Deoxyribonukleová kyselina - DNA - slouží jako nosič dědičné informace přenášené živými organismy na další generace a matrice pro stavbu bílkovin a různých regulačních faktorů, které tělo potřebuje v procesech růstu a života. V tomto článku se zaměříme na to, jaké jsou nejčastější formy struktury DNA. Budeme také věnovat pozornost tomu, jak jsou tyto formy stavěny a v jaké formě DNA sídlí uvnitř živé buňky.
Úrovně organizace molekuly DNA
Strukturu a morfologii této obří molekuly určují čtyři úrovně:
- Primární úroveň neboli struktura je pořadí nukleotidů v řetězci.
- Sekundární struktura je slavná "dvojitá šroubovice". Právě tato fráze se ustálila, i když ve skutečnosti taková struktura připomíná šroub.
- Terciární struktura vzniká díky tomu, že mezi jednotlivými úseky dvouvláknového zkrouceného vlákna DNA vznikají slabé vodíkové vazby,dává molekule komplexní prostorovou konformaci.
- Kvartérní struktura je již komplexním komplexem DNA s některými proteiny a RNA. V této konfiguraci je DNA zabalena do chromozomů v buněčném jádře.
Primární struktura: Složky DNA
Bloky, ze kterých je postavena makromolekula deoxyribonukleové kyseliny, jsou nukleotidy, což jsou sloučeniny, z nichž každá obsahuje:
- dusíkatá báze - adenin, guanin, thymin nebo cytosin. Adenin a guanin patří do skupiny purinových bází, cytosin a thymin patří do pyrimidinu;
- pětuhlíkový monosacharid deoxyribóza;
- Zbytek kyseliny ortofosforečné.
Při tvorbě polynukleotidového řetězce hraje důležitou roli pořadí skupin tvořených atomy uhlíku v kruhové molekule cukru. Fosfátový zbytek v nukleotidu je připojen k 5'-skupině (čti „pěti prvočíslům“) deoxyribózy, tedy k pátému atomu uhlíku. K prodloužení řetězce dochází připojením fosfátového zbytku dalšího nukleotidu k volné 3'-skupině deoxyribózy.
Primární struktura DNA ve formě polynukleotidového řetězce má tedy 3'- a 5'-konce. Tato vlastnost molekuly DNA se nazývá polarita: syntéza řetězce může jít pouze jedním směrem.
Vytvoření sekundární struktury
Další krok ve strukturní organizaci DNA je založen na principu komplementarity dusíkatých bází - jejich schopnosti se vzájemně propojovat v párechprostřednictvím vodíkových vazeb. Komplementarita - vzájemná korespondence - nastává, protože adenin a thymin tvoří dvojnou vazbu a guanin a cytosin trojnou vazbu. Proto při vytváření dvojitého řetězce stojí tyto základny proti sobě a tvoří odpovídající páry.
Polynukleotidové sekvence jsou umístěny v sekundární struktuře antiparalelně. Pokud tedy jeden z řetězců vypadá jako 3' - AGGZATAA - 5', pak opak bude vypadat takto: 3' - TTATGTST - 5'.
Když se vytvoří molekula DNA, zdvojený polynukleotidový řetězec se zkroutí a koncentrace solí, nasycení vodou a samotná struktura makromolekuly určují, jaké formy může DNA v daném strukturálním kroku nabývat. Je známo několik takových forem, označovaných latinskými písmeny A, B, C, D, E, Z.
Konfigurace C, D a E se u volně žijících zvířat nevyskytují a byly pozorovány pouze v laboratorních podmínkách. Podíváme se na hlavní formy DNA: tzv. kanonické A a B a také na konfiguraci Z.
A-DNA je suchá molekula
Tvar A je pravotočivý šroub s 11 komplementárními základními páry v každém otočení. Její průměr je 2,3 nm a délka jedné otáčky spirály je 2,5 nm. Roviny tvořené párovými bázemi mají sklon 20° vzhledem k ose molekuly. Sousední nukleotidy jsou kompaktně uspořádány do řetězců - je mezi nimi pouze 0,23 nm.
Tato forma DNA se vyskytuje s nízkou hydratací a se zvýšenou iontovou koncentrací sodíku a draslíku. Je typické proprocesy, ve kterých DNA tvoří komplex s RNA, protože ta není schopna přijmout jiné formy. A-forma je navíc vysoce odolná vůči ultrafialovému záření. V této konfiguraci se kyselina deoxyribonukleová nachází ve sporách hub.
Mokrá B-DNA
S nízkým obsahem soli a vysokým stupněm hydratace, tedy za normálních fyziologických podmínek, přebírá DNA svou hlavní formu B. Přirozené molekuly existují zpravidla v B-formě. Je to ona, kdo je základem klasického Watson-Crickova modelu a je nejčastěji zobrazována na ilustracích.
Tato forma (je také pravotočivá) se vyznačuje méně kompaktním umístěním nukleotidů (0,33 nm) a velkým stoupáním šroubů (3,3 nm). Jedno otočení obsahuje 10,5 párů bází, otočení každého z nich vzhledem k předchozímu je asi 36°. Roviny dvojic jsou téměř kolmé k ose „dvojité šroubovice“. Průměr takového dvojitého řetězce je menší než u A-formy - dosahuje pouze 2 nm.
Nekanonická Z-DNA
Na rozdíl od kanonické DNA je molekula typu Z levotočivý šroub. Je nejtenčí ze všech, má průměr pouhých 1,8 nm. Jeho závity, dlouhé 4,5 nm, se zdají být protáhlé; tato forma DNA obsahuje 12 párových bází na kolo. Vzdálenost mezi sousedními nukleotidy je také poměrně velká - 0,38 nm. Takže tvar Z má nejmenší zkroucení.
Tvoří se z konfigurace typu B v oblastech, kde jsou purinya pyrimidinové báze, se změnou obsahu iontů v roztoku. Tvorba Z-DNA je spojena s biologickou aktivitou a jde o velmi krátkodobý proces. Tato forma je nestabilní, což vytváří potíže při studiu jejích funkcí. Zatím nejsou úplně jasné.
Replikace DNA a její struktura
Primární i sekundární struktury DNA vznikají během jevu zvaného replikace – vytvoření dvou identických „dvojšroubovic“z mateřské makromolekuly. Během replikace se původní molekula rozvine a na uvolněných jednotlivých řetězcích se vytvoří komplementární báze. Protože jsou poloviny DNA antiparalelní, tento proces na nich probíhá různými směry: ve vztahu k rodičovským řetězcům od 3'-konce k 5'-konci, tedy nové řetězce rostou ve směru 5' → 3'. Vedoucí řetězec je syntetizován kontinuálně směrem k replikační vidlici; na zaostávajícím řetězci se syntéza provádí z vidlice v samostatných sekcích (okazakiho fragmenty), které jsou poté sešity speciálním enzymem DNA ligázou.
Zatímco syntéza pokračuje, již vytvořené konce dceřiných molekul procházejí spirálovitým kroucením. Poté, než je replikace dokončena, začnou novorozené molekuly tvořit terciární strukturu v procesu zvaném supercoiling.
Super Twisted Molecule
Supercoiled forma DNA nastane, když dvouřetězcová molekula udělá extra kroucení. Může být pravotočivý (kladný) popřproti (v tomto případě se mluví o negativním supercoilingu). DNA většiny organismů je negativně supercoiled, tedy proti hlavním závitům „dvojité šroubovice“.
V důsledku tvorby dalších smyček – supercoilů – získává DNA komplexní prostorovou konfiguraci. V eukaryotických buňkách k tomuto procesu dochází s tvorbou komplexů, ve kterých se DNA negativně vine kolem komplexů histonových proteinů a má formu vlákna s nukleosomovými kuličkami. Volné části vlákna se nazývají linkery. Nehistonové proteiny a anorganické sloučeniny se také podílejí na udržování nadšroubovicového tvaru molekuly DNA. Takto vzniká chromatin - látka chromozomů.
Chromatinová vlákna s nukleosomálními kuličkami jsou schopna dále komplikovat morfologii v procesu zvaném chromatinová kondenzace.
Konečná kompaktizace DNA
V jádře se tvar makromolekuly deoxyribonukleové kyseliny stává extrémně složitým a zhutňuje se v několika krocích.
- Nejprve je vlákno stočeno do speciální struktury typu solenoidu - chromatinové fibrily o tloušťce 30 nm. Na této úrovni se DNA skládá a zkracuje svou délku 6-10krát.
- Vlákna dále tvoří klikaté smyčky pomocí specifických skafoldových proteinů, což snižuje lineární velikost DNA již 20-30krát.
- Na další úrovni se tvoří hustě nahromaděné smyčkové domény, které mají nejčastěji tvar běžně nazývaný „lampa kartáče“. Navážou se na intranukleární proteinmatice. Tloušťka takových struktur je již 700 nm, zatímco DNA je zkrácena přibližně 200krát.
- Poslední úroveň morfologické organizace je chromozomální. Domény smyček jsou zhutněny do takové míry, že je dosaženo celkového zkrácení 10 000krát. Pokud je délka natažené molekuly asi 5 cm, pak se po sbalení do chromozomů zmenší na 5 mikronů.
Nejvyššího stupně komplikací forma DNA dosahuje ve stavu metafáze mitózy. Tehdy získává charakteristický vzhled - dvě chromatidy spojené konstrikcí-centromerou, která zajišťuje divergenci chromatid v procesu dělení. Mezifázová DNA je organizována až na úrovni domény a je distribuována v buněčném jádru v žádném konkrétním pořadí. Vidíme tedy, že morfologie DNA úzce souvisí s různými fázemi její existence a odráží rysy fungování této pro život nejdůležitější molekuly.
