Deoksiribonukleinska kiselina – DNK

          Deoksiribonukleinska kiselina, DNK je prostetična grupa nukleoproteina koji se nalaze u jedrima eukariotskih ćelija. Ona uvek ulazi u sastav hromatina u hromozomima i u jednom hromozomu se nalazi jedan molekul DNK. Ona ima ogroman biološki značaj jer obavlja dve ključne funkcije kao genetski materijal: 1) ona čuva genetsku informaciju i reprodukuje ju putem procesa replikacije za vreme deobe ćelije, i 2) ona izražava (eksprimira) genetsku informaciju putem procesa transmisije ribonukleinskoj kiselini.

          Dezoksiribonukleinske kiseline su znatno stabilnije od ribonukleinskih, pa je zbog toga omogućeno i njihovo detaljnije ispitivanje, kako molekulske težine tako i strukture. DNA je polinukleotid veoma velike molekulske težine, i do 2 milijarde Daltona, jer može da sadrži i više od milion mononukleotida povezanih u neprekidni niz.

          Deoksiribonukleinska kiselina ima tri ključne hemijske karakteristike: 1) ona sadrži kao pentozu samo deoksiribozu, 2) od baza sadrži samo 4 baze: adenin (A), timin (T), guanin (G) i citozin (C), i 3) mononukleotidi su povezani uvek 3′,5′-fosfodiestarskom vezom. To znači da samo jedna estarska veza povezuje 5′ – hidroksilnu grupu deoksirboze na jednom nukleotidu, za 3′ – hidroksilnu grupu deoksiriboze drugog nukleotida preko fosfatne grupe. Dugački, nerazgranati lanac koji nastaje na ovakav način povezivanjem ogromnog broja nukleotida ima dva kraja, jedan 5′ – kraj koji nije vezan za drugi nukleotid i drugi 3′ – kraj koji je takođe slobodan. Baze, koje su poređane duž okosnice sastavljene od naizmeničnih deoksiriboza i fosfata, po dogovoru se uvek pišu kao sekvenca od 5′ kraja lanca pa do 3′ kraja. Kompozicija baza je različita za svaki molekul DNK, ali ona nipošto nije slučajna, naprotiv stogo je određena i specifična jer je tim redosledom ustvari zapisana genetska informacija.

          Ovakav sastav polinukleotidnog lanca DNK bio je prvo utvrđen, međutim tek su James Watson i Francis Crick u potpunosti razrešili kompletnu strukturu i funkciju DNK. Njihovo genijalno rešenje smatra se najvažnijim otrkićem u biologiji druge polovine dvadesetog veka, za što su i dobili Nobelovu nagradu 1962. godine. Osim poznatog sastava polinukleotidnog lanca DNK, oni su uzeli u obzir i pravila još ranije utvrđena od strane Chargraffa i to:

• da je sadržaj DNK koji se nalazi u jedrima somatskih ćelija jedne vrste konstantan, ali da je isti taj sadržaj u germinativnim ćelijama tačno polovina onog koji se nalazi u somatskim ćelijama,
• da DNK izolovana iz različitih organa jednog organizma ima isti nukleotidni sastav,
• da je nukleotidni sastav DNK različitih jedinki različit,
• da se nukleotidni sastav jedne jedinke ne menja sa uzrastom i ne zavisi od ishrane,
• da je sadržaj adenina u DNK uvek jednak sadržaju timina, a da je sadržaj gunanina uvek jednak sadržaju citozina,
• da je količina purinskih i pirimidinskih baza jednaka, ali da odnos između komplementarnih baza A+T/G+C nikad nije jednak jedinici.

          Na osnovu ovih poznatih činjenica oni su zaključili da molekulu DNK ne čini jedan polinukleotidni lanac nego da to mora biti dvostruki lanac u kome su dva polinukleotidna lanca povezana vodoničnim vezama između baza sa oba lanca. Oni su tada predložili i radnu pretpostavku, koju su kasnije uspešno i dokazali, a po kojoj deoksiribonukleinska kiselina ima strukturu duplog heliksa u kome su dva polinukleotidna lanca antiparalelna, oni se pružaju u suprotinim smerovima u odnosu na međusobno 3′, 5′ vezivanje deoksiriboza što znači da jedna nit ide u pravcu 5′ 3′, a druga u suprotnom smeru. 3′ 5′.

          Struktura cele molekule je helikoidalna, u obliku spirale. Nit spirale obrazuje dezoksiriboza nukleotida (S), dok se baza (T,A,G,C) i fosforna kiselina (P) raspoređuju pod izvesnim uglom prema pentozi. Dve se niti uporedo uvijaju oko zamišljene ose na određenom odstojanju, čak se smatra dokazanim da je razdaljina 20 A i da jedan uvoj iznosi 34 A te da je na toj dužini ugrađeno 10 nukleotida. Smatra se da se drže zajedno hidrogenskim vezama između baze nukleotida jednog nukleotidskog lanca i baza nukleotida drugog, adenin sa timinom, a guanin sa citozinom. Na taj način hidrofilne pentoze i fosfati čine spoljašnjost molekule u vidu niti, a hidrofobne baze unutar molekule čine veze između njih.

          Iz ovoga se već može naslutiti izvesna određenost kvantitativnih odnosa ovih baza u sastavu DNK. To je utvrđeno: molarni odnos adenina prema timinu i guanina prema citozinu je 1, a toliki je i odnos purinskih prema pirimidinskim bazama. Ako se setimo hemijskih formula četiri baze u sastavu DNK, ona proizilazi da i odnos između 6-amino-grupa i 6-oksi-grupa mora biti 1. Te pravilnosti odnosa su utvrđene kod svih DNK i njima su svojstvene. Međutim, jedan odnos može da varira od jedne do druge DNK: a to je odnos (A + T) : (G + C). Izučavanje ovih odnosa je pokazalo da postoje tri tipa DNK: tip AT kod koga je ovaj odnos veći od 1, tip GC kod koga je ovaj odnos manji od jedan, treći tip kod koga je (A + T) : (G + C) približno 1. Životinjske DNK pripadaju AT tipu, dok su kod DNK ostalih živih bića zastupljeni pretežno drugi tipovi.

          Molekulska težina DNK je velika. Verovatno je – s obzirom na moguća oštećenja prilikom izolovanja iz biološkog materijala – da ona u životinjskim ćelijama dostiže cifru od 100 miliona. DNK virusa, smatra se, može biti i znatno veće molekulske težine. Sam oblik molekula je izrazito vlaknast.

          Svi atomi purinskih i pirimidinskih baza nalaze se u jednoj ravni, i vodonične veze mogu da se obrazuju samo između onih baza u kojih su atomi koji mogu da grade vodonične veze, postavljeni tačno jedni naspram drugih i savršeno komplementarni „kao ključ i brava“. Ova činjenica ima ogroman značaj u funkciji DNK i formulisana je u obliku poznatog „pravila sparivanja baza“. U fiksiranom položaju unutar heliksa, planarni molekuli baza mogu da formiraju vodonične veze samo između citozina i guanina (C-G ili G-C), odnosno između timina i adenina (T-A ili A-T). Vodonične veze ostvaruju keto grupe jedne baze sa amino grupama druge baze i obrnuto, tako da su baze jednog lanca sa bazama drugog lanca na taj način što je adenin uvek povezan sa timinom, a citozin je uvek sparen sa guaninom, i obrnuto. Ovakav raspored je nazvan „pravilo sparivanja baza“, naime parovi su uvek C-G i A-T, prvi par je povezan međusobno sa tri, a drugi sa dve vodnične veze.

          Zahvaljujući pravilu sparivanja baza, jedan polinukleotidni lanac duplog heliksa DNK je uvek komplementaran drugom lancu, sekvenca baza na komplementarnom lancu je tačno određena i može se predvideti ako se zna sekvenca prvog lanca. Ovo je osnova replikacije DNK za vreme mitoze u kojoj ćerka ćelija dobija ista dva lanca baza koje je imala i ćelija roditelj pa time i isti genetski materijal. Pravilo sparivanja baza je takođe i osnova procesa transkripcije, jer informacije sadržane u genetskom kodu, koji se sastoji od tri nukleotidne baze, se prepisuju na komplementarnu RNK na tačno određeni način. Tako pravilo sparivanja baza upravlja i ugrađivanje tačno određenih aminokiselina tačno određenim redom u polipeptidne lance. Zahvaljujući pravilu sparivanja baza DNK vrši čuvanje i prenos genetskih informacija i tako obezbeđuje prenos naslednih osobina. Isto tako zahvaljujući tom pravilu DNK preko kontrole sinteze proteina i enzima kontroliše i reguliše sve procese u ćeliji. Na taj način su živa bića održala svoj kontinuitet i život na zemlji tokom više milijardi godina.