlákna je 2,3 nm
* ds forma B -Pravotočivá; 11 komplementárnych párov na jeden závit; priemer vlákna je 1,9 nm
* ds forma Z -Ľavotočivá; 12 komplementárnych párov na jeden závit u; priemer vlákna je 1,8 nm
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.
Realizácia genetickej informácie

Realizácia genetickej informácie na molekulovej úrovni prebieha ako dvojstupňový proces:

* Transkripcia: prepis genetickej informácie z DNA do mRNA →syntéza mRNA
* Translácia: preklad genetickej informácie z poradia nukleotidov na mRNA do poradia aminokysleín v polypeptidovom reťazci → syntéza bielkovín

Transkripcia

Je to syntéza molekúl mRNA podľa matrice DNA. Oba reťazce molekuly DNA sa čiastočne oddelia narušením vodíkových mostíkov, pričom iba jedno z vlákien potom slúži ako matrica pre syntézu mRNA. Tento proces katalyzuje enzým RNA-polymeráza, ktorý na základe komplementarity báz pripája nukleotidy do výslednej molekuly mRNA. Tento proces sa deje v jadre bunky, nasyntetizovaná molekula mRNA potom cez jadrové póry prechádza do cytoplazmy.

Translácia
Je zavŕšením realizácie genetickej informácie, ide o vlastnú syntézu bielkovín (proteosyntéza). Tento proces sa uskutočňuje na ribozómoch – tie sa skladajú z bielkovín a z rRNA. Molekula mRNA sa zasunie medzi podjednotky ribozómov – triplety na mRNA sú kódom ku tvorbe polypeptidového reťazca. Dôležitá je molekula tRNA – na jej konci sa nachádza triplet CCA (aktívne miesto), na ktorý sa viaže aminokyselina a ďalší triplet → antikodón, ten je komplementárny s kodónom na mRNA. Molekuly tRNA sa dočasne pripájajú antikodónmi ku kodónom na mRNA a tak prenášajú jednotlivé aminokyseliny zo zásoby voľných aminokyselín v cytoplazme bunky. Medzi jednotlivými aminokyselinami potom vznikajú peptidické väzby, čím vzniká polypeptidový reťazec – bielkovina. Celý aparát sa po ukončení proteosyntézy tzv. nezmyselným alebo stop-kodónom rozpadne.

Genetický kód

Je tripletový – univerzálny pre všetky organizmy. Triplet predstavuje kódové slovo – kodón určuje zaradenie jednej aminokyseliny do polypeptidového reťazca.

Zdroje:

Wikipédia -