Deoxyribonukleová kyselina: Rozdiel medzi revíziami

# [[Báza (nukleová kyselina)|dusíkatej bázy]]. Dusíkaté bázy tvoriace štruktúru DNA sú štyri: [[adenín]] (A), [[guanín]] (G), [[cytozín]] (C) a [[tymín]] (T). Spájajú obe vlákna dvojzávitnice DNA pomocou [[vodíková väzba|vodíkových väzieb]], pričom platí princíp tzv. komplementarity báz. Komplementarita znamená, že adenín sa v DNA prednostne páruje s tymínom z druhého vlákna dvojzávitnice a guanín s cytozínom.<ref name="biovebbiopedia" >{{Citácia elektronického dokumentu

| url = http://www.biowebbiopedia.genezis.eusk/?cat=10biokutik&file=nuklkys

| vydavateľ = BiowebBiopedia.genezis.eusk

Všetky v súčasnosti žijúce organizmy okrem sporných útvarov na hranici medzi živým a neživým potrebujú na svoje [[rozmnožovanie|množenie]] DNA. V DNA je totiž obsiahnutá informácia na tvorbu základných stavebných komponentov bunky  –  [[proteín]]ov a prostredníctvom DNA je táto informácia dlhodobo skladovateľná a replikovateľná. DNA má každý jedinec spomedzi [[bunka|bunkových]] foriem života a niektoré [[vírus]]y. Ďalšie vírusy  –  [[retrovírus]]y, v sebe neobsahujú DNA iba RNA, ale aj táto RNA musí byť na zmnoženie vírusovej častice najprv prepísaná v hostiteľskej bunke do DNA enzýmom zvaným [[reverzná transkriptáza]].<ref>{{Citácia knihy

DNA je potrebná na množenie buniek, ich rast, špecializáciu v určitej funkcii ([[Bunková diferenciácia|diferenciáciu]]), [[bunková signalizácia|signalizáciu]], ale aj na základné životné pochody v bunkách, ktoré nemusia vykonávať nijakú z predtým spomenutých aktivít. V každej bunke totiž pod vplyvom nepriaznivých vonkajších faktorov, ale aj samovoľnými procesmi časom jej stavebné a funkčné [[makromolekula|makromolekuly]] zanikajú. Preto musia byť neustále tvorené nové molekuly podľa vzoru zapísaného v DNA. Bunky, ktoré neobsahujú DNA, alebo podľa ich DNA nie je možné vytvárať proteíny (DNA je v [[kondenzovaná DNA|kondenzovanom stave]]), majú obmedzenú životnosť. Takéto bunky sa nemôžu replikovať a tvorba ďalších takýchto buniek je závislá na bunkách, ktoré majú funkčnú  –  transkripčne aktívnu DNA. Neplatí, že každá bunka, ktorá má transkripčne aktívnu DNA, je schopná sa deliť, no je to jeden z nevyhnutných predpokladov. Keďže DNA je pre život buniek a organizmov z dlhodobého hľadiska nevyhnutná, v priebehu [[evolúcia|evolúcie]] sa v organizmoch vyvinuli mechanizmy, ako v prípade poškodenia DNA toto poškodenie opraviť.

Odhalenie trojrozmernej štruktúry DNA bolo v jej výskume veľmi významným míľnikom. Objav dvojzávitnicovej štruktúry sa spája s menami [[James Dewey Watson|Jamesa Watsona]] a [[Francis Crick|Francisa Cricka]]. Pred vypracovaním Watsonovho-Crickovho modelu už bolo známe, že DNA je tvorená [[monomér]]mi  –  nukleotidmi, ktoré sa líšia svojimi dusíkatými bázami. Dlho však nebolo jasné, ako sú nukleotidy usporiadané za sebou do polynukleotidového reťazca, či v ich usporiadaní exisujú nejaké zákonitosti, koľko polynukleotidových reťazcov tvorí jednu molekulu DNA a aká je priestorová orientácia reťazca. Dôležitý pokrok v poznaní štruktúry DNA urobil [[S. Furberg]], ktorý v roku [[1949]] objavil, že [[rovina]] dusíkatej bázy v nukleotide je takmer kolmá na rovinu, v ktorej leží väčšina atómov cukornatej zložky. Výskumná skupina [[Alexander Todd|Alexandra Todda]] v roku [[1951]] zistila, že nukleotidy sú spojené fosfodiesterovou väzbou spájajúcou 5' atóm cukru s 3' atómom cukru nasledujúceho nuleotidu. Problémom priestorového usporiadania atómov v DNA sa však nezaoberali.<ref name="Watson" >{{Citácia knihy

*'''jednovláknová DNA''' (skratka ssDNA z anglického single-stranded DNA)  –  len jedno vlákno DNA, ktorému chýba komplementárne vlákno. V živých bunkách sa bežne nevyskytuje, no môžu ju ako svoju genetickú informáciu obsahovať niektoré druhy vírusov.

*'''dvojvláknová DNA''' (skratka dsDNA z anglického double-stranded DNA)  –  DNA zložená z obidvoch vlákien spojených navzájom vodíkovými mostíkmi. V tejto forme je DNA uložená v živých bunkách a túto formu opúšťa len na krátkych úsekoch a na krátku dobu, napríklad počas replikácie či transkripcie.

*'''[[komplementárna DNA]]''' (skratka cDNA z anglického complementary DNA)  –  DNA, korá vznikla prepísaním mRNA enzýmom reverzná transkriptáza do DNA.

*genómická DNA (skratka gDNA z anglického genomic DNA)  –  chromozomálna DNA

*'''[[chloroplastová DNA]]'''  –  (skratka cpDNA z anglického chloroplast DNA)  –  DNA v chloroplastoch, organelách v bunkách rias a rastlín.

*'''[[mitochondriálna DNA]]'''  –  (skratka mtDNA z anglického mitochondrial DNA)  –  DNA v mitochondriách, organelách väčšiny eukaryotických organizmov.

DNA je polymér, čiže molekula zložená z mnohých jednotiek zvaných monoméry. Monoméry DNA sa nazývajú deoxyribonukleotidy, niekedy sa požíva aj názov nukleotidy, čo je súhrnný názov pre monoméry DNA  –  deoxyribonukleotidy a monoméry RNA  –  ribonukleotidy. Do polynukleotidového reťazca sú deoxyribonukleotidy spojené [[ester]]ovou (fosfodiesterovou) väzbou. Deoxyribonukleotid tvorí

| priezvisko = RozsypalRosypal

}}</ref> (čítaj tri s čiarou päť s čiarou fosfodiesterovou väzbou)<ref name="biovebbiopedia" />, zapisovanou aj ako 5'-3'-fosfodiesterová väzba.<ref name="Klinická genetika" >{{Citácia knihy

}}</ref> Na vlákne DNA s nespojenými koncami (lineárnej molekule) rozlišujeme dva konce: na 5' konci je vlákno ukončené [[fosfát]]om a na 3' konci je vlákno ukončené [[hydroxil]]ovou -OH skupinou. Na rozdiel od primárnej štruktúry bielkovín, na ktorej sa podieľa 21 aminokyselín, primárna štruktúra NK obsahuje iba štyri nukleotidy, pričom pomer adenínu s tymínom (A : T) a guanínu s cytozínom (G : C) je rovnaký 1 : 1.<ref name="biovebbiopedia" /> Niektoré z báz (u človeka odhadom asi 1  %) môžu byť [[metylácia|metylované]]. U zvierat je toto percento i niekoľkonásnobne vyššie (napríklad u makakov až 6  %).

Poradie nukleotidov  –  sekvencia DNA  –  sa udáva vždy pre jedno z dvoch vlákien vypísaním jednotlivých nukleotidov od 5' konca k 3' koncu. Každý nukleotid sa označuje jednopísmenovou skratkou dusíkatej bázy, ktorú obsahuje. Veľkosť genómu jednotlivých organizmov alebo organel sa udáva počtom bázových párov (skratka bp), ktoré obsahuje ich DNA.

Dôležitá vlastnosť štruktúry DNA je [[Komplementarita|komplementárnosť]] jednotlivých nukleotidov. To znamená, že dve špecifické dusíkaté bázy dvoch vlákien alebo jedného dostatočne ohnutého vlákna sú, pokiaľ sa nachádzajú oproti sebe, schopné utvoriť chemické väzby. Podľa pravidla, ktoré sa nazýva Watsonovo-Crickovo podľa jeho objaviteľov, sa páruje vždy [[purín]]ová s [[pyrimidín]]ová báza. V prípade DNA sa teda adenín páruje s tymínom a guanín s cytozínom.<ref name="rozsypal" /> Guanín s cytozínom sa viažu tromi vodíkovými väzbami, a adenín s tymínom zase dvomi vodíkovými väzbami.<ref name="biovebbiopedia" /> Keďže väzba adenín-tymín je kvôli menšiemu počtu vodíkovych mostíkov slabšia, veľké množstvo adeníno-tymínovych párov sa nachádza v miestach, kde je potrebné, aby sa dvojzávitnica ľahko rozdelila na dve jednotlivé vlákna (napr. v tzv. replikačných počiatkoch). Spárovaným komplementárnych báz sa utvorí typická dvojreťazová štruktúra DNA. Takto sa uchováva v každom z dvoch vlákien vlákne rovnaká informácia, iba s rozdielom, že ide o vzájomný [[negatív]]. Výhoda takejto štruktúry je v tom, že ak sa jedno vlákno dvojzávitnice DNA poškodí, informácia v ňom obiahnutá ešte nie je úplne stratená a možno ju obnoviť podľa druhého vlákna.

''Hoogestenovo párovanie báz'' je párovanie za nezvyčajných fyzikálnochemických podmienok, pri ktorom sa vytvára spojenie medzi troma bázami súčasne. Pri neutrálnom pH však takéto párovanie nie je stabilné. Existuje aj párovanie štyroch báz  –  tetrád.<ref name="rozsypal" />

[[File:A-DNA, B-DNA and Z-DNA.png|thumb|Sekundárna štruktúra DNA  –  zľava A forma, B froma (najčastejšia) a Z forma]]

Sekundárnou štruktúrou označujeme priestorové usporiadanie polynukleotidového reťazca. Dva reťazce DNA sa komplementárne spájajú vodíkovými väzbami komplementárnych nukleových báz. Dvojvlákno má najčastejšie tvar pravotočivej dvojzávitnice, '''''α-helixu'''''.<ref name="biovebbiopedia" /> Forma stočení nie je vždy za každých podmienok rovnaká. Pri vysokom obsahu vody zaujíma DNA štruktúru B formy. Je to forma pravotočivej dvojzávitnice, v ktorej sú roviny báz kolmé ku kostre dvojzávitnice. V ideálnej B-forme má molekula 10 párov báz na jednu otáčku dvojzávitnice<ref>http://orion.chemi.muni.cz/zakladni_pojmy_z_biochemie/page0431.htm</ref> a dva susediace bázové páry pri kolmom pohľade zhora zvierajú uhol 36°. Roviny prechádzajúce bázovými pármi sú navzájom rovnobežné.<ref name="muni" /> V B forme je DNA v skúmavke (''[[in vitro]]''), ale v živých organizmoch (''[[in vivo]]'') za určitých podmienok prirodzene prechádza aj na inú formu. B forma je svojim tvarom často prirovnávaná k točitému shodisku.

'''A''' forma je pravotočivá. Obsahuje 11,6 komplementárnych párov na jeden závit, čo naznačuje, že stúpanie helixu je pozvoľnejšie ako v B forme.<ref name="muni" /> Priemer vlákna je 2,3  nm. Rovina prechádzúca párom báz je asi o 20° vychýlená z polohy kolmej na os vlákna. Ľavotočivá '''Z''' forma má 12 komplementárnych párov na jeden závit; priemer vlákna je 1,8  nm.

Povrch dvojzávitnice sa vyznačuje dvoma žliabikmi odlišujúcimi sa navzájom šírkou aj hĺbkou. Rozpoznávame menší žliabik so šírkou 0,6  nm a väčší žliabik široký 1,2  nm. V oboch žliabikoch sa nachádzajú atómy schopné vytvárať vodíkové väzby s atómami proteínov. Vo väčšom žliabiku je ich viac než v menšom. Konformácie A, B a Z sa od seba odlišujú aj tvarom týchto žliabikov  –  kým u konformácie A je veľký žliabik veľmi úzky a hlboký, v konformácii B je širší a menej hlboký a v konformácii Z sploštený na povrchu.<ref name="rozsypal" />

Pod terciárnou štruktúru rozumieme priestorové usporiadanie dvojzávitnice. Tá sa môže stočiť do superhelixu spôsobom tzv. nadzávitnicového vinutia. Takto zvinutá DNA sa nazýva superšpiralizovaná DNA.<ref name="biovebbiopedia" /> Superšpiralizovaná môže byť dvojvláknová DNA, ktorá je uzavretá do kruhu, alebo lineárna dvojvláknová DNA, ktorej konce sú pripevnené o podklad. Terciárnu štruktúru zabezpečujú enzýmy [[topoizomeráza|topoizomerázy]]. Dvojzávitnica bez terciárnej štruktúry sa nazýva relaxovaná DNA.<ref name="rozsypal" />

DNA by nebola schopná sa replikovať a správne vykonávať svoje funkcie bez proteínov, ktoré sa na ňu v živých organizmoch viažu. Tieto proteíny sa na DNA viažu tzv. nekovalentnými väzbami  –  vodíkovými mostíkmi, [[iónová väzba|iónovými väzbami]] alebo [[hydrofóbna interakcia|hydrofóbnymi interakciami]] väčšinou v oblasti väčšieho žliabku. Každé z týchto spojení je slabé, preto proteín musí vytvárať takýchto väzieb viacero, aby sa dokázal na DNA udržať po dlhšiu dobu. Pri svojom nadviazaní proteíny nemenia jej chemické zloženie, ale napriek tomu ovplyvňujú jej vlastnosti.<ref name="muni" /> Môžu napríklad spôsobiť ohyb molekuly DNA, čo sa uplatňuje pri zbalení molekuly DNA do kompaktnejších štruktúr, ale aj pri plnení funkcie DNA (napríklad proteín [[TBF]] ohnutím molekuly DNA umožňuje, aby na ňu nasadli ďalšie proteíny slúžiace na spustenie trasnkripcie). Obvykle sa na DNA neviaže celý proteín, len jeho takzvaná DNA-väzobná doména. Rozpoznávací význam má väzba jednotlivých aminokyselín proteínu na bázy DNA, väzba na fosfodiesterovú kostru len upravuje pozíciu proteínu vzhľadom na bázy. DNA-väzobné proteíny môžu rozoznávať rôzne bázové páry bez toho, aby rozrušili vodíkové mostíky medzi nimi a tým spôsobili "rozpletenie" molekuly. Schopnosť proteínu viazať sa len na bázy zoradené v správnom poradí (špecifickom pre daný proteín), nazývame sekvenčná špecificita proteínu. Inými slovami, DNA poradím svojich báz v jednom úseku dovoľuje na tento úsek nasadnúť len proteínu z určitej skupiny. Niektoré DNA-viažúce proteíny sa môžu na DNA nadviazať, len ak sú na nej už prítomné iné proteíny.

Jadrová DNA [[eukaryotická bunka|eukaryotov]] na rozdiel od prokaryotického chromozómu je chránená od [[metabolizmus|metabolických]] procesov prebiehajúcich v cytoplazme dvojitou jadrovou membránou. Členená je spravidla do viacerých oddelených molekúl. V [[bunkový cyklus|interfáze]], vo fáze medzi deleniami bunky, je komplex DNA a bielkovín označovaný ako [[chromatín]]. Chromatín sa skladá z [[nukleozóm]]ov, čo sú asociácie 8 molekúl špeciálnych bielkovín  –  [[histón]]ov, ktoré sú 2,5-krát obtočené molekulou DNA. V čase bunkového delenia sa chromatín preorganizuje na chromozómy, ktoré sa počas delenia správajú ako samostatné elementy a sú viditeľné aj svetelným [[mikroskop]]om. Eukaryotická DNA je dvojvláknová a lineárna, len výnimočne kruhová. Proteíny, s ktorými je DNA asociovaná, napomáhajú jej špiralizácii a majú aj regulačnú úlohu pri realizácii genetickej informácie.

}}</ref>  –  bez účasti oboch týchto RNA by translácia nemohla prebiehať. Matrice pre funkčnú RNA sú tiež dané primárnou štruktúrou DNA.

Ako informácia pre zaradenie určitej aminokyseliny do vznikajúceho peptidového reťazca slúžia v DNA (a takisto v jej transkripte, RNA) tri vedľa seba ležiace nukleotidy. Táto trojica nukleotidov  –  tzv. triplet sa nazýva kodón. Keďže bázy sú štyri a každá z nich sa môže nachádzať na jednej z troch pozícií, malo by existovať 64 rôznych kodónov. Z nich však tri nekódujú nijakú aminokyselinu a ch prítomnosť v RNA naznačuje, že v tomto mieste je potrebné syntézu proteínu ukončiť. Aj tak však zostáva 61 rôznych kodónov, pričom poznáme len 21 aminokyselín, ktoré organizmy používajú pre proteosyntézu. Rozličné kodóny však môžu kódovať tie isté aminokyseliny. Len [[metionín]], [[tryptofán]] a [[selénocysteín]] majú svoje kodóny jedinečné. Ostatné aminokyseliny sú kódované dvoma, štyrmi až šiestimi rozličnými kodónmi. Kvôli tejto vlastnosti sa genetický kód nazýva degenerovaný.<ref name="Klinická genetika" />

Pri replikácii DNA občas (asi v 1 prípade z 10⁷) dochádza k zapojeniu chybného nukleotidu. Väčšina týchto chýb je opravená buď samotnou DNA-polymerázou, alebo systémom opravy chybného párovania báz, ale niektoré pretrvávajú. Tieto chyby, ktoré môžu byť pri ďalšej replikácii prenášané na novovzniknuté DNA a s nimi do dcérskych organizmov, sa nazývajú [[mutácia|mutácie]]. Mutácie vznikajú aj v období mimo replikácie DNA, napríklad pod vplyvom [[ionizujúce žiarenie|ionizujúceho žiarenia]], či pôsobením voľných [[radikál]]ov. Ale aj DNA umiestnená v ideálnych podmienkach mimo všetkých bežných škodlivých vplyvov, podlieha kontinuálnemu poškodzovaniu. Medzi tieto druhy poškodenia patrí depurinácia (strata purínových báz), deaminácia  –  zmena cytozínu na [[uracil]], a ďalšie. Mutácie môžu mať mnohé podoby. Môžu postihnúť naraz aj dlhé sekvencie či dokonca celú molekulu DNA alebo genóm. Môže napríklad dôjsť k zlomu v jednom alebo naraz v oboch vláknach DNA, pričom druhý prípad je oveľa závažnejší.

Proces syntézy katalyzuje enzým [[RNA-polymeráza]], ktorý na základe komplementarity báz pripája ribonukleotidy za vzniku RNA. Jednou z úloh RNA-polymerázy je aj urýchliť oddelenie novovznikajúcu RNA od jej matrice v podobe DNA. Začiatok transkripcie, miesto, kde sa RNA polymeráza viaže, ako aj koniec, v ktorom sa oddeľuje, tvoria špecifické sekvencie báz. Existuje viacero druhov RNA, ktoré takýmto spôsobom môžu vznikať. Proteíny sa môžu vytvárať len podľa takzvanej mediátorovej RNA  –  mRNA.

DNA všetkých organizmov na Zemi je po chemickej stránke rovnaká. Hociktorý voľný 5' koniec sa môže spojiť s hocijakým voľným 3' koncom. Preto je možné spojiť fragmenty DNA aj vysoko nepríbuzných druhov a takisto je možné aj spojenie DNA chromozomálnej a extrachromozomálnej. Rekombináciu DNA si netreba zamienať s [[pohlavné rozmnožovanie|pohlavným rozmnožovaním]]. Pri spojení dvoch pohlavných buniek nedochádza k vzájomnej rekombiácii ich DNA. DNA v každej [[pohlavná bunka|pohlavnej bunke]] tvorí samostatné oddelené molekuly, ktoré sa síce v [[zygota|oplodnenom vajíčku]] dostanú spolu do jedného jadra, no fyzicky sa nespájajú ani nerekombinujú. Ale v oveľa neskoršej fáze ontogenézy, pri tvorbe vlastných pohlavných buniek jedinca, rekombinovať môžu  –  tento spôsob prirodzenej rekombinácie sa nazýva [[crossing over]].