A dezoxiribonukleinsav - DNS - az élő szervezetek által a következő generációknak továbbított örökletes információ hordozójaként, valamint mátrixként szolgál a fehérjék és különböző szabályozó tényezők felépítéséhez, amelyekre a szervezetnek szüksége van a növekedési és életfolyamatokban. Ebben a cikkben a DNS-szerkezet leggyakoribb formáira fogunk összpontosítani. Figyelni fogunk arra is, hogyan épülnek fel ezek a formák, és milyen formában található a DNS egy élő sejtben.
A DNS-molekula szerveződési szintjei
Négy szint határozza meg ennek az óriási molekulának a szerkezetét és morfológiáját:
- Az elsődleges szint vagy szerkezet a nukleotidok sorrendje a láncban.
- A másodlagos szerkezet a híres "kettős spirál". Ez a kifejezés leülepedett, bár valójában egy ilyen szerkezet csavarhoz hasonlít.
- A harmadlagos szerkezet annak a ténynek köszönhető, hogy gyenge hidrogénkötések jönnek létre a kétszálú, csavart DNS-szál egyes szakaszai között,összetett térbeli konformációt adva a molekulának.
- A kvaterner szerkezet már egy összetett DNS-komplexum néhány fehérjével és RNS-sel. Ebben a konfigurációban a DNS a sejtmag kromoszómáiba csomagolódik.
Elsődleges szerkezet: a DNS összetevői
A blokkok, amelyekből a dezoxiribonukleinsav makromolekulája épül, nukleotidok, amelyek vegyületek, amelyek mindegyike a következőket tartalmazza:
- nitrogéntartalmú bázis - adenin, guanin, timin vagy citozin. Az adenin és a guanin a purinbázisok, a citozin és a timin a pirimidin csoportjába tartozik;
- öt szénatomos monoszacharid dezoxiribóz;
- Ortofoszforsav-maradék.
A polinukleotid lánc kialakításában fontos szerepet játszik a kör alakú cukormolekulában a szénatomok által alkotott csoportok sorrendje. A nukleotidban lévő foszfátmaradék a dezoxiribóz 5'-csoportjához (értsd: "öt prím") kapcsolódik, azaz az ötödik szénatomhoz. A lánc meghosszabbítása úgy történik, hogy a következő nukleotid foszfátmaradékát a dezoxiribóz szabad 3'-csoportjához kapcsolják.
Így a DNS elsődleges szerkezetének polinukleotid lánc formájában van 3' és 5' vége. A DNS-molekulának ezt a tulajdonságát polaritásnak nevezzük: a lánc szintézise csak egy irányba mehet.
Másodlagos szerkezet kialakulása
A DNS szerkezeti szerveződésének következő lépése a nitrogénbázisok komplementaritásának elvén alapszik – a képességükön, hogy párban kapcsolódjanak egymássalhidrogénkötéseken keresztül. A komplementaritás – kölcsönös megfeleltetés – azért következik be, mert az adenin és a timin kettős kötést, a guanin és a citozin pedig hármas kötést alkot. Ezért a kettős lánc kialakítása során ezek az alapok egymással szemben állnak, és a megfelelő párokat alkotják.
A polinukleotid szekvenciák a másodlagos szerkezetben párhuzamosan helyezkednek el. Tehát, ha az egyik lánc így néz ki: 3' - AGGZATAA - 5', akkor az ellenkezője így fog kinézni: 3' - TTATGTST - 5'.
Amikor egy DNS-molekula keletkezik, a megkettőződött polinukleotidlánc megcsavarodik, és a sók koncentrációja, a víztelítettség, valamint magának a makromolekulának a szerkezete határozza meg, hogy egy adott szerkezeti lépésben milyen formákat ölthet a DNS. Számos ilyen forma ismert, latin A, B, C, D, E, Z betűkkel jelölve.
A C, D és E konfigurációk nem találhatók meg a vadon élő állatokban, és csak laboratóriumi körülmények között figyelték meg. Megnézzük a DNS fő formáit: az úgynevezett kanonikus A-t és B-t, valamint a Z-konfigurációt.
A-DNS egy száraz molekula
Az A-forma egy jobb oldali csavar, minden menetben 11 kiegészítő alappárral. Átmérője 2,3 nm, a spirál egy menetének hossza 2,5 nm. A párosított bázisok által alkotott síkok 20°-os lejtésűek a molekula tengelyéhez képest. A szomszédos nukleotidok kompakt láncokba rendeződnek – mindössze 0,23 nm van köztük.
A DNS ezen formája alacsony hidratáltság mellett, valamint megnövekedett nátrium- és káliumionkoncentráció mellett fordul elő. Erre jellemzőolyan folyamatok, amelyek során a DNS komplexet képez az RNS-sel, mivel az utóbbi nem tud más formát ölteni. Ezenkívül az A-forma rendkívül ellenáll az ultraibolya sugárzásnak. Ebben a konfigurációban a dezoxiribonukleinsav gombaspórákban található.
Nedves B-DNS
Alacsony sótartalommal és magas fokú hidratációval, azaz normál fiziológiás körülmények között a DNS felveszi fő B formáját. A természetes molekulák általában B formában léteznek. Ő az, aki a klasszikus Watson-Crick modell mögött áll, és leggyakrabban illusztrációkon ábrázolják.
Ezt a formát (ez is jobbkezes) a nukleotidok kevésbé kompakt elhelyezése (0,33 nm) és a nagy csavarosztás (3,3 nm) jellemzi. Egy fordulat 10,5 bázispárt tartalmaz, mindegyik elfordulása az előzőhöz képest körülbelül 36 °. A párok síkjai csaknem merőlegesek a "kettős spirál" tengelyére. Egy ilyen kettős lánc átmérője kisebb, mint az A-alakúé - mindössze 2 nm-t ér el.
Nem kanonikus Z-DNS
A kanonikus DNS-sel ellentétben a Z-típusú molekula egy balkezes csavar. Az összes közül a legvékonyabb, átmérője mindössze 1,8 nm. 4,5 nm hosszú tekercsei megnyúltnak tűnnek; ez a DNS-forma körönként 12 párosított bázist tartalmaz. A szomszédos nukleotidok közötti távolság is meglehetősen nagy - 0,38 nm. Tehát a Z alakban van a legkevesebb csavar.
B-típusú konfigurációból jön létre azokon a területeken, ahol a purinés pirimidinbázisok, az oldat iontartalmának változásával. A Z-DNS képződése biológiai aktivitással jár, és nagyon rövid távú folyamat. Ez a forma instabil, ami nehézségeket okoz funkcióinak tanulmányozásában. Egyelőre nem teljesen világosak.
DNS-replikáció és szerkezete
A DNS elsődleges és másodlagos szerkezete is a replikációnak nevezett jelenség során keletkezik – két egyforma „kettős hélix” kialakulása során a kiindulási makromolekulából. A replikáció során az eredeti molekula feltekercselődik, és a felszabaduló egyedi láncokon komplementer bázisok épülnek fel. Mivel a DNS felek ellentétesek, ez a folyamat különböző irányokba megy rajtuk: az anyaláncokhoz képest a 3'-végtől az 5'-végig, azaz új láncok nőnek az 5' → 3' irányba. A vezető szál folyamatosan szintetizálódik a replikációs villa felé; a lemaradó szálon a szintézis a villából külön szakaszokban (Okazaki-fragmensek) történik, amelyeket aztán egy speciális enzim, a DNS-ligáz varr össze.
Miközben a szintézis folytatódik, a leánymolekulák már kialakult végei spirális csavarodáson mennek keresztül. Ezután a replikáció befejeződése előtt az újszülött molekulák harmadlagos szerkezetet kezdenek kialakítani a szupertekercselésnek nevezett folyamat során.
Super Twisted Molecule
A DNS szupertekervényes formája akkor fordul elő, amikor egy kétszálú molekula extra csavarodást hajt végre. Ez lehet az óramutató járásával megegyező (pozitív) illellen (ebben az esetben negatív szupertekercselésről beszélünk). A legtöbb élőlény DNS-e negatívan szupertekercses, azaz a „kettős hélix” fő fordulatai ellen.
A további hurkok - szupertekercsek - képződésének eredményeként a DNS összetett térbeli konfigurációt kap. Az eukarióta sejtekben ez a folyamat olyan komplexek képződésével megy végbe, amelyekben a DNS negatívan tekercselődik a hisztonfehérje komplexek köré, és nukleoszómagyöngyökkel ellátott fonal formáját ölti. A szál szabad szakaszait linkereknek nevezzük. Nem hiszton fehérjék és szervetlen vegyületek is részt vesznek a DNS-molekula szupertekervényes alakjának megőrzésében. Így keletkezik a kromatin – a kromoszómák anyaga.
A nukleoszómális gyöngyöket tartalmazó kromatinszálak tovább bonyolíthatják a morfológiát a kromatinkondenzációnak nevezett folyamat során.
DNS végső tömörítése
A sejtmagban a dezoxiribonukleinsav makromolekula alakja rendkívül bonyolulttá válik, és több lépésben tömörül.
- Először is az izzószálat egy speciális mágnestekercs-típusú szerkezetbe – egy 30 nm vastag kromatinszálba – tekerik fel. Ezen a szinten a DNS 6-10-szeresre gyűrődik és lerövidíti a hosszát.
- Továbbá a fibrillák specifikus vázfehérjék segítségével cikk-cakk hurkokat képeznek, ami már 20-30-szorosára csökkenti a DNS lineáris méretét.
- A következő szinten sűrűn tömörített huroktartományok jönnek létre, amelyek leggyakrabban hagyományosan „lámpakefének” nevezett alakkal rendelkeznek. Az intranukleáris fehérjéhez kapcsolódnakmátrix. Az ilyen struktúrák vastagsága már 700 nm, míg a DNS körülbelül 200-szorosára rövidül.
- A morfológiai szerveződés utolsó szintje a kromoszómális. A huroktartományokat olyan mértékben tömörítik, hogy összesen 10 000-szeres rövidülés érhető el. Ha a megnyújtott molekula hossza kb. 5 cm, akkor a kromoszómákba tömörülés után 5 mikronra csökken.
A DNS formájának szövődményei a legmagasabb szintet a mitózis metafázisának állapotában érik el. Ekkor kap jellegzetes megjelenést - két kromatidot, amelyeket szűkület-centromer köt össze, ami biztosítja a kromatidák divergenciáját az osztódás folyamatában. Az interfázisú DNS a domén szintjéig szerveződik, és nem meghatározott sorrendben oszlik el a sejtmagban. Így azt látjuk, hogy a DNS morfológiája szorosan összefügg létezésének különböző fázisaival, és tükrözi ennek a legfontosabb molekulának a működésének jellemzőit.
