DNA to sekwencja kwasów nukleinowych, które określają strukturę i funkcje organizmów żywych. DNA służy również jako podstawowa jednostka dziedziczności organizmów. Wszystkie organizmy przekazują część swojego DNA swojemu potomstwu. Proces ten zapewnia ciągłość życia z pokolenia na pokolenie, pozwalając jednocześnie na występowanie niewielkich różnic, które przyczyniają się do różnorodności życia. Aby dowiedzieć się więcej o DNA, czytaj dalej! Poniżej wymieniono kilka popularnych terminów związanych z DNA.
Nukleotydy
DNA składa się z różnych typów cząsteczek, zwanych nukleotydami. Cząsteczki te dostarczają energii dla procesów komórkowych i odgrywają kluczową rolę w metabolizmie. Uczestniczą one również w sygnalizacji komórkowej i służą jako ważne kofaktory w reakcjach enzymatycznych. Niektóre z tych cząsteczek mogą być znakowane radiologicznie. Przyjrzyjmy się, jak te cząsteczki funkcjonują w naszym organizmie. Istnieją różne rodzaje nukleotydów, w tym adenozyna, guanozyna i kwas fosfatydowy.
Każdy nukleotyd składa się z trzech podjednostek. Pierwszą jednostką jest zasada azotowa (tymina i cytozyna), a następnie grupa fosforanowa. Grupa fosforanowa ma zasadnicze znaczenie dla stabilizacji nukleotydu i sprawia, że jest on bardziej odporny na hydrolizę. Nukleotydy w DNA tworzą łańcuchy polinukleotydowe, które są analogiczne do naszyjnika z koralików.
Adenina jest przyłączona do węgla pierwszorzędowego, podczas gdy cukier ma pięć węgli. Nukleozyd zawiera grupę fosforanową, czyli atom fosforu połączony z czterema atomami tlenu. Fosfor w nukleotydach, które nie zawierają DNA, charakteryzuje się obecnością dwóch lub trzech grup fosforanowych. Z kolei DNA zawiera jedną grupę fosforanową na nukleotyd.
DNA ma cztery różne rodzaje nukleotydów. Tymina jest najmniejszym z nich i składa się z dwóch zasad azotowych. Z kolei cytozyna jest największa. Tymina i adenina są komplementarne. Obie działają w parze, tworząc białko komórki. Nukleotydy te można rozłożyć na kwas fosforowy i cukier pentozowy.
Polaryzacja DNA zależy od właściwości chemicznych poszczególnych podjednostek nukleotydów. Cukry mają wystającą gałkę (5′ fosforan) i otwór (3′ hydroksyl). Gdy łańcuchy są kompletne, oba końce DNA będą zorientowane w ten sam sposób. Oba końce łańcucha można łatwo rozróżnić na podstawie ich biegunowości, dlatego są one odpowiednio oznaczane.
Aminokwasy
Aminokwas jest podstawowym budulcem białek. Istnieje 20 różnych aminokwasów, a gen zawiera informacje potrzebne do zakodowania każdego z nich. Te elementy budulcowe są połączone grupami kwasu fosforowego i łączą się w łańcuchy zwane polipeptydami. Białka to łańcuchy aminokwasów. DNA i RNA zawierają po trzy zasady na każdy aminokwas. Zasady kwasów nukleinowych składają się z dezoksyrybozy, fosforanu i określonej liczby aminokwasów.
Zasady te tworzą elementy składowe białek. DNA składa się z dwóch polimerów, czyli nici. Każdy polimer ma sekwencję aminokwasów, które łączą się z przeciwnymi aminokwasami na drugim polimerze. Sekwencja ta stanowi mapę genetyczną, która mówi komórce, w jaki sposób ma się łączyć i budować, aby stworzyć organizm. Następnie nici te są łączone wiązaniami wodorowymi między komplementarnymi zasadami azotowymi. Nitki te są łączone ze sobą w celu utworzenia białek i kwasów rybonukleinowych.
Kodony kodują aminokwasy w sekwencji DNA. Każdy kodon odpowiada konkretnemu aminokwasowi. Kodony są wykorzystywane do dekodowania wiadomości genetycznych. Proces ten nazywa się transkrypcją. Sekwencja DNA jest kopiowana do RNA. Aminokwasy są następnie łączone ze sobą w celu utworzenia białek. Kolejność aminokwasów decyduje o kształcie, właściwościach i funkcji białka. RNA składa się z czterech zasad, czyli nukleotydów, które tworzą język genetyki. Kodony reprezentują każdy aminokwas i są używane do sygnalizowania początku i końca sekwencji.
Synteza białek wymaga DNA. DNA działa jak schemat, który prowadzi rybosomy do syntezy. Bez DNA rybosomy nie wiedziałyby, jak zbudować aminokwasy. W rzeczywistości DNA pełni taką samą rolę w komórkach eukariotycznych i prokariotycznych, choć istnieją między nimi subtelne różnice. Kod genetyczny jest zdegenerowany, jeśli nie zawiera kodonu. Jest ono niezbędne do syntezy białek w naszym organizmie.
Dwuniciowa helisa
DNA składa się z dwóch nici połączonych wiązaniami wodorowymi. Każda z tych nici zawiera cztery jednostki zasadowe: adeninę, tyminę, cytozynę i guaninę. Pary zasad są sparowane w taki sposób, że tworzą dwuniciową helisę. Ta cecha strukturalna zapewnia DNA stabilność. Dwie nici są połączone wiązaniami wodorowymi między ich prawymi końcami.
Wiązania wodorowe między sprzężonymi zasadami odgrywają kluczową rolę w utrzymaniu dwuniciowej helisy w DNA. Para zasad CG-G ma entalpię 6,3 kJ/mol-bp i wartość 12 J/(K mol-bp), co jest wartością większą od oczekiwanej dla rozerwania pojedynczego wiązania wodorowego. Gdy taka nić zostanie przerwana, wiązania wodorowe między sąsiednimi parami zasad przechodzą na otaczające je cząsteczki wody, powodując wyślizgnięcie się nici z ułożenia.
Struktura DNA została zaprojektowana w taki sposób, aby zmaksymalizować jego rozpuszczalność. W jego strukturze niepolarne zasady znajdują się w centrum, a naładowane grupy fosforanowe otaczają je. Ponieważ środowisko komórkowe jest polarne i wodne, otoczenie ich naładowanymi fosforanami maksymalizuje rozpuszczalność DNA. Więcej informacji na temat struktury DNA można znaleźć w naszym przewodniku po wiązaniach. Ten rozdział pomoże Ci zrozumieć znaczenie polarności i struktury DNA.
DNA jest złożoną cząsteczką. Składa się z dwóch komplementarnych nici DNA, które stanowią szablony dla każdej innej nici. Struktura ta była przedmiotem wielu badań w ciągu ostatnich kilkudziesięciu lat i stała się ikoną biologii. Istnieje wiele rodzajów DNA, a każdy z nich pełni określoną funkcję. Odkrycie roli DNA w naszym życiu pozwoliło nam uzyskać cenny wgląd w jego strukturę.
Replikacja
Początki replikacji DNA są bardzo różne w różnych żywych komórkach. U metazoa replikacja DNA rozpoczyna się w jądrze komórkowym i przebiega w sposób całkowity lub zerowy. Jednak jaja pochodzące z różnych organizmów mogą inicjować replikację na dowolnej sekwencji DNA. Co więcej, zdarzenia inicjujące mogą być przypisane do określonych miejsc na chromosomie. Początki replikacji u archagenów i bakterii są bardzo podobne, a te same miejsca są wykorzystywane w kolejnych cyklach podziału komórki.
Pierwszy etap replikacji DNA zachodzi w pęcherzyku replikacyjnym, który składa się z dwóch nici DNA połączonych nukleotydem zwanym primerem. W tym etapie białko zwane helikazą odwija macierzystą helisę DNA i wprowadza nowy szablon. Podczas tego etapu energia pochodząca z hydrolizy ATP jest wykorzystywana do katalizowania działania helikazy. Drugi enzym, primaza, przyłącza się do primera i montuje fundament.
Maszyna replikacyjna DNA składa się z sieci białek i enzymów, które powielają informację genetyczną w komórkach. Te kompleksy białkowe łączą się z innymi czynnikami komórkowymi, tworząc duże struktury wielobiałkowe, które kontrolują przebieg cykli komórkowych i punkty kontrolne. Duże fabryki replikacyjne są podobne do fabryk replikacyjnych i składają się z wielu różnych enzymów. Na przykład, fabryka replikacyjna w komórce ssaków zawiera wiele pul polimerazy RNA.
Replikacja DNA jest niezbędna do przeżycia komórki. Nowo zsyntetyzowane DNA jest kopiowane przez komórki i poddawane korekcji. Gdy proces ten jest zakończony, komórki dzielą się i powstają dwie identyczne komórki córki. Następnie kontynuują ten proces aż do powstania nowej komórki. Nowa komórka będzie zawierała dwie identyczne cząsteczki DNA. A DNA będzie podlegać rygorystycznym mechanizmom naprawczym. Jak więc działa replikacja DNA? Oto krótkie wyjaśnienie:
Kodowanie informacji
Kodowanie DNA zostało po raz pierwszy zademonstrowane w 1988 roku. W największym projekcie kodowania DNA osiągnięto gęstość logiczną 24% i 750 kilobajtów danych. Chociaż proces kodowania zakończył się sukcesem, cząsteczki DNA nadal są narażone na błędy podczas konstruowania, przechowywania i odczytywania danych. Trwają prace nad wykorzystaniem algorytmów do opracowania ram archiwizacji DNA. Badania te mogą doprowadzić do stworzenia nowego podejścia do przechowywania informacji genetycznej.
W tym podejściu segmenty DNA reprezentują bloki wiadomości. Bloki wiadomości są rozszerzane i randomizowane, a następnie powtarzane w obrębie segmentów DNA. W ten sposób zdekodowana wiadomość jest jak najbardziej zbliżona do oryginału. Jednak wykrywanie błędów może nie być możliwe we wszystkich sytuacjach. Dlatego proces dekodowania musi być uzupełniony o mechanizm walidacji i weryfikacji wiadomości. Choć takie podejście jest obiecujące, daleko mu jeszcze do niezawodności.
Obecny proces polega na kodowaniu informacji w sekwencji nukleotydów. Aby kodowanie DNA było skuteczne, sekwencja musi spełniać kilka wymagań projektowych. Nie wszystkie możliwe sekwencje nukleotydów są syntetyzowane bezbłędnie, a zawartość G-C w otrzymanych sekwencjach musi być większa niż 50. Ponadto syntezę DNA utrudniają błędy powodowane przez homopolimery DNA.
W celu zaszyfrowania sekwencji DNA jako parę zasad stosuje się literę złożoną (iCGR). Dwie cyfry oznaczają długość sekwencji, a dwie pozostałe reprezentują skumulowane rozkłady nukleotydów w sekwencji DNA. Dzięki tej metodzie sekwencja DNA może być skompresowana o około dwa bity na nukleotyd. Stanowi to perspektywiczne narzędzie do analizy sekwencji i wykonywania operacji.