Kwas deoksyrybonukleinowy

Struktura chemiczna DNA (linią przerywaną oznaczono wiązania wodorowe)

	Co to jest DNA? Rozmowa z prof. Marianem Kozielskim. Podkast z serii Nauka XXI wieku
Problem z odtwarzaniem tego pliku? Zobacz strony pomocy.

(c) I, Madprime, CC-BY-SA-3.0

Widełki replikacyjne DNA

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 oraz wirusów.

Skład i budowa

DNA jest liniowym, nierozgałęzionym biopolimerem, którego monomerami są deoksyrybonukleotydy^[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 purynowych – adeniną (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, a strukturę DNA stabilizują dodatkowo oddziaływania warstwowe(ang.) pomiędzy sąsiednimi zasadami nukleinowymi^[8].

Długość

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: odległość pomiędzy parami 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 3×10^9[9]–3,5×10^9[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

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 aminokwasów 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

DNA rozróżnia się pod względem:

• pochodzenia w czasie – aDNA
• funkcji: cDNA, mtDNA, chlDNA/cpDNA
• struktury:
  • jednoniciowy DNA (ssDNA)
  • dwuniciowy DNA (dsDNA) w formach: A-DNA, B-DNA, C-DNA^[18], E-DNA^[19], H-DNA^[20] P-DNA^[21], i Z-DNA^[22][23]
  • trójniciowy DNA
  • czteroniciowy DNA.

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	(c) Zephyris, CC-BY-SA-3.0	(c) Zephyris z angielskojęzycznej Wikipedii, CC-BY-SA-3.0

Historia poznania

Pakiet do pobierania DNA

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].

W 1961 miało miejsce odkrycie zasad kodu genetycznego przez Holleya, Khoranę i Nirenberga, a w roku 1977 opracowanie metody sekwencjonowania DNA przez zespoły badawcze Waltera Gilberta i Fredericka Sangera.

Porównanie DNA za pomocą RFLP jest obecnie powszechnie stosowane w kryminalistyce. Po raz pierwszy profil DNA w kryminalistyce został wykorzystany w roku 1986 przez brytyjską policję i podejrzany został uniewinniony. Pierwszym skazanym na podstawie dowodu w postaci DNA był w roku 1987 brytyjski piekarz Colin Pitchfork^[28].

Zobacz też

Zagadnienia dotyczące budowy, struktury i funkcji DNA:

• T-DNA
• replikacja DNA
• nić kodująca
• chloroplastowy DNA
• PNA

Zagadnienia genetyczne:

• locus
• allel

Eksperymenty:

• eksperyment Griffitha
• eksperyment Hersheya-Chase

Inne:

• chemiczna synteza oligonukleotydów

Przypisy

Bibliografia

• Lubert Stryer, Jeremy Berg, John Tymoczko: Biochemia. Wyd. 4. Wydawnictwo Naukowe PWN, 2011. ISBN 978-83-01-15811-8.