Desoksüribonukleiinhape – DNA – toimib elusorganismide poolt järgmistele põlvkondadele edastatava päriliku teabe kandjana ning maatriksina valkude ja erinevate regulatoorsete tegurite ehitamisel, mida organism vajab kasvu- ja eluprotsessides. Selles artiklis keskendume DNA struktuuri levinuimatele vormidele. Pöörame tähelepanu ka sellele, kuidas need vormid on üles ehitatud ja millisel kujul asub DNA elusraku sees.
DNA molekuli organiseerituse tasemed
Selle hiiglasliku molekuli struktuuri ja morfoloogia määravad neli taset:
- Esmane tase ehk struktuur on nukleotiidide järjekord ahelas.
- Sekundaarne struktuur on kuulus "topeltspiraal". Just see fraas on paika loksunud, kuigi tegelikult meenutab selline struktuur kruvi.
- Tertsiaarne struktuur moodustub tänu sellele, et DNA kaheahelalise keerdahela üksikute lõikude vahel tekivad nõrgad vesiniksidemed,andes molekulile keerulise ruumilise konformatsiooni.
- Kvaternaarne struktuur on juba keerukas DNA kompleks, mis sisaldab mõningaid valke ja RNA-d. Selles konfiguratsioonis pakitakse DNA raku tuuma kromosoomidesse.
Esmane struktuur: DNA komponendid
Plokid, millest desoksüribonukleiinhappe makromolekul on ehitatud, on nukleotiidid, mis on ühendid, millest igaüks sisaldab:
- lämmastikalus – adeniin, guaniin, tümiin või tsütosiin. Adeniin ja guaniin kuuluvad puriini aluste rühma, tsütosiin ja tümiin kuuluvad pürimidiini;
- viie süsiniku monosahhariidi desoksüriboos;
- Ortofosforhappe jääk.
Polünukleotiidahela moodustamisel mängib olulist rolli ringikujulises suhkrumolekulis süsinikuaatomitest moodustatud rühmade järjestus. Nukleotiidis olev fosfaadijääk on ühendatud desoksüriboosi 5'-rühmaga (loe "viie algarvuga"), see tähendab viienda süsinikuaatomiga. Ahela pikenemine toimub järgmise nukleotiidi fosfaadijäägi kinnitamisel desoksüriboosi vaba 3'-rühma külge.
Seega on DNA primaarsel struktuuril polünukleotiidahela kujul 3'- ja 5'-otsad. Seda DNA molekuli omadust nimetatakse polaarsuseks: ahela süntees saab kulgeda ainult ühes suunas.
Teisese struktuuri moodustumine
DNA struktuurse korralduse järgmine samm põhineb lämmastikaluste komplementaarsuse põhimõttel – nende võimel ühenduda omavahel paarikaupavesiniksidemete kaudu. Komplementaarsus – vastastikune vastavus – tekib seetõttu, et adeniin ja tümiin moodustavad kaksiksideme ning guaniin ja tsütosiin kolmiksideme. Seetõttu seisavad need alused topeltahela moodustamisel üksteise vastas, moodustades vastavad paarid.
Polünukleotiidjärjestused paiknevad sekundaarstruktuuris antiparalleelselt. Seega, kui üks kettidest näeb välja selline: 3' – AGGZATAA – 5', siis vastupidine näeb välja selline: 3' – TTATGTST – 5'.
DNA molekuli moodustumisel kahekordistunud polünukleotiidne ahel väänatakse ning soolade kontsentratsioon, vee küllastumine ja makromolekuli enda struktuur määravad kindlaks, milliseid vorme võib DNA antud struktuurietapil võtta. Tuntud on mitmeid selliseid vorme, mida tähistatakse ladina tähtedega A, B, C, D, E, Z.
Konfiguratsioone C, D ja E eluslooduses ei leidu ning neid on täheldatud ainult laboritingimustes. Vaatleme DNA peamisi vorme: niinimetatud kanoonilist A ja B, samuti Z-konfiguratsiooni.
A-DNA on kuiv molekul
A-kuju on parempoolne kruvi, millel on igas pöördes 11 täiendavat aluspaari. Selle läbimõõt on 2,3 nm ja spiraali ühe pöörde pikkus on 2,5 nm. Paaritud aluste poolt moodustatud tasanditel on molekuli telje suhtes 20° kalle. Naabernukleotiidid paiknevad kompaktselt ahelatena – nende vahel on ainult 0,23 nm.
See DNA vorm esineb vähese hüdratatsiooniga ning naatriumi ja kaaliumi suurenenud ioonkontsentratsiooniga. See on tüüpilineprotsessid, mille käigus DNA moodustab RNA-ga kompleksi, kuna viimane ei ole võimeline võtma muid vorme. Lisaks on A-vorm väga vastupidav ultraviolettkiirgusele. Selles konfiguratsioonis leidub desoksüribonukleiinhapet seente eostes.
Märg B-DNA
Madala soolasisaldusega ja kõrge hüdratatsiooniastmega, st normaalsetes füsioloogilistes tingimustes omandab DNA põhivormi B. Looduslikud molekulid eksisteerivad reeglina B-vormis. Just tema on klassikalise Watson-Cricki mudeli aluseks ja teda on kõige sagedamini kujutatud illustratsioonidel.
Seda vormi (see on ka paremakäeline) iseloomustab nukleotiidide vähem kompaktne paigutus (0,33 nm) ja suur kruvisamm (3,3 nm). Üks pööre sisaldab 10,5 aluspaari, igaühe pöörlemine eelmise suhtes on umbes 36 °. Paaride tasapinnad on peaaegu risti "kaksikspiraali" teljega. Sellise topeltahela läbimõõt on väiksem kui A-vormil – see ulatub vaid 2 nm-ni.
Mittekanooniline Z-DNA
Erinev alt kanoonilisest DNA-st on Z-tüüpi molekul vasakukäeline kruvi. See on kõige õhem, selle läbimõõt on vaid 1,8 nm. Selle 4,5 nm pikkused mähised tunduvad olevat piklikud; see DNA vorm sisaldab 12 paari alust pöörde kohta. Kõrvuti asetsevate nukleotiidide vaheline kaugus on samuti üsna suur - 0,38 nm. Seega on Z-kujul kõige vähem keerdu.
See moodustub B-tüüpi konfiguratsioonist nendes piirkondades, kus puriinja pürimidiini aluseid, kusjuures ioonide sisaldus lahuses muutub. Z-DNA teket seostatakse bioloogilise aktiivsusega ja see on väga lühiajaline protsess. See vorm on ebastabiilne, mis tekitab raskusi selle funktsioonide uurimisel. Seni pole need täpselt selged.
DNA replikatsioon ja selle struktuur
Nii DNA esmane kui ka sekundaarne struktuur tekivad nähtuse käigus, mida nimetatakse replikatsiooniks – kahe identse "topeltspiraali" moodustumisel lähtemakromolekulist. Replikatsiooni käigus kerdub algmolekul lahti ja vabanenud üksikutele ahelatele tekivad täiendavad alused. Kuna DNA pooled on antiparalleelsed, kulgeb see protsess neil erinevates suundades: lähteahelate suhtes 3'-otsast 5'-otsani, st uued ahelad kasvavad suunas 5' → 3'. Juhtahel sünteesitakse pidev alt replikatsioonikahvli suunas; mahajäänud ahelal toimub süntees kahvlist eraldi osadena (Okazaki fragmendid), mis seejärel spetsiaalse ensüümi DNA ligaasiga kokku õmmeldakse.
Sünteesi jätkumise ajal läbivad tütarmolekulide juba moodustunud otsad spiraalse keerdumise. Seejärel, enne kui replikatsioon on lõppenud, hakkavad vastsündinud molekulid moodustama tertsiaarset struktuuri protsessis, mida nimetatakse superkerimiseks.
Super keerdunud molekul
DNA ülikeerdunud vorm tekib siis, kui kaheahelaline molekul teeb täiendava keerdumise. See võib olla päripäeva (positiivne) võivastu (sel juhul räägitakse negatiivsest ülikerimisest). Enamiku organismide DNA on negatiivselt superkeerdunud, st vastu "kaksikheeliksi" peamiste pöörete vastu.
Täiendavate silmuste – superspiraalide – moodustumise tulemusena omandab DNA keerulise ruumilise konfiguratsiooni. Eukarüootsetes rakkudes toimub see protsess komplekside moodustumisega, milles DNA keerdub negatiivselt ümber histooni valgukomplekside ja võtab nukleosoomide helmestega niidi kuju. Lõime vabu osi nimetatakse linkeriteks. DNA molekuli ülikeerdunud kuju säilitamisel osalevad ka mittehistoonvalgud ja anorgaanilised ühendid. Nii tekib kromatiin – kromosoomide aine.
Nukleosomaalsete helmestega kromatiini ahelad on võimelised kromatiini kondenseerumiseks kutsutava protsessi morfoloogiat veelgi keerulisemaks muutma.
DNA lõplik tihendamine
Tuumas muutub desoksüribonukleiinhappe makromolekuli kuju äärmiselt keeruliseks, tihenedes mitmes etapis.
- Esm alt keeratakse hõõgniit spetsiaalsesse solenoid-tüüpi struktuuri – 30 nm paksusesse kromatiini fibrillisse. Sellel tasemel DNA voldib ja lühendab oma pikkust 6–10 korda.
- Lisaks moodustab fibrill spetsiifiliste karkassvalkude abil siksakilisi silmuseid, mis vähendab DNA lineaarset suurust juba 20-30 korda.
- Tihed alt pakitud silmusdomeenid moodustatakse järgmisel tasemel, millel on enamasti kuju, mida tavapäraselt nimetatakse lambiharjaks. Nad kinnituvad tuumasisese valgu külgemaatriks. Selliste struktuuride paksus on juba 700 nm, samas kui DNA lüheneb ligikaudu 200 korda.
- Viimane morfoloogilise organiseerituse tase on kromosomaalne. Silmusdomeenid on tihendatud sellisel määral, et saavutatakse kokku 10 000-kordne lühenemine. Kui venitatud molekuli pikkus on umbes 5 cm, siis pärast kromosoomidesse pakkimist väheneb see 5 mikronini.
DNA vormi komplikatsiooni kõrgeim tase jõuab mitoosi metafaasi seisundisse. Just siis omandab see iseloomuliku välimuse - kaks kromatiidi, mis on ühendatud ahenemistsentromeeriga, mis tagab kromatiidide lahknemise jagunemisprotsessis. Interfaasiline DNA on organiseeritud kuni domeeni tasemeni ja jaotub raku tuumas kindlas järjekorras. Seega näeme, et DNA morfoloogia on tihed alt seotud selle eksisteerimise erinevate faasidega ja peegeldab selle eluks kõige olulisema molekuli funktsioneerimise tunnuseid.
