Dezoksiribonukleīnskābe – DNS – kalpo kā iedzimtas informācijas nesējs, ko dzīvi organismi nodod nākamajām paaudzēm, un matrica proteīnu un dažādu organismam nepieciešamo regulējošo faktoru uzbūvei augšanas un dzīvības procesos. Šajā rakstā mēs pievērsīsimies visbiežāk sastopamajām DNS struktūras formām. Mēs arī pievērsīsim uzmanību tam, kā šīs formas tiek veidotas un kādā veidā DNS atrodas dzīvā šūnā.
DNS molekulas organizācijas līmeņi
Ir četri līmeņi, kas nosaka šīs milzīgās molekulas struktūru un morfoloģiju:
- Primārais līmenis jeb struktūra ir nukleotīdu secība ķēdē.
- Sekundārā struktūra ir slavenā "dubultspirāle". Tieši šī frāze ir nosēdusies, lai gan patiesībā šāda struktūra atgādina skrūvi.
- Terciārā struktūra veidojas tāpēc, ka starp atsevišķām divpavedienu savītā DNS virknes daļām veidojas vājas ūdeņraža saites,piešķirot molekulai sarežģītu telpisku konformāciju.
- Kvartārā struktūra jau ir sarežģīts DNS komplekss ar dažiem proteīniem un RNS. Šajā konfigurācijā DNS tiek iepakota hromosomās šūnas kodolā.
Primārā struktūra: DNS komponenti
Bloki, no kuriem tiek veidota dezoksiribonukleīnskābes makromolekula, ir nukleotīdi, kas ir savienojumi, no kuriem katrs ietver:
- slāpekļa bāze - adenīns, guanīns, timīns vai citozīns. Adenīns un guanīns pieder pie purīna bāzu grupas, citozīns un timīns pieder pie pirimidīna;
- piecu oglekļa monosaharīda dezoksiriboze;
- Ortofosforskābes atlikums.
Polinukleotīdu ķēdes veidošanā svarīga loma ir to grupu secībai, ko veido oglekļa atomi apļveida cukura molekulā. Fosfāta atlikums nukleotīdā ir saistīts ar dezoksiribozes 5'-grupu (lasīt "pieci pirmskaitļi"), tas ir, ar piekto oglekļa atomu. Ķēdes pagarināšana notiek, pievienojot nākamā nukleotīda fosfāta atlikumu brīvajai dezoksiribozes 3' grupai.
Tādējādi DNS primārajai struktūrai polinukleotīdu ķēdes formā ir 3'- un 5'-gals. Šo DNS molekulas īpašību sauc par polaritāti: ķēdes sintēze var notikt tikai vienā virzienā.
Sekundārās struktūras veidošanās
Nākamais DNS strukturālās organizācijas solis ir balstīts uz slāpekļa bāzu komplementaritātes principu – to spēju savienoties pa pāriem savā starpācaur ūdeņraža saitēm. Komplementaritāte – savstarpēja atbilstība – rodas tāpēc, ka adenīns un timīns veido dubultsaiti, bet guanīns un citozīns – trīskāršo saiti. Tāpēc, veidojot dubultķēdi, šīs pamatnes stāv viena otrai pretī, veidojot atbilstošos pārus.
Polinukleotīdu sekvences atrodas sekundārajā struktūrā pretparalēli. Tātad, ja viena no ķēdēm izskatās kā 3' - AGGZATAA - 5', tad pretējā izskatīsies šādi: 3' - TTATGTST - 5'.
Kad veidojas DNS molekula, dubultotā polinukleotīdu ķēde tiek savīti, un sāļu koncentrācija, ūdens piesātinājums un pašas makromolekulas struktūra nosaka, kādas formas DNS var iegūt noteiktā struktūras posmā. Ir zināmas vairākas šādas formas, kas apzīmētas ar latīņu burtiem A, B, C, D, E, Z.
Konfigurācijas C, D un E nav sastopamas savvaļas dzīvniekiem un ir novērotas tikai laboratorijas apstākļos. Apskatīsim galvenās DNS formas: tā saukto kanonisko A un B, kā arī Z konfigurāciju.
A-DNS ir sausa molekula
A forma ir labās puses skrūve ar 11 savstarpēji papildinošiem pamatņu pāriem katrā pagriezienā. Tās diametrs ir 2,3 nm, un viena spirāles apgrieziena garums ir 2,5 nm. Plaknēm, ko veido pārī savienotās bāzes, ir 20° slīpums attiecībā pret molekulas asi. Blakus esošie nukleotīdi ir kompakti sakārtoti ķēdēs - starp tiem ir tikai 0,23 nm.
Šī DNS forma rodas ar zemu hidratāciju un paaugstinātu nātrija un kālija jonu koncentrāciju. Tas ir raksturīgsprocesi, kuros DNS veido kompleksu ar RNS, jo pēdējā nespēj iegūt citas formas. Turklāt A forma ir ļoti izturīga pret ultravioleto starojumu. Šajā konfigurācijā dezoksiribonukleīnskābe ir atrodama sēnīšu sporās.
Mitrā B-DNS
Ar zemu sāls saturu un augstu hidratācijas pakāpi, tas ir, normālos fizioloģiskos apstākļos DNS iegūst savu galveno formu B. Dabiskās molekulas parasti pastāv B formā. Tieši viņa ir klasiskā Vatsona-Krika modeļa pamatā un visbiežāk tiek attēlota ilustrācijās.
Šai formai (tā ir arī labā roka) ir raksturīgs mazāk kompakts nukleotīdu izvietojums (0,33 nm) un liels skrūves solis (3,3 nm). Viens pagrieziens satur 10,5 bāzes pārus, katra no tiem rotācija attiecībā pret iepriekšējo ir aptuveni 36 °. Pāru plaknes ir gandrīz perpendikulāras "dubultās spirāles" asij. Šādas dubultķēdes diametrs ir mazāks nekā A-formai - tas sasniedz tikai 2 nm.
Nekanonisks Z-DNS
Atšķirībā no kanoniskās DNS, Z veida molekula ir kreisās puses skrūve. Tas ir plānākais no visiem, un tā diametrs ir tikai 1,8 nm. Tās spoles, kuru garums ir 4,5 nm, šķiet, ir iegarenas; šī DNS forma satur 12 pāru bāzes katrā pagriezienā. Arī attālums starp blakus esošajiem nukleotīdiem ir diezgan liels - 0,38 nm. Tātad Z formai ir vismazāk izgriezuma.
Tas veidojas no B tipa konfigurācijas tajās vietās, kur purīnsun pirimidīna bāzes, mainoties jonu saturam šķīdumā. Z-DNS veidošanās ir saistīta ar bioloģisko aktivitāti un ir ļoti īslaicīgs process. Šī forma ir nestabila, kas rada grūtības tās funkciju izpētē. Pagaidām tie nav īsti skaidri.
DNS replikācija un tās struktūra
Gan primārās, gan sekundārās DNS struktūras rodas fenomena, ko sauc par replikāciju, laikā - divu identisku "dubultspirāļu" veidošanās laikā no sākotnējās makromolekulas. Replikācijas laikā sākotnējā molekula atritinās, un uz atbrīvotajām atsevišķām ķēdēm veidojas komplementāras bāzes. Tā kā DNS pusītes ir pretparalēlas, šis process notiek uz tām dažādos virzienos: attiecībā pret mātes ķēdēm no 3'-gala līdz 5'-galam, tas ir, jaunas ķēdes aug virzienā 5' → 3'. Vadošā daļa tiek nepārtraukti sintezēta replikācijas dakšas virzienā; atpalikušajā virknē sintēze tiek veikta no dakšas atsevišķās sekcijās (Okazaki fragmenti), kuras pēc tam sašuj kopā ar īpašu enzīmu DNS ligāzi.
Kamēr sintēze turpinās, meitas molekulu jau izveidotie gali tiek spirāli vērpti. Pēc tam, pirms replikācija ir pabeigta, jaundzimušās molekulas sāk veidot terciāro struktūru procesā, ko sauc par superspirāli.
Super Twisted Molecule
DNS superspirālā forma rodas, kad divpavedienu molekula veic papildu pagriezienu. Tas var būt pulksteņrādītāja virzienā (pozitīvs) vaipret (šajā gadījumā tiek runāts par negatīvu supercoiling). Lielākajai daļai organismu DNS ir negatīvi superspirēta, tas ir, pret galvenajiem "dubultās spirāles" pagriezieniem.
Papildu cilpu - superspolu - veidošanās rezultātā DNS iegūst sarežģītu telpisku konfigurāciju. Eikariotu šūnās šis process notiek, veidojot kompleksus, kuros DNS negatīvi saritinās ap histona proteīna kompleksiem un iegūst pavediena formu ar nukleosomu lodītēm. Vītnes brīvās sadaļas sauc par linkeriem. DNS molekulas superspirālās formas uzturēšanā piedalās arī nehistona proteīni un neorganiskie savienojumi. Tādā veidā veidojas hromatīns - hromosomu viela.
Hromatīna pavedieni ar nukleosomu lodītēm spēj vēl vairāk sarežģīt morfoloģiju procesā, ko sauc par hromatīna kondensāciju.
DNS galīgā sablīvēšana
Kodolā dezoksiribonukleīnskābes makromolekulas forma kļūst ārkārtīgi sarežģīta, saspiežoties vairākos posmos.
- Vispirms kvēldiegs tiek satīts īpašā solenoīda tipa struktūrā - hromatīna fibrilā 30 nm biezumā. Šajā līmenī DNS salokās un saīsina savu garumu 6–10 reizes.
- Turklāt fibrila ar specifisku karkasa proteīnu palīdzību veido zigzaga cilpas, kas samazina DNS lineāro izmēru jau 20-30 reizes.
- Blīvi iepakoti cilpas domēni tiek veidoti nākamajā līmenī, un tiem visbiežāk ir forma, ko parasti sauc par “lampas otu”. Tie pievienojas intranukleārajam proteīnammatrica. Šādu struktūru biezums jau ir 700 nm, savukārt DNS ir saīsināta aptuveni 200 reizes.
- Pēdējais morfoloģiskās organizācijas līmenis ir hromosomu. Cilpas domēni ir saspiesti tādā mērā, ka tiek sasniegts kopējais saīsinājums 10 000 reižu. Ja izstieptās molekulas garums ir aptuveni 5 cm, tad pēc iepakošanas hromosomās tas samazinās līdz 5 mikroniem.
DNS formas komplikāciju augstākais līmenis sasniedz mitozes metafāzes stāvoklī. Tieši tad tas iegūst raksturīgu izskatu - divas hromatīdas, kas savienotas ar konstrikcijas-centromēru, kas nodrošina hromatīdu diverģenci dalīšanās procesā. Starpfāzu DNS ir sakārtota līdz domēna līmenim un tiek sadalīta šūnas kodolā bez noteiktas secības. Tādējādi mēs redzam, ka DNS morfoloģija ir cieši saistīta ar dažādām tās pastāvēšanas fāzēm un atspoguļo šīs dzīvībai vissvarīgākās molekulas funkcionēšanas iezīmes.
