Deoksiribonukleiinihappo eli DNA on molekyyli, joka on geneettisen tiedon kantaja lähes kaikissa elävissä organismeissa. Se sisältää biologiset ohjeet eliöiden kehitystä, selviytymistä ja lisääntymistä varten.DNA sijaitsee solun ytimessä, jossa se on pakattu kromosomiksi kutsuttuun tiiviiseen muotoon useiden histoneiksi kutsuttujen proteiinien avulla. Sitä on myös solurakenteissa, joita kutsutaan mitokondrioiksi. Prokaryoottien DNA ei kuitenkaan ole tuman tai kalvon ympäröimä, vaan se on sytoplasmassa. Prokaryoottien DNA on yleensä ympyränmuotoinen ja superkierteinen ilman histoneja. DNA tallentaa geneettisen informaation nukleotidien sekvenssinä erityisille alueille, joita kutsutaan geeneiksi ja joita käytetään proteiinien valmistukseen. Geneettisen informaation ilmentyminen proteiineiksi on kaksivaiheinen prosessi, jossa DNA:n nukleotidisekvenssi muunnetaan ribonukleiinihappo- eli RNA-molekyyliksi transkriptioksi kutsutun prosessin avulla. RNA:sta valmistetaan proteiineja toisessa prosessissa, jota kutsutaan translaatioksi. Ihmisen genomi sisältää lähes 3 – 109 emästä ja noin 20 000 geeniä 23 kromosomissa.

DNA:n löysi ensimmäisen kerran saksalainen biokemisti Frederich Miescher vuonna 1869. Erwin Chargaffin, James Watsonin, Francis Crickin, Maurice Wilkinsin ja Rosalind Franklinin töiden perusteella DNA:n rakenne löydettiin vuonna 1953. DNA:n rakenne on : kaksi toisiaan täydentävää polynukleotidiketjua, jotka kulkevat vastakkaisiin suuntiin ja joita pitävät yhdessä niiden väliset vetysidokset. Tämä rakenne auttaa DNA:ta monistumaan solun jakautumisen aikana ja myös siinä, että yksi säie toimii mallina transkription aikana.

• 1 DNA-molekyylin ominaisuudet
  • 1.1 Kaksoishelix
  • 1.2 Komplementaariset emäkset
  • 1.3 DNA:n denaturaatio ja renaturaatio
  • 1.4 Urat
• 2 Biologiset toiminnot
  • 2.1 Replikaatio
  • 2.2 Transkriptio ja translaatio
• 3 DNA:n muodot
• 4 DNA:n rakenteen historia
• 5 DNA:n mallit

DNA-molekyylin ominaisuudet

Kaksoiskierukka

koostuu kahdesta polynukleotidiketjusta, . DNA:ssa on sidottu 5′, joka on yhdistetty beetaglykosidisidoksella puriiniin tai pyrimidiiniin . Riboosin määrä on tärkein tekijä sen suhteen, kumpi DNA:n muodoista on läsnä. Tässä kohtauksessa, joka esittää B-DNA:ta, 2′-hiili on poissa viisijäsenisen renkaan muiden jäsenten tasosta. Neljä emästyyppiä ovat kaksi kaksirenkaista puriini-emästä ja ja kaksi yksirenkaista pyrimidiini-emästä ja . Joidenkin typpi- ja happiatomien vetyatomit voivat kokea tautomeerisia siirtymiä. Tautomeerin muodostamiseen osallistuvat typpiatomit esiintyvät amino- tai iminoryhminä ja happiatomit ovat joko keto- tai enolimuodossa. Eristetyn tymiinin avulla voidaan havainnollistaa amino- ja ketomuodot, mikä on erittäin tärkeää DNA:n biologisen toiminnan kannalta, koska se tarjoaa deoksiriboosin kanssa ja johtaa vetysidoksen spesifisyyteen emäsparien muodostamisessa ja siten ketjujen täydentävyyteen. Iminotyppi voi toimia vetysidoksessa vain luovuttavana atomina, mutta aminotyppi voi toimia myös vastaanottavana atomina. Kukin DNA-ketjun nukleotidi liittyy toiseen ketjuun . DNA:ssa on neljä nukleotidia. DNA:n sokeri-fosfaattirunko on hyvin säännöllinen fosfodiesterisidoksen ansiosta, kun taas emästen järjestys on hyvin epäsäännöllinen.

A C G T

Puriinit Pyrimidiinit

Täydentävät emäkset

DNA:n kaksi ketjua yhdistyvät toisiinsa määrättyjen emästen välisillä vetysidoksilla. Adeniini muodostaa emäspareja tymiinin kanssa ja guaniini sytosiinin kanssa. Tämä erityinen emäspariutuminen ja välillä tunnetaan Watson-Crick-emäspariutumisena. Emästen välisten vetysidosten spesifisyys johtaa siihen, että kahden ketjun nukleotidien järjestys on toisiaan täydentävä. Näin ollen DNA-juosteessa adeniinipitoisuus on yhtä suuri kuin tymiinipitoisuus ja guaniinipitoisuus yhtä suuri kuin sytosiinipitoisuus. Yleisesti ottaen DNA, jossa on suurempi GC-pitoisuus, on vakaampi kuin DNA, jossa on suurempi AT-pitoisuus, johtuen emästen pinoutumisvuorovaikutuksista johtuvasta stabiliteetista.

DNA:n denaturoituminen ja renaturoituminen

DNA:n kaksoissäie voidaan erottaa kahdeksi yksisäikeiseksi säikeeksi katkaisemalla niiden väliset vetysidokset. Tätä kutsutaan DNA:n denaturaatioksi. Lämmityksen tuottamaa lämpöenergiaa voidaan käyttää DNA:n sulattamiseen tai denaturointiin. Runsaasti GC:tä sisältävät molekyylit ovat vakaampia ja siten denaturoituvat korkeammissa lämpötiloissa verrattuna molekyyleihin, joiden AT-pitoisuus on suurempi. Sulamislämpötila määritellään lämpötilaksi, jossa puolet DNA-säikeistä on kaksoiskierteisessä tilassa ja puolet satunnaisessa kelatilassa. Denaturoituneet DNA:n yksisäikeet kykenevät renaturoitumaan ja muodostamaan jälleen kaksisäikeisen DNA:n.

Urat

Emäksillä, jotka ovat pareittain toisiinsa nähden pareittain, mutta vinosti sijoitettuina. Tämä johtaa epätasaisen välimatkan päässä toisistaan oleviin sokeri-fosfaattirunkoihin ja synnyttää kaksi uraa: leveydeltään ja syvyydeltään erilaiset urat. The ovat pienen uran pinnalla, ja suuri ura on vastakkaisella puolella. Suuren uran pohjan tai pinnan täyttää . Suuren uran suurempi koko mahdollistaa DNA:lle spesifisten proteiinien sitoutumisen.

Biologiset tehtävät

Lähteet:

Replikaatio

DNA käy läpi niin sanotun semikonservatiivisen replikaatiomoodin, jossa tytär-DNA:ssa on yksi vanhemman DNA-juoste. Replikaatio etenee kaksoiskierteen purkautumisen kautta, jota seuraa synteesin alukkeet, josta replikaatio alkaa. Entsyymi DNA-polymeraasi syntetisoi kullekin vanhemman säikeelle komplementaariset säikeet 5′-3′ suunnasta.

Transkriptio ja translaatio

Geenien ilmentyminen proteiineiksi ja on prosessi, johon kuuluu kaksi vaihetta, joita kutsutaan transkription ja translaation. Transkriptiovaiheessa DNA-molekyylin säie toimii mallina lähetin-RNA:ksi kutsutun RNA-molekyylin synteesille. Tämä lähetti- RNA käännetään sitten ribosomeilla proteiineiksi.

DNA:n muodot

Vertailu DNA:n eri muodoista, katso DNA:n muodot.

DNA:n rakenteen historiaa

Seuraava yhteenveto on kopioitu luvalla Atlas of Macromolecules -julkaisusta:

Geenien osoitettiin sijaitsevan DNA:ssa vuonna 1944 (Avery ym.), ja tämä tuli laajalti hyväksytyksi Hersheyn ja Chasen vuoden 1952 kokeiden jälkeen. James Watson ja Francis Crick ennustivat DNA:n kaksoiskierteisen rakenteen vuonna 1953 (Nobel-palkinto, 1962). Heidän ennusteensa perustui osittain Rosalind Franklinin tekemiin röntgendiffraktiotutkimuksiin, joille Watson ja Maurice Wilkins eivät antaneet riittävää tunnustusta. Ennustettu B-muotoinen kaksoiskierre vahvistettiin atomiresoluutioisilla kiderakenteilla vasta vuonna 1973, ensin käyttämällä RNA:n dinukleotideja (Rosenberg ym.). Ensimmäinen kiderakenne, joka sisälsi enemmän kuin täyden kierroksen kaksoiskierteestä, ratkaistiin vasta vuonna 1980 (1bna, 1981, 12 emäsparia). Ennusteen ja empiirisen vahvistuksen välinen yli neljännesvuosisadan viive johtui makromolekyylien röntgenkristallografian kehittymisestä ja tarpeesta tuottaa lyhyt, määritelty DNA-sekvenssi kiteyttämistä varten. Tämä lyhyt selostus perustuu Bermanin, Gelbinin ja Westbrookin katsaukseen , josta löytyvät viitteet.

DNA-mallit

Tässä artikkelissa esitetyissä kohtauksissa käytetty DNA-malli on teoreettinen malli (Image:B-DNA.pdb), jota ei ole saatavilla Protein Data Bankissa. PDB-tiedosto ei noudata tiettyjä PDB:n formaattikonventioita:

• Emäkset on nimetty ADE, CYT, GUA ja THY standardien DA, DC, DG ja DT sijaan.
• Ketjuja ei ole nimetty. Tyypillisesti ne nimetään A:ksi ja B:ksi.

Yksi ketju sisältää jäännökset, jotka on numeroitu 1-12 järjestyksessä CGCG AATT CGCG. Toinen ketju sisältää jäännökset numeroituina 13-24 identtisellä (antiparalleelisella) sekvenssillä.

Teoreettiset mallit edustavat tyypillisesti idealisoitua DNA:n konformaatiota, kun taas todellisessa DNA:ssa voi olla erilaisia epäsäännöllisyyksiä, mukaan lukien mutkia ja mutkia (ks. esimerkkejä Lac-repressoriin sitoutuneena). DNA:lle on olemassa runsaasti empiirisiä malleja, joista ensimmäiset tulivat saataville 1970- ja 80-luvuilla (ks. edellä). Toukokuussa 2012 Protein Data Bank sisältää lähes 4 000 DNA:ta sisältävää merkintää. Yli 1 300 sisältää pelkkää DNA:ta, ja yli 2 000 sisältää proteiini-DNA-komplekseja. Yli 100 merkintää sisältää proteiinia, DNA:ta ja RNA:ta, ja yli 100 merkintää sisältää DNA/RNA-hybridimolekyylejä.

Väliaikaisempia interaktiivisia visualisointeja DNA:sta löydät osoitteesta DNA.MolviZ.Org, joka on saatavilla yhdeksällä kielellä.