Deoxyribonucleïnezuur - DNA - dient als drager van erfelijke informatie die door levende organismen wordt doorgegeven aan de volgende generaties, en als matrix voor de constructie van eiwitten en verschillende regulerende factoren die het lichaam nodig heeft in de processen van groei en leven. In dit artikel zullen we ons concentreren op wat de meest voorkomende vormen van DNA-structuur zijn. We zullen ook aandacht besteden aan hoe deze vormen zijn opgebouwd en in welke vorm DNA zich in een levende cel bevindt.
Organisatieniveaus van het DNA-molecuul
Er zijn vier niveaus die de structuur en morfologie van dit gigantische molecuul bepalen:
- Het primaire niveau, of de structuur, is de volgorde van de nucleotiden in de keten.
- De secundaire structuur is de beroemde "dubbele helix". Het is deze zin die tot rust is gekomen, hoewel zo'n structuur in feite op een schroef lijkt.
- De tertiaire structuur wordt gevormd door het feit dat er zwakke waterstofbruggen ontstaan tussen individuele secties van de dubbelstrengs gedraaide DNA-streng,waardoor het molecuul een complexe ruimtelijke conformatie krijgt.
- De quaternaire structuur is al een complex complex van DNA met enkele eiwitten en RNA. In deze configuratie wordt DNA verpakt in chromosomen in de celkern.
Primaire structuur: componenten van DNA
De blokken waaruit het macromolecuul van desoxyribonucleïnezuur is opgebouwd, zijn nucleotiden, dit zijn verbindingen die elk het volgende bevatten:
- stikstofbasis - adenine, guanine, thymine of cytosine. Adenine en guanine behoren tot de groep van purinebasen, cytosine en thymine behoren tot pyrimidine;
- vijf-koolstofmonosaccharide deoxyribose;
- Orthofosforzuurresidu.
Bij de vorming van een polynucleotideketen wordt een belangrijke rol gespeeld door de volgorde van groepen gevormd door koolstofatomen in een circulair suikermolecuul. Het fosfaatresidu in het nucleotide is verbonden met de 5'-groep (lees "vijf priemgetallen") van deoxyribose, dat wil zeggen met het vijfde koolstofatoom. Ketenverlenging vindt plaats door een fosfaatrest van het volgende nucleotide aan de vrije 3'-groep van deoxyribose te hechten.
De primaire structuur van DNA in de vorm van een polynucleotideketen heeft dus 3'- en 5'-uiteinden. Deze eigenschap van het DNA-molecuul wordt polariteit genoemd: de synthese van een keten kan maar in één richting gaan.
Secundaire structuurvorming
De volgende stap in de structurele organisatie van DNA is gebaseerd op het principe van complementariteit van stikstofbasen - hun vermogen om in paren met elkaar te verbindendoor waterstofbruggen. Complementariteit - onderlinge overeenstemming - ontstaat doordat adenine en thymine een dubbele binding vormen en guanine en cytosine een drievoudige binding. Daarom staan deze basen bij het vormen van een dubbele ketting tegenover elkaar en vormen zo de corresponderende paren.
Polynucleotidesequenties bevinden zich antiparallel in de secundaire structuur. Dus als een van de ketens eruitziet als 3' - AGGZATAA - 5', dan ziet het tegenovergestelde er als volgt uit: 3' - TTATGTST - 5'.
Wanneer een DNA-molecuul wordt gevormd, wordt de verdubbelde polynucleotideketen gedraaid, en de concentratie van zouten, waterverzadiging en de structuur van het macromolecuul zelf bepalen welke vormen DNA kan aannemen bij een bepaalde structurele stap. Er zijn verschillende van dergelijke vormen bekend, aangeduid met de Latijnse letters A, B, C, D, E, Z.
Configuraties C, D en E worden niet gevonden in dieren in het wild en zijn alleen waargenomen in laboratoriumomstandigheden. We zullen kijken naar de belangrijkste vormen van DNA: de zogenaamde canonieke A en B, evenals de Z-configuratie.
A-DNA is een droog molecuul
A-vorm is een rechtse schroef met 11 complementaire basenparen in elke draai. De diameter is 2,3 nm en de lengte van één winding van de spiraal is 2,5 nm. De vlakken gevormd door de gepaarde basen hebben een helling van 20° ten opzichte van de as van het molecuul. Naburige nucleotiden zijn compact gerangschikt in ketens - er is slechts 0,23 nm tussen hen.
Deze vorm van DNA komt voor bij lage hydratatie en met een verhoogde ionconcentratie van natrium en kalium. Het is typisch voorprocessen waarbij DNA een complex vormt met RNA, aangezien dit laatste geen andere vormen kan aannemen. Bovendien is de A-vorm zeer goed bestand tegen ultraviolette straling. In deze configuratie wordt deoxyribonucleïnezuur gevonden in schimmelsporen.
Nat B-DNA
Met een laag zoutgeh alte en een hoge mate van hydratatie, dat wil zeggen, onder normale fysiologische omstandigheden, neemt DNA zijn hoofdvorm B aan. Natuurlijke moleculen bestaan in de regel in de B-vorm. Zij is het die ten grondslag ligt aan het klassieke Watson-Crick-model en wordt meestal afgebeeld in illustraties.
Deze vorm (het is ook rechtshandig) wordt gekenmerkt door een minder compacte plaatsing van nucleotiden (0,33 nm) en een grote schroefafstand (3,3 nm). Eén draai bevat 10,5 basenparen, de rotatie van elk van hen ten opzichte van de vorige is ongeveer 36 °. De vlakken van de paren staan bijna loodrecht op de as van de "dubbele helix". De diameter van zo'n dubbele ketting is kleiner dan die van de A-vorm - hij bereikt slechts 2 nm.
Niet-canonieke Z-DNA
In tegenstelling tot canoniek DNA is het Z-type molecuul een linkshandige schroef. Het is de dunste van allemaal, met een diameter van slechts 1,8 nm. De spoelen, 4,5 nm lang, lijken langwerpig te zijn; deze vorm van DNA bevat 12 gepaarde basen per beurt. De afstand tussen aangrenzende nucleotiden is ook vrij groot - 0,38 nm. Dus de Z-vorm heeft de minste twist.
Het is gevormd uit een B-type configuratie in die gebieden waar purineen pyrimidinebasen, met een verandering in het geh alte aan ionen in oplossing. De vorming van Z-DNA is geassocieerd met biologische activiteit en is een proces op zeer korte termijn. Deze vorm is onstabiel, wat moeilijkheden veroorzaakt bij de studie van zijn functies. Tot nu toe zijn ze niet helemaal duidelijk.
DNA-replicatie en zijn structuur
Zowel de primaire als secundaire structuren van DNA ontstaan tijdens een fenomeen dat replicatie wordt genoemd - de vorming van twee identieke "dubbele helixen" van het moedermacromolecuul. Tijdens replicatie wikkelt het oorspronkelijke molecuul zich af en complementaire basen bouwen zich op op de vrijgekomen enkele ketens. Omdat de DNA-helften antiparallel zijn, verloopt dit proces in verschillende richtingen: ten opzichte van de ouderketens van het 3'-uiteinde naar het 5'-uiteinde, dat wil zeggen, nieuwe ketens groeien in de richting 5' → 3'. De leidende streng wordt continu gesynthetiseerd naar de replicatievork; op de achterblijvende streng wordt de synthese uitgevoerd vanaf de vork in afzonderlijke secties (Okazaki-fragmenten), die vervolgens aan elkaar worden genaaid door een speciaal enzym, DNA-ligase.
Terwijl de synthese doorgaat, ondergaan de reeds gevormde uiteinden van de dochtermoleculen spiraalvormige verdraaiing. Dan, voordat de replicatie is voltooid, beginnen de pasgeboren moleculen een tertiaire structuur te vormen in een proces dat supercoiling wordt genoemd.
Super Twisted Molecuul
De supercoiled vorm van DNA treedt op wanneer een dubbelstrengs molecuul een extra draai maakt. Het kan met de klok mee (positief) oftegen (in dit geval spreekt men van negatieve supercoiling). Het DNA van de meeste organismen is negatief supercoiled, dat wil zeggen tegen de hoofdwindingen van de 'dubbele helix'.
Als gevolg van de vorming van extra lussen - supercoils - krijgt DNA een complexe ruimtelijke configuratie. In eukaryote cellen vindt dit proces plaats met de vorming van complexen waarin DNA negatief rond histon-eiwitcomplexen wikkelt en de vorm aanneemt van een draad met nucleosoomparels. Vrije delen van de draad worden linkers genoemd. Niet-histoneiwitten en anorganische verbindingen nemen ook deel aan het behoud van de supercoiled vorm van het DNA-molecuul. Dit is hoe chromatine wordt gevormd - de substantie van chromosomen.
Chromatinestrengen met nucleosomale kralen kunnen de morfologie verder compliceren in een proces dat chromatinecondensatie wordt genoemd.
Definitieve verdichting van DNA
In de kern wordt de vorm van het deoxyribonucleïnezuur-macromolecuul extreem complex, waarbij het in verschillende stappen compacter wordt.
- Eerst wordt het filament opgerold in een speciale solenoïde-achtige structuur - een chromatine-fibril van 30 nm dik. Op dit niveau vouwt DNA en verkort het 6-10 keer.
- Verder vormt de fibril zigzag-lussen met behulp van specifieke scaffold-eiwitten, die de lineaire grootte van DNA al 20-30 keer verkleinen.
- Dicht opeengepakte lusdomeinen worden op het volgende niveau gevormd, meestal met een vorm die gewoonlijk "lampborstel" wordt genoemd. Ze hechten zich vast aan het intranucleaire eiwitMatrix. De dikte van dergelijke structuren is al 700 nm, terwijl DNA ongeveer 200 keer wordt ingekort.
- Het laatste niveau van morfologische organisatie is chromosomaal. De lusdomeinen zijn zodanig verdicht dat een totale verkorting van 10.000 keer wordt bereikt. Als de lengte van het uitgerekte molecuul ongeveer 5 cm is, neemt het na het inpakken in chromosomen af tot 5 micron.
Het hoogste niveau van complicatie van de vorm van DNA bereikt de staat van metafase van mitose. Het is dan dat het een karakteristiek uiterlijk krijgt - twee chromatiden verbonden door een vernauwing-centromeer, wat zorgt voor de divergentie van chromatiden tijdens het delingsproces. Interfase-DNA is georganiseerd tot op domeinniveau en wordt in willekeurige volgorde in de celkern verdeeld. We zien dus dat de morfologie van DNA nauw verband houdt met de verschillende fasen van zijn bestaan en de kenmerken weerspiegelt van het functioneren van dit belangrijkste molecuul voor het leven.
