Kwas deoksyrybonukleinowy

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacja, szukaj
Struktura chemiczna DNA (linią przerywaną oznaczono wiązania wodorowe)

Kwas deoksyrybonukleinowy, DNA (z ang. deoxyribonucleic acid), daw. kwas dezoksyrybonukleinowy – wielkocząsteczkowy organiczny związek chemiczny z grupy kwasów nukleinowych. U eukariontów zlokalizowany jest przede wszystkim w jądrach komórek, u prokariontów bezpośrednio w cytoplazmie, natomiast u wirusów w kapsydach. Pełni rolę nośnika informacji genetycznej organizmów żywych.

Pakiet do pobierania DNA

Skład i budowa[edytuj]

DNA jest liniowym, nierozgałęzionym biopolimerem, którego monomeramideoksyrybonukleotydy[1]. Ich cząsteczki zbudowane są z pięciowęglowego cukru deoksyrybozy, którego grupa hydroksylowa znajdująca się przy ostatnim atomie węgla (5′) jest zestryfikowana resztą fosforanową, a pierwszy atom węgla (1′) połączony jest wiązaniem N-glikozydowym z jedną z czterech zasad azotowych, dwóch purynowychadeniną (Ade lub A) i guaniną (Gua lub G) – oraz dwóch pirymidynowych: cytozyną (Cyt lub C) i tyminą (Thy lub T). Zasady te łącznie z deoksyrybozą tworzą deoksynukleozydy, odpowiednio dA, dG, dC i T[2][3][4].

Powszechnie spotykaną modyfikacją DNA jest występowanie 5-metylocytozyny (m5C) w wyniku metylacji cytozyny. W DNA niektórych wirusów, na przykład bakteriofagów PBS2, zamiast tyminy występuje uracyl (Ura), tworząc nukleozyd 2′-deoksyurydynę (dU)[5]. 2′-Deoksyurydyna powstaje też w wyniku deaminacji Cyt do Ura[6].

W skład cząsteczki DNA zwykle wchodzą dwa łańcuchy (DNA dwuniciowy – dsDNA), które biegną antyrównolegle (to znaczy koniec 5′ jednej nici leży naprzeciw końca 3′ drugiej nici). Łańcuchy zwijają się wokół wspólnej osi i tworzą prawoskrętną (A-DNA lub B-DNA) lub rzadziej lewoskrętną (Z-DNA) podwójną helisę[7]. Reszty cukrowe i fosforanowe, połączone ze sobą wiązaniem 5′-3′ fosfodiestrowym, znajdują się na zewnątrz helisy, natomiast zasady skierowane są do wnętrza i tworzą komplementarne pary zasad połączone według schematu:

A⋯T
G⋯C

Zasady połączone są wiązaniami wodorowymi oraz oddziaływaniami hydrofobowymi (warstwowymi)[8].

Długość[edytuj]

Po hipotetycznym całkowitym „rozpakowaniu” z chromosomów i połączeniu cząsteczek DNA w jedną nić, ludzkie DNA w przeciętnej komórce somatycznej miałoby około 2–2,4 m. Wynika to z rachunku: długość jednej pary zasad wynosi średnio 0,34 nm (0,34×10−9 m)[9], liczba par zasad w jądrze komórki diploidalnej wynosi w przybliżeniu 6–7 mld par zasad (jest to podwojona liczba par zasad komórki haploidalnej wynosząca 3×109[9]–3,5×109[10]), przemnożenie tych dwóch wartości daje wynik około 2 m. Najdłuższa rzeczywista cząsteczka DNA, chromosom 1[11], która zawiera 2,49×108 par zasad[12], ma długość około 8 cm.

Upakowanie w komórce[edytuj]

Z powodu znacznej długości cząsteczek DNA konieczne jest ich upakowanie – do tego celu służą białka histonowe (u eukariontów) lub białka histonopodobne (u prokariontów). U eukariontów możliwe jest bardzo ścisłe upakowanie DNA w postaci chromosomu metafazowego, który jest formą najbardziej skondensowaną[13]. DNA występuje w niedzielącej się komórce eukariotycznej w postaci chromatyny, nazywanej niekiedy włóknem 30 nm[14].

Każda z nici DNA ma na jednym końcu (oznaczanym jako koniec 5′), przy ostatnim nukleotydzie trzy grupy fosforanowe przy węglu 5′ deoksyrybozy, a na drugim końcu (oznaczanym jako koniec 3′) ostatni nukleotyd posiada wolną grupę hydroksylową przy węglu 3′ deoksyrybozy. Ze względu na to, że helisa dwóch nici DNA jest spleciona w ten sposób, że jedna z nici zaczyna się od końca 5′, a druga od końca 3′, mówi się, że obie nici są względem siebie antyrównoległe[8].

Łańcuch nici DNA zawiera informację genetyczną:

  • o kolejności aminokwasów w białkach (która stanowi niewielki ułamek sekwencji DNA – u człowieka około 1,5%)
  • o sekwencji licznych RNA niekodujących
  • regulacji ekspresji genów oraz
  • sekwencji o niejasnym znaczeniu (stanowiących zdecydowaną większość sekwencji jądrowego DNA).

Sekwencja białek kodowana jest w postaci trójek nukleotydowych odpowiadających odpowiednim aminokwasom oraz kodonom terminacyjnym, podczas biosyntezy białka[15].

Zgodnie z pracą z 2016 roku informacja genetyczna w DNA jest zapisana nie tylko za sprawą sekwencji nukleotydów, ale także poprzez ułożenie nici DNA w nukleosomach[16][17].

Rodzaje DNA[edytuj]

DNA rozróżnia się pod względem:

Najważniejsze z nich przedstawiono w tabeli:

Rodzaj DNA B-DNA A-DNA Z-DNA
liczba par zasad
przypadająca na skręt helisy
10,4 (ok. 10,2 dla tzw. wysp CpG) 11 12
kąt skręcania między sąsiednimi
parami zasad (w stopniach)
+34,6 +39,0 −30,0
skok helisy (nm) 3,54 2,53 4,56
kierunek skręcania prawoskrętna prawoskrętna lewoskrętna
średnica helisy (nm) 2,37 2,55 1,84
Fragment struktury DNA orbit animated small.gif A-DNA orbit animated small.gif Z-DNA orbit animated small.gif

Historia poznania[edytuj]

DNA zostało odkryte w roku 1869 przez Fryderyka Mieschera[24], lecz przez prawie 100 lat jego struktura pozostawała zagadką. Autorami modelu podwójnej helisy DNA są James Watson i Francis Crick, na podstawie zdjęć z rentgenowskich badań strukturalnych wykonanych przez Rosalind Franklin oraz Maurice’a Wilkinsa[25]. Pracowali oni wtedy w Medical Reserch Council Unity w Cavendish Laboratory w Cambridge[26].

Za odkrycie w roku 1953 struktury DNA Watson, Crick i Wilkins otrzymali w 1962 Nagrodę Nobla (Rosalind Franklin zmarła na raka w 1958)[27].

Zobacz też[edytuj]

Zagadnienia dotyczące budowy, struktury i funkcji DNA:

Zagadnienia genetyczne:

Eksperymenty:

Inne:

Przypisy[edytuj]

  1. The Biosynthesis of Cell Constituents. W: G.M. Cooper: The Cell: A Molecular Approach. Wyd. 2. Sunderland: Sinauer Associates, 2000. ISBN 0-87893-106-6.
  2. Structures of Nucleic Acids. W: D.W.S. Wong: The ABCs of Gene Cloning. Wyd. 2. 2006. ISBN 978-0-387-28679-2.
  3. Z.A. Shabarova, A.A. Bogdanov: Advanced Organic Chemistry of Nucleic Acids. Wiley VCH, 1994, s. 1–6.
  4. J. Koolman, K.H. Roehm: Color Atlas of Biochemistry. Wyd. 2. Thieme, 2005, s. 80–87. ISBN 3-13-100372-3.
  5. I. Takahashi, J. Marmur. Replacement of thymidylic acid by deoxyuridylic acid in the deoxyribonucleic acid of a transducing phage for Bacillus subtilis. „Nature”. 197, s. 794–795, 1963. DOI: 10.1038/197794a0. PMID: 13980287. 
  6. publikacja w otwartym dostępie – możesz ją przeczytać T. Visnes, B. Doseth, H.S. Pettersen, L. Hagen i inni. Uracil in DNA and its processing by different DNA glycosylases. „Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences”. 364 (1517), s. 563–568, 2009. DOI: 10.1098/rstb.2008.0186. PMID: 19008197. PMCID: PMC2660913. 
  7. Stryer, Berg i Tymoczko 2011 ↓, Rozdział 28, Sekcja 28.1.
  8. a b Stryer, Berg i Tymoczko 2011 ↓, Rozdział 4, Sekcja 4.2.
  9. a b How big is the DNA? A scaling excercise. [dostęp 2015-02-09]. [zarchiwizowane z tego adresu (2006-09-10)].
  10. Robert Kincaid Murray, Daryl K. Granner, Victor W. Rodwell: Biochemia Harpera ilustrowana. Wyd. 4. Warszawa: Wydawnictwo Lekarskie PZWL, 2008, s. 392. ISBN 978-83-200-3573-5.
  11. Vega Genome Browser 52 – Homo sapiens – whole genome (ang.). Vega Genome Browser.
  12. Vega Genome Browser 52 – chromosome summary – chromosome 1 (ang.). Vega Genome Browser.
  13. Clare O’Connor: Karyotyping. W: Scitable [on-line]. Nature Education, 2014. [dostęp 2016-09-03].
  14. DNA Structure (ang.). Chemistry LibreTexts.
  15. Stryer, Berg i Tymoczko 2011 ↓, Rozdział 4, Sekcja 4.5.
  16. Second layer of information in DNA confirmed (ang.). Leiden University, 2016-06-08. [dostęp 2016-06-09].
  17. publikacja w otwartym dostępie – możesz ją przeczytać B. Eslami-Mossallam, R.D. Schram, M. Tompitak, J. van Noort i inni. Multiplexing Genetic and Nucleosome Positioning Codes: A Computational Approach. „PLoS One”. 11 (6), s. e0156905, 2016. DOI: 10.1371/journal.pone.0156905. PMID: 27272176. PMCID: PMC4896621. 
  18. L. van Dam, M.H. Levitt. BII nucleotides in the B and C forms of natural-sequence polymeric DNA: A new model for the C form of DNA. „Journal of Molecular Biology”. 304 (4), s. 541–561, 2000. DOI: 10.1006/jmbi.2000.4194. PMID: 11099379. 
  19. J.M. Vargason, B.F. Eichman, P.S. Ho. The extended and eccentric E-DNA structure induced by cytosine methylation or bromination. „Nature Structural & Molecular Biology”. 7 (9), s. 758–761, 2000. DOI: 10.1038/78985. PMID: 10966645. 
  20. publikacja w otwartym dostępie – możesz ją przeczytać J. Zhao, A. Bacolla, G. Wang, K.M. Vasquez. Non-B DNA structure-induced genetic instability and evolution. „Cellular and Molecular Life Sciences”. 67 (1), s. 43–62, 2010. DOI: 10.1007/s00018-009-0131-2. PMID: 19727556. PMCID: PMC3017512. 
  21. publikacja w otwartym dostępie – możesz ją przeczytać J.F. Allemand, D. Bensimon, R. Lavery, V. Croquette. Stretched and overwound DNA forms a Pauling-like structure with exposed bases. „Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America”. 95 (24), s. 14152–14157, 1998. DOI: 10.1073/pnas.95.24.14152. PMID: 9826669. PMCID: PMC24342. 
  22. A. Ghosh, M. Bansal. A glossary of DNA structures from A to Z. „Acta Crystallographica Section D Structural Biology”. D59, s. 620–626, 2003. DOI: 10.1107/S0907444903003251. PMID: 12657780. 
  23. E. Palecek. Local supercoil-stabilized DNA structures. „Critical Reviews in Biochemistry and Molecular Biology”. 26 (2), s. 151–226, 1991. DOI: 10.3109/10409239109081126. PMID: 1914495. 
  24. R. Dahm, F. Miescher. Discovering DNA: Friedrich Miescher and the early years of nucleic acid research. „Human Genetics”. 122 (6), s. 565–581, 2008. DOI: 10.1007/s00439-007-0433-0. PMID: 17901982. 
  25. Archiwalne artykuły z Nature z 1953 roku dotyczące odkrycia struktury DNA. [dostęp 2010-03-05].
  26. Ferris Jabr. Święto nauki. „Świat Nauki”. Nr 7 (239), s. 42–51, 2011. Prószyński Media. ISSN 0867-6380.  za: F.H.C Crick. Struktura materiału dziedzicznego. „Świat Nauki”, 1954. Prószyński Media. ISSN 0867-6380. 
  27. The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1962. Nobelprize. [dostęp 2013-08-03].

Bibliografia[edytuj]

  • L. Stryer, J.M. Berg, J.L. Tymoczko: Biochemia. Wyd. 4. Wydawnictwo Naukowe PWN, 2011. ISBN 978-83-01-15811-8.