DNK

Izvor: Wikipedia
Dio molekule DNK (animacija)

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

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

DNK 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, DNK se replicira i prenosi se potomcima putem reprodukcije. Istraživanja porijekla mogu se bazirati i na mitohondrijskoj DNK koju dobivamo samo od majke i muškom Y kromosomu kojeg dobivamo samo od oca.

DNK svake osobe, njihov genom, naslijeđen je od oba roditelja. Majčina mitohondrijska DNK 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 DNK naslijeđene od majke.

Uvod[uredi - уреди]

Osnovna građa dijela jedne deoksiribonukleinske kiseline

DNK 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 se lanac DNK sastoji od građevnih jedinica zvanim 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 DNK samog organizma. Te osnovne komponente nukleinskih 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 (spajaju se sa dvije vodikove veze), i obrnuto te citozin uvijek sa guaninom (tri vodikove veze), 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 DNK omogućava jednostavan mehanizam za DNK replikaciju: lanci DNK 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 DNK.

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

Još neke odrednice DNK:

  • DNK je kiselina zbog fosfatnih skupina između svake deoksiriboze. To je primaran razlog negativnog naboja DNK.
  • Polaritet pojedinog para je bitno pa A+T nije isto T+A i C+G nije isto G+C.
  • Mutacija su određene greške u lancima DNK koje su nastale slučajno bilo da su baze preskočene, umetnute ili nepravilno udvostručene, 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.
  • DNK djeluje kao enzim u laboratorijskim uvjetima, ali kod živih organizama to još nije utvrđeno.
  • Tradicijski gledano DNK gradi dvostruku formu (Watson-Creekov model), ali može graditi trostruke pa i četverostruke forme (Hoogstenov model).
  • DNK se od ribonukleinske kiseline (RNK) razlikuje po tome što sadrži 2-deoksiribozu umjesto riboze te što je timin kod RNK zamijenjen nukleotidom uracilom.

DNK u praksi[uredi - уреди]

DNK i kriminal[uredi - уреди]

Forenzičari koriste DNK 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 DNK profila. Koriste se komadići sljedova repetitivne DNK kao npr. Kratki niz ponovljenih nizova 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 DNK sa mjesta događaja (npr. slučajevi silovanja). Ova je metoda najviše pouzdana za identificiranje kriminalaca, ali nije uvijek savršena jer DNK ponekad ne može biti nađena ili samo mjesto zločina može biti kontaminirano sa DNK više mogućih osumnjičenika.

DNK - povijesna i antropološka istraživanja[uredi - уреди]

DNK 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.

Molekularna struktura[uredi - уреди]

DNK, 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 DNK sastoji od niza nukleotida, a svaki se nukleotid sastoji od šećera (deoksiriboza), fosfata i nukleobaza (baza). Prema tome, DNK 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 DNK sadrži uracil kao bazu (DNK PBS1 faga gdje je timin zamijenjen uracilom). Suprotno tome, RNK molekula redovito u svom sastavu ima uracil umjesto timina, osim u nekih transportnih RNK gdje timin postoji na nekim mjestima. Jedina bitna razlika između DNK i RNK je što DNK ima deoksiribozu, RNK 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 DNK 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 polimerazePCR (polymerase chain reaction) koristi se u laboratoriju u in vitro sintezi velikih količina DNK u različite istraživačke svrhe.

Uloga redoslijeda[uredi - уреди]

Unutar gena, redoslijed nukleotida duž DNK određuje glasničku RNK (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 RNK (mRNK) i tada transportna RNK (eng. transfer RNA), tRNK, 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 DNK koji imaju specifični afinitet za proteine koji vežu DNK (eng. DNA binding proteins) koji igraju veliku ulogu u replikaciji i tanskripciji. Takvi redoslijedi DNK nazivaju se regulacijske sekvence i istraživači pretpostavljaju da su našli tek mali dio takvih sekvenci od ukupnog broja. Otpadna DNK (eng. junk DNA) predstavlja redoslijede u kojima nema gena i nemaju nikakvu funkciju. Razlozi postojanja toliko mnogo nekodirajuće DNK u eukariotskim genomima i iznimne razlike veličine genoma (C – veličina) između vrsta predstavljaju problem nazvan enigma C-veličine.

Neke sekvence DNK 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 RNK geni kodiraju traskripte koji funkcioniraju kao regulatorne DNK koje utječu na funkciju drugih DNK molekula. Intrinska i egzonska struktura nekih gena (geni imunoglobulina i protokadeherina) su važni za dopuštanje alternativnog izrezivanja (splicing) pre-mRNK te se pri tome stvaraju različiti proteini koji u biti potječu od jednog gena. Neke nekodirajuće regije predstavljaju 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 DNK 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 DNK su vjerojatno prilagodbeni tako što omogućuju kromosomskim regijama gdje se vrši rekombinacija između homolognih dijelova kromosoma bez poremećaja u funkciji gena. Redoslijedi DNK također određuju podložljivost cijepanju restrikcijskim enzimima vrlo bitnim za genetički inženjering. Točno mjesto cijepanja nečijeg genoma vrstu ‘’DNK otiska’’ pojedine individue.

Replikacija[uredi - уреди]

DNK replikacija

DNK replikacija ili sinteza DNK je proces umnažanja dvolančene DNK prije stanične diobe.postoje tri osnovna stupnja replikacija DNA: odmatanje i razdvajanje polinukleotidnih lanaca DNA uzvojnice, komplementarno sparivanje baza i polimerizacija nukleotida. Replikacija se odvija na replikacijskoj viljušci i u njoj sudjeluju oba lanca. U sintezi sudjeluju enzimi: DNK primaza, 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 uvjet za djelovanje DNK polimeraze). DNK polimeraza (DNK polimeraza I) 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 dijelova novog 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.

Osobine molekule[uredi - уреди]

Asocijacija i disocijacija lanaca[uredi - уреди]

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 DNK polimeraza. Za odvijanje 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.

Kružna DNK[uredi - уреди]

Kad su krajevi komada dvostruke zavojnice DNK 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 DNK kao i za različite tipove linearnih DNK.

Velika dužina nasuprot vrlo malenoj širini[uredi - уреди]

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 DNK.

Entropijsko rastezanje[uredi - уреди]

Kada se DNK 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 DNK rasteže slično gumenoj traci. Koristeći optička kliješta, entropijsko rastezanje DNK je analizirano iz perspektive fizike polimera i utvrđeno je da se DNK ponaša kao Kratky-Porodov crvoliki lanac, model sa duljinom postojanosti od oko 53 nm.

DNK se zatim podvrgava rastezanju faznog prijelaza pri sili od 65 pN. Pri višim vrijednostima sile, DNK 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 DNK u čast Paulingu.

Geometrijski oblici DNK[uredi - уреди]

DNK zavojnica može poprimiti geometrijski tri različita oblika od kojih su B oblik opisali James D. Watson i Francis Creek za kojeg se smatra da je dominantan u stanicama. Takva DNK 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.

Superzavojnica[uredi - уреди]

B oblik DNK 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. DNK je in vivo tipično negativno superzavijena, što ubrzava odmotavanje dvostrukog heliksa za transkripciju.

Nabor šećera[uredi - уреди]

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-DNK rezultira skraćenju udaljenosti između susjednih fosfata za 1 angstrem. To daje 11 ili 12 parova baza u zavoju DNK lanca, umjesto 10.5 u B-DNK. Šećerni nabor daje DNK jednoliki oblik vrpce, sa cilindrično otvorenim središtem i skučenijim, izraženim dubljim glavnim utorom nego što su utori u B-DNK.

A i Z oblici zavojnice[uredi - уреди]

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

Odlike različitih oblika zavojnica[uredi - уреди]

Geometrijska osobina A-forma B-forma Z-forma
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 DNK npr. SBS (side-by-side; usporedna) konfiguracija DNK.

Smjer lanaca[uredi - уреди]

Francis Crick, koji je zajedno s Jamesom Watsonom konstruirao i opisao model prvog lanca DNK.

Asimetrični oblik i povezanost nukleotida znači da DNK 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.

Hemijska nomenklatura (5’ i 3’ krajevi)[uredi - уреди]

U svakoj DNK 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 DNK uvijek od 3’ prema 5’ smjeru jednog lanca, dok enzimi koji provode translaciju (na RNK) čitaju u suprotnom smjeru. U laboratorijskim uvjetima 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.

"Sense" i "antisense"[uredi - уреди]

Rezultat antiparalelnog ustroja lanaca i odlika enzima koji čitaju sekvence DNK 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 prevedena, a njezina komplementarna sekvenca je nelogična/besmislena (‘’antisense’’). Prema svemu ovome podloga za transkripciju je smislena sekvenca, a transkript smislenog lanca je i sam po sebi smislen.

Razlike među sense i antisense sekvenci[uredi - уреди]

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. Tipično je da se svaki lanac DNK ponaša kao sense i antisense u različitim regijama.

Jednolančana DNK, ssDNK (eng. single stranded DNA)[uredi - уреди]

U nekim se virusima DNK javlja u nezavojitom jednolančanom obliku. Zbog mnogih mehanizama popravka DNK u stanici koji djeluju samo na uparenim bazama, u virusa koji nose jednolančanu DNK genomi mutiraju učestaluje. Takve se vrste mnogo brže prilagođavaju i odupiru izumiranju. Rezultat ne bi bio zadovoljavajući u kompliciranijih i spororeplicirajućih organizama što bi moglo objasniti zašto ti virusi nose jednolančanu DNK. Molekule DNK se kod različitih biljaka i životinja razlikuju po veličini. Najmanji broj nukleotida ima DNK virusa (samo nekoliko tisuća), molekula DNK bakterije sadrži nekoliko milijuna nukleotida, dok kod čovjeka taj broj prelazi nekoliko milijardi nukleotida.

Nukleinske kiseline prvi je opisao Friedrich Miescher 1869. godine, a prisutnost nukleinskih kiselina dokazano je 75 godina nakon toga, kad je otkrivena i njihova biološka funkcija. 30-ih i 40-ih godina smatralo se da su nositelji genetske informacije proteini. Prave naravi DNK opisao je 1928. godine Frederick Griffith, koji je otkrio transormirajući princip. To je otkrio pomoću pokusa s miševima s dvama tipova bakterija Diplococcus pneumoniae (R i S). U miševe je ubrizgao dva tipa bakterije D. pneumoniae, od kojih su neki bili živi, no oslabnjeni, tako da ne mogu prouzročiti bolest, a neke su bile posve mrtve (S). Od toga je većina miševa uginula. Otkriveno je da su mrtve bakterije na neki način transformirale žive, oslabljene bakterije. Godine 1953. Francis Crick i James Watson konstruirali su i opisali model prvog lanca DNK.