ДНК
Въведение
Еукариотните организми (животни, растения, гъби и първаци) съхраняват по-голямата част от своята ДНК в рамките в клетъчното ядро като ядрена ДНК, а по-малка част в митохондриите като митохондриална ДНК. Дезоксирибонуклеиновата киселина (ДНК) представлява полимер, изграден от две полинуклеотидни вериги, които се свързват по специфичен начин една около друга, за да образуват двойна спирала. В нейната структура са кодирани генетични инструкции за растежа, развитието, функционирането и възпроизвеждането на всички известни организми. Структурните й особености са описани за пръв път от Д. Уотсон и Ф. Крик през 1953 г.
Структура на ДНК
Всяка от полинуклеотидните вериги на ДНК е изградена от мономери, наречени нуклеотиди. Те се състоят от монозахарид (дезоксирибоза), остатък на фосфорна киселина и азотна база. Монозахаридът свързва от едната си страна фосфатния остатък, а от другата - азотна база. Азотните бази в ДНК са 4 вида, които според химичната си структура биват определени като две големи бази (пуринови) - аденин (А) и гуанин (Г), и две малки бази (пиримидинови) - тимин (Т) и цитозин (Ц).
При формирането на една полинуклеотидна верига нейните мономери са свързани един с друг чрез ковалентни връзки (фосфо-диестерни връзки) - между монозахарида на един нуклеотид и фосфатния остатък на следващия, което води изграждането на т.н. захарофосфатен скелет. Азотните бази се издават встрани от така образуваната верига. Тя завършва със свободен фосфатен остатък (Ф) от единия край, а от другия - със свободна хидроксилна група (OH-), което определя и посоката на полинуклеотидната верига. За нейно начало служи фосфатният остатък, а за край - ОН- групата, което от съществено значение за правилното разчитане на генетичната информация, кодирана в ДНК.
Двойноспиралната молекула на ДНК се образува от две противоположни по посока полинуклеотидни вериги, свързани по между си единствено чрез нековалентни (водородни) връзки между азотните бази на съответната верига. При това свързване се спазва правилото за комплементарността, според което една пуринова база от едната верига се свързва винаги с една пиримидинова база от срещуположната верига - аденин (А) с тимин (Т) и гуанин (Г) с цитозин (Ц). Азотните бази са насочени навътре от захарофосфатния гръбнак на полинуклеотидните вериги и са разположени във вътрешността на двойноспиралната структура на ДНК.
Структурни протеини
Еукариотните клетки се характеризират със сложна структура, наличие на множество органели и процеси, протичащи в тях. Информацията за структурата и функцията на клетката се съхранява в молекулата на ДНК с много голяма дължина. За да може да бъде съхранена в клетъчното ядро, тя се свързва с различни белтъчни молекули, които допълнително я нагъват като придобива по-сложна и значително по-компактна структура.
Структурните протеини, които се свързват ДНК, взаимодействат с нея неспецифично - не променят функционалното й състояние, но водя до изменения в пространствената й организация. Те формират с ДНК по-високо организирани структури, наречена хроматинови нишки (некомпактни хромозоми). В еукариотните клетки тази структура представлява ДНК молекули свързани към комплекс от малки белтъчни молекули, наречени хистони. Последните образуват дисковиден комплекс, наречен нуклеозома, който включва две пълни завъртания от двойноверижна ДНК, усукани около неговата повърхността. Свързването към хистоните се осъществяват посредством йонни връзки с киселинния захарофосфатен скелет на ДНК и до голяма степен са независими от последователността на азотните бази на съответната полинуклеотидна верига. Химичните връзки на ДНК молекулата с аминокиселитните на хистоновите белтъци позволяват промени в силата на взаимодействието им, което е от съществено значение за правилното протичане на процесите на транскрипция на даден участък от ДНК и скоростта, с която се осъществява тя. Други неспецифични ДНК-свързващи протеини в хроматина са представени от групи от белтъчни молекули с висока подвижност, които могат да огъват хроматиновите нишки. Тези протеини са отговорни за нагъването на масиви от нуклеозоми и организирането им в по-големите структури, които изграждат компактните хромозомите по време на клетъчното делене.
Друга важна група ДНК-свързващи протеини са тези, които свързват специфично едноверижна ДНК. При хората репликационният протеин А е най-добре проученият член на това семейство протеини. Той участва в процеси, при които двойноспиралната структура трябва да бъде разделена - репликация на даден участък, рекомбинация и възстановяване на ДНК. Тези протеини стабилизират едноверижната ДНК верига и я предпазват от образуване на стволови бримки (stem-lools) или от разграждане от нуклеази.
Всички функции на ДНК зависят от взаимодействията й с протеините. Те могат да бъдат неспецифични или даден протеин може да се свърже специфично към единична ДНК последователност. Определени ядрени ензими (високо организирани белтъчни молекули) като полимеразите също взаимодействат с ДНК при копирането на последователности от азотни бази при транскрипция и репликация на ДНК.
Функции на ДНК
Основните биологични функции на дезоксирибонуклеиновите киселини са съхранение и предаване на интактна клетъчна програма на дъщерните клетки. Също така те носят информация за реализирането на функциите на всяка клетка - синтез на белтъци и РНК молекули. Особеностите във функцията на клетките се определят предимно от нейните белтъци. Установено е, че съществува съответствие между аминокиселинната последователност на даден протеин и нуклеотидната последователност в даден сегмент от молекулата на ДНК. На всяка аминокиселина съответства последователност от три нуклеотида от полинуклеотидната верига на ДНК. Това съответствие се определя като генетичен код. Генът представлява участък от ДНК, който съхранява информация за синтезата на една белтъчна полипептидна верига и е най-малката функционална единица на наследствеността.
В клетъчното ядро се осъществява два важни процеса, свързани с функциите на ДНК - транскрипция (презаписване) и репликация (точно копиране) на част или цялата генетична информация, в зависимост от функцията на дадена клетка или от етапа на клетъчния цикъл, в който се намира клетката.
При репликацията от една молекула ДНК се образуват две идентични молекули. За да се осъществи този процес са необходими ензими, които разкъсват на определени места водородните връзки между азотните бази, като с помощта на специални белтъци (полимерази) двете вериги на ДНК са разделени една от друга. Всяка една от майчините вериги се използва като матрица за изграждането на дъщерна верига. Всяка нова молекула ДНК има в състава си една нова и една майчина верига. Процесът на репликация е много точен, т.е. клетките притежават механизъм за откриване на грешки и поправянето им. Непоправените грешки са причина за поява на мутации.
В еукариотните клетки преди типичното клетъчно делене, хромозоми се дублират в процеса на репликация на ДНК, осигурявайки пълен набор от хромозоми за всяка дъщерна клетка.
Транскрипцията е процес на презаписване на генетична информация от определен участък от ДНК върху новосинтезирана молекула РНК, след което тя се транслира (превежда) на езика на белтъците като по информацията върху РНК се синтезира необходимата полипептидна верига на даден протеин.
Изображениe: freepik.com
Коментари към ДНК