Budowa DNA

Okrycie struktury DNA przez James’a D. Watson’a oraz Francis’a Crick’a było kamieniem milowym w poznaniu procesów zachodzących w organizmie oraz stało się podstawą współczesnej bioinżynierii kwasów nukleinowych. W organizmie ludzkim DNA pełni rolę magazynu informacji dla każdej żywej komórki. Jego specyficzna budowa pozwala na przetwarzanie informacji genetycznej w procesach biochemicznych takich jak transkrypcja czy translacja.

Kwas dezoksyrybonukleinowy jest liniowym biopolimerem zbudowanym z monomerów zwanych nukleotydami. DNA w jądrze komórkowym występuje w postaci dwuniciowej helisy (dsDNA), która składa się ze skręconych antyrównolegle względem siebie łańcuchów polinukleotydowych. Nukleotydy zbudowane są z kolei z zasady azotowej, cukru (2’-dezoksy-D-rybozy) oraz reszty fosforanowej. Obecne w nukleotydach zasady azotowe ze względu na swoją budowę zostały podzielone na dwie grupy: puryny składające się ze sprzężonych dwóch pierścieni węglowo-azotowych oraz pirymidyny zawierające pojedyncze pierścienie węglowo-azotowe. Tylko dwie puryny: adenina (A) i guanina (G) oraz dwie pirymidyny: tymina (T) i cytozyna (C) występują w DNA. Są one przedstawione na rysunku 11 [217].

56 Rys. 11. Zasady azotowe obecne w DNA.

Reszty cukrowe i fosforanowe w nukleotydach połączone są ze sobą wiązaniami 3’ - 5’

fosfodiestrowymi tworząc ujemnie naładowany łańcuch cukrowo - fosforanowy. Pomiędzy łańcuchami cukrowo - fosforanowymi przebiegają helikalnie dwie bruzdy, tzw. rowki: mała o szerokości 6 Å i duża o szerokości 12 Å. Zasady azotowe skierowane są do wnętrza helisy i tworzą komplementarne pary: adenina - tymina (A-T) i guanina - cytozyna (G-C).

Komplementarne zasady azotowe połączone są ze sobą za pomocą wiązań wodorowych i oddziaływań hydrofobowych, które mogą tworzyć się tylko w parach puryna - pirymidyna.

Adenia z tyminą połączone są wiązaniem podwójnym natomiast cytozyna z guaniną potrójnym, co zasadniczo wpływa na siłę ich odziaływań [218].

Łańcuchy polinukleotydowe DNA są owinięte wokół siebie w sposób helikalny tworząc dwuniciową helisę. Należy podkreślić, że podwójna helisa DNA jest obiektem nano. Średnica cząsteczki wynosi ok. 2 nm, a odległość między parami zasad 0,34 nm. Na jeden skręt helisy przypada około 10 par zasad azotowych, a więc całkowity rozmiar jednego skrętu helisy wynosi około 3,5 nm. Polinukleotydy mają zawsze dwa końce: tj. koniec -5’ występujący przy 5 atomie węgla deoksyrybozy i koniec -3’ występujący przy 3 atomie węgla. Na rysunku 12 przedstawiono szczegółową strukturę podwójnej helisy DNA.

57 Rys. 12. Struktura podwójnej helisy DNA [219].

Przy analizie budowy DNA należy wspomnieć o centralnym dogmacie biologii molekularnej [220]. Treścią tego dogmatu jest transfer informacji genetycznej. Według niego informacje zawarte w DNA są przepisywane na jednoniciowe RNA (transkrypcja). Następnie, przy udziale rybosomów, RNA bierze bezpośrednio udział w syntezie białek poprzez proces translacji. DNA może ulegać również procesowi replikacji, w którym następuje powielenie materiału genetycznego, co ma fundamentalne znaczenie w podziale komórek. W procesie replikacji, po oddzieleniu się od siebie dwóch łańcuchów, następuje tworzenie łańcuchów komplementarnych; sekwencja jednej nici determinuje sekwencję nici komplementarnej.

Oprócz wyżej wymienionych procesów DNA może ulegać zmianom strukturalnym w procesach denaturacji, renaturacji, hybrydyzacji jak i również transfekcji i transpozycji.

Struktura przestrzenna dwuniciowej cząsteczki DNA zależy ściśle od sekwencji bazowej. Różnice w organizacji przestrzennej, spowodowane obecnością różnych par w łańcuchu, prowadzą do zmian względnej orientacji cząsteczki. Do tej pory, przy pomocy techniki dyfrakcji rentgenowskiej wyizolowano kilka różnych form przestrzennych dsDNA,

58

które cechują się strukturą helikalną. Zasadniczo wyróżniamy dwie prawoskrętne helisy - formy B i A oraz lewoskrętną helisę - formę Z [221].

dsDNA głównie występuje w swojej kanonicznej formie określanej jako konformacja B-DNA. Struktura ta charakteryzuje się występowaniem 10 par zasad na jeden skręt helisy, ułożonych wokół osi i niemal do niej prostopadłych. Jeden pełny skręt helisy ma wysokość 34 Å, natomiast średnica helisy wynosi 23,7 Å. W tej konfiguracji charakterystyczne jest występowanie dwóch rowków: większego i mniejszego.

Drugą prawoskrętną konformacją DNA jest A-DNA, która występuje zazwyczaj w warunkach niskiej wilgotności. W porównaniu do B-DNA struktura A-DNA jest szersza i krótsza, a pary zasad nachylone są do osi helisy pod kątem 20°. Na pełny skręt helisy przypada 11 par zasad i ma on 25 Å wysokości. Natomiast średnica helisy wynosi 25 Å. W stosunku do drugiej prawoskrętnej formy, A-DNA posiada znacznie płytsze rowki. Konformacja ta występuje głównie w strukturze RNA jak i również hybrydach DNA - RNA.

Trzecią formą jest helisa lewoskrętna Z - DNA. W jej sekwencji występują naprzemiennie nukleotydy purynowe posiadające wiązania glikozydowe w konformacji syn oraz pirymidynowe zawierające wiązania glikozydowe w konformacji anty. Z-DNA jest najmniej skręconą formą DNA (12 par zasad na jeden skręt), a swoją nazwę zawdzięcza zygzakowatemu ułożeniu obwodowych łańcuchów cukrowo-fosforanowych. W tej formie DNA pary zasad odchylone są od osi helisy o kąt 10°, skok helisy wynosi 45,6 Å, natomiast średnica 18,4 Å. Forma ta posiada tylko jedną małą, wąską bruzdę. Konformacja Z-DNA tworzy się w przypadku skrajnie małej ilości rozpuszczalnika bądź w obecności wysokiego stężenia soli lub specyficznych kationów. Badania na przełomie ostatnich lat wykazały, że forma ta pełni istotną funkcję przy inicjacji transkrypcji DNA.

Zasadniczo, oprócz szczegółowo opisanych powyżej konformacji występują również mniej popularne formy strukturalne. Są to między innymi prawoskrętne formy DNA: C, D, E, i T, które przypominają strukturę B-DNA, jednak posiadają pewne defekty i odchylenia.

Ze względu na to, że łańcuchy polinukleotydowe nie są strukturami sztywnymi; mogą tworzyć liczne zagięcia i przyjmować struktury tzw. spinki do włosów i superhelikalnych skrętów.

Struktury przestrzenne opisanych powyżej form DNA przedstawiono na rysunku 13.

59

Rys. 13. Formy dwuniciowego DNA (A, B, Z) przedstawione w wybranej płaszczyźnie równoległej do osi helisy.

Jak już wspominano, najczęściej występująca formą w komórkach żywych jest B-DNA.

Jednak w zależności od warunków środowiskowych może ona ulec przekształceniu w inną konfigurację. W zależności od wilgotności i stężenia jonów metali, DNA może występować w różnych formach krystalicznych odpowiadających danym konformacjom. Zmiany konformacyjne w strukturze DNA mają duże znaczenie w naturalnych procesach przekształcania się DNA, a dynamika tych zmian związana jest często z dopasowaniem się molekuł w miejscach zwanych rowkami. Różnice w wielkości oraz głębokości rowków w poszczególnych konformacjach DNA mogą mieć znaczący wpływ na oddziaływania substancji aktywnych z podwójną helisą. W rowkach obecne są grupy funkcyjne oraz atomy, które posiadają zdolności do wiązania jonów, a także cząsteczek wody poprzez wiązania wodorowe. Przyłączanie się substancji czynnych do rowków w DNA następuje często na skutek zastępowania molekuł wody tymi związkami chemicznymi [222].