Deoksiribonukleino rūgštis – DNR – tarnauja kaip paveldimos informacijos, gyvų organizmų perduodamos kitoms kartoms, nešėja ir b altymų bei įvairių reguliavimo faktorių, reikalingų organizmui augimo ir gyvybės procesuose, konstravimo matrica. Šiame straipsnyje mes sutelksime dėmesį į dažniausiai pasitaikančias DNR struktūros formas. Taip pat atkreipsime dėmesį į tai, kaip šios formos kuriamos ir kokia DNR yra gyvoje ląstelėje.
DNR molekulės organizavimo lygiai
Yra keturi lygiai, lemiantys šios milžiniškos molekulės struktūrą ir morfologiją:
- Pirminis lygis arba struktūra yra nukleotidų tvarka grandinėje.
- Antrinė struktūra yra garsioji „dviguba spiralė“. Būtent ši frazė nusistovėjo, nors iš tikrųjų tokia konstrukcija primena varžtą.
- Tretinė struktūra susidaro dėl to, kad tarp atskirų dvigrandės susuktos DNR grandinės sekcijų susidaro silpni vandenilio ryšiai,suteikiant molekulei sudėtingą erdvinę konformaciją.
- Ketvirtinė struktūra jau yra sudėtingas DNR kompleksas su kai kuriais b altymais ir RNR. Šioje konfigūracijoje DNR yra supakuota į chromosomas ląstelės branduolyje.
Pirminė struktūra: DNR komponentai
Blokai, iš kurių sudaryta dezoksiribonukleorūgšties makromolekulė, yra nukleotidai, kurie yra junginiai, kurių kiekvienas apima:
- azoto bazė – adeninas, guaninas, timinas arba citozinas. Adeninas ir guaninas priklauso purino bazių grupei, citozinas ir timinas – pirimidinui;
- penkių anglies monosacharido dezoksiribozė;
- Ortofosforo rūgšties likutis.
Susidarant polinukleotidinei grandinei svarbų vaidmenį atlieka anglies atomų sudarytų grupių tvarka apskritoje cukraus molekulėje. Fosfato liekana nukleotide yra prijungta prie dezoksiribozės 5'-grupės (skaitykite „penkiais pradmenimis“), tai yra, su penktuoju anglies atomu. Grandinė pratęsiama prijungus kito nukleotido fosfato liekaną prie laisvos 3'-dezoksiribozės grupės.
Taigi, pirminė DNR struktūra polinukleotidinės grandinės pavidalu turi 3' ir 5' galus. Ši DNR molekulės savybė vadinama poliškumu: grandinės sintezė gali vykti tik viena kryptimi.
Antrinės struktūros formavimas
Kitas DNR struktūrinės organizavimo žingsnis yra pagrįstas azotinių bazių komplementarumo principu – jų gebėjimu jungtis poromis viena su kitaper vandenilinius ryšius. Komplementarumas – tarpusavio korespondencija – atsiranda todėl, kad adeninas ir timinas sudaro dvigubą ryšį, o guaninas ir citozinas – trigubą jungtį. Todėl formuojant dvigubą grandinę šios bazės stovi viena priešais kitą, sudarydamos atitinkamas poras.
Polinukleotidų sekos yra antrinėje struktūroje priešingai. Taigi, jei viena iš grandinių atrodo kaip 3' - AGGZATAA - 5', tada priešinga atrodys taip: 3' - TTATGTST - 5'.
Kai susidaro DNR molekulė, susisuka dviguba polinukleotidų grandinė, o druskų koncentracija, vandens prisotinimas ir pačios makromolekulės struktūra lemia, kokias DNR formas gali įgauti tam tikrame struktūriniame etape. Yra žinomos kelios tokios formos, žymimos lotyniškomis raidėmis A, B, C, D, E, Z.
C, D ir E konfigūracijos laukinėje gamtoje neaptinkamos ir buvo stebimos tik laboratorinėmis sąlygomis. Apžvelgsime pagrindines DNR formas: vadinamąsias kanonines A ir B, taip pat Z konfigūraciją.
A-DNR yra sausa molekulė
A forma yra dešinysis varžtas su 11 papildomų bazių porų kiekviename posūkyje. Jo skersmuo – 2,3 nm, o vieno spiralės apsisukimo ilgis – 2,5 nm. Plokštumos, kurias sudaro suporuotos bazės, turi 20° nuolydį molekulės ašies atžvilgiu. Kaimyniniai nukleotidai kompaktiškai išsidėstę grandinėmis – tarp jų yra tik 0,23 nm.
Ši DNR forma atsiranda esant mažai hidratacijai ir padidėjusiai joninei natrio ir kalio koncentracijai. Tai būdingaprocesai, kurių metu DNR sudaro kompleksą su RNR, nes pastaroji negali įgauti kitų formų. Be to, A forma yra labai atspari ultravioletiniams spinduliams. Šioje konfigūracijoje dezoksiribonukleorūgštis randama grybelių sporose.
Šlapias B-DNR
Esant mažam druskos kiekiui ir aukštam hidratacijos laipsniui, ty esant normalioms fiziologinėms sąlygoms, DNR įgauna pagrindinę B formą. Natūralios molekulės paprastai egzistuoja B formos. Būtent ji yra klasikinio Watson-Crick modelio pagrindas ir dažniausiai vaizduojama iliustracijose.
Šiai formai (taip pat dešiniarankei) būdingas ne toks kompaktiškas nukleotidų išdėstymas (0,33 nm) ir didelis varžto žingsnis (3,3 nm). Viename posūkyje yra 10,5 bazinių porų, kiekvienos iš jų sukimasis, palyginti su ankstesniu, yra apie 36 °. Porų plokštumos yra beveik statmenos „dvigubos spiralės“ašiai. Tokios dvigubos grandinės skersmuo yra mažesnis nei A formos – siekia tik 2 nm.
Nekanoninė Z-DNR
Skirtingai nei kanoninė DNR, Z tipo molekulė yra kairiarankis varžtas. Jis yra ploniausias iš visų, jo skersmuo yra tik 1,8 nm. Jo 4,5 nm ilgio ritės atrodo pailgos; šioje DNR formoje yra 12 suporuotų bazių viename posūkyje. Atstumas tarp gretimų nukleotidų taip pat gana didelis – 0,38 nm. Taigi Z forma turi mažiausiai posūkio.
Jis susidaro iš B tipo konfigūracijos tose srityse, kuriose yra purinoir pirimidino bazės, pasikeitus jonų kiekiui tirpale. Z-DNR susidarymas yra susijęs su biologiniu aktyvumu ir yra labai trumpalaikis procesas. Ši forma yra nestabili, o tai sukelia sunkumų tiriant jos funkcijas. Kol kas jie nėra tiksliai aiškūs.
DNR replikacija ir jos struktūra
Tiek pirminė, tiek antrinė DNR struktūros atsiranda per reiškinį, vadinamą replikacija – dviejų identiškų „dvigubų spiralių“susidarymo iš pirminės makromolekulės metu. Replikacijos metu pradinė molekulė išsivynioja, o ant išlaisvintų atskirų grandinių susidaro papildomos bazės. Kadangi DNR pusės yra antilygiagrečios, šis procesas vyksta skirtingomis kryptimis: pradinių grandinių atžvilgiu nuo 3' galo iki 5' galo, tai yra, naujos grandinės auga kryptimi 5' → 3'. Pirmoji kryptis nuolat sintezuojama link replikacijos šakutės; atsiliekančioje grandinėje sintezė atliekama iš šakutės atskirose atkarpose (Okazaki fragmentai), kurios vėliau susiuvamos specialiu fermentu DNR ligaze.
Kol sintezė tęsiasi, jau susiformavę dukterinių molekulių galai spirališkai sukami. Tada, nepasibaigus replikacijai, naujagimių molekulės pradeda formuoti tretinę struktūrą procese, vadinamame superspirale.
Super susukta molekulė
Superspiralinė DNR forma atsiranda, kai dvigrandė molekulė papildomai pasisuka. Jis gali būti pagal laikrodžio rodyklę (teigiamas) arbaprieš (šiuo atveju kalbama apie neigiamą superspiraliją). Daugumos organizmų DNR yra neigiamai susukta superspirale, tai yra, prieš pagrindinius „dvigubos spiralės“posūkius.
Dėl papildomų kilpų – superspiralių – DNR įgauna sudėtingą erdvinę konfigūraciją. Eukariotinėse ląstelėse šis procesas vyksta susidarant kompleksams, kuriuose DNR neigiamai susisuka aplink histono b altymų kompleksus ir įgauna gijos su nukleozomų granulėmis formą. Laisvos gijos dalys vadinamos linkeriais. Ne histoniniai b altymai ir neorganiniai junginiai taip pat dalyvauja palaikant superspiralinę DNR molekulės formą. Taip susidaro chromatinas – chromosomų medžiaga.
Chromatino gijos su nukleozominėmis granulėmis gali dar labiau apsunkinti morfologiją procese, vadinamame chromatino kondensacija.
Galutinis DNR sutankinimas
Branduolyje dezoksiribonukleorūgšties makromolekulės forma tampa itin sudėtinga ir sutankinama keliais etapais.
- Pirma, siūlas suvyniojamas į specialią solenoidinio tipo struktūrą – 30 nm storio chromatino fibrilę. Šiame lygyje DNR susilanksto ir sutrumpina savo ilgį 6–10 kartų.
- Be to, fibrilė, pasitelkdama specifinius karkaso b altymus, formuoja zigzagines kilpas, todėl linijinis DNR dydis sumažėja jau 20-30 kartų.
- Tankiai supakuotos kilpos domenai formuojami kitame lygyje, dažniausiai jų forma paprastai vadinama „lempos šepečiu“. Jie prisijungia prie intranuklearinio b altymomatrica. Tokių struktūrų storis jau siekia 700 nm, o DNR sutrumpėja maždaug 200 kartų.
- Paskutinis morfologinės organizacijos lygis yra chromosomų. Kilpų domenai sutankinami tiek, kad bendras sutrumpinimas yra 10 000 kartų. Jei ištemptos molekulės ilgis yra apie 5 cm, tada supakavus į chromosomas jis sumažėja iki 5 mikronų.
Aukščiausias DNR formos komplikacijų lygis pasiekia mitozės metafazės būseną. Būtent tada jis įgauna būdingą išvaizdą – dvi chromatides, sujungtas susiaurėjimu-centromeru, užtikrinančiu chromatidžių divergenciją dalijimosi procese. Tarpfazinė DNR yra organizuota iki domeno lygio ir ląstelės branduolyje pasiskirsto jokia tvarka. Taigi matome, kad DNR morfologija yra glaudžiai susijusi su įvairiomis jos egzistavimo fazėmis ir atspindi šios svarbiausios gyvybei molekulės funkcionavimo ypatumus.
