BUDOWA CHEMICZNA, STRUKTURA, FORMY I REPLIKACJA DNA

Co to jest DNA?

Kwas deoksyrybonukleinowy
(dawniej dezoksyrybonukleinowy)
– wielocząsteczkowy organiczny
związek chemiczny należący do
kwasów nukleinowych. Występuje
w chromosomach i pełni rolę
nośnika informacji genetycznej.

Budowa DNA

DNA zbudowany jest z trzech
podstawowych związków chemicznych:



zasady azotowej (purynowej: adeniny
i guaniny oraz pirymidynowej: tyminy
i cytozyny)



cukru pięciowęglowego
(dezoksyryboza)



reszty kwasu fosforowego

…

Cząsteczka DNA zbudowana jest z
dwóch nici polinukleotydowych.
Zgodnie z modelem Watsona i Cricka
dwie nici polinukleotydowe w
podwójnej helisie łączą się wiązaniami
wodorowymi między zasadami
azotowymi.

…

Model ten zakłada, że łańcuchy
polinukleotydowe ułożone są
antyrównolegle, jedna nić DNA
ułożona jest w kierunku 5’ – 3’,
a druga w kierunku 3’ – 5’ (biegną w
przeciwnych kierunkach).

…

Zasady purynowe i pirymidynowe
znajdują się wewnątrz, a fosforany i
dezoksyrybozy na zewnątrz helisy.
Płaszczyzny zasad są prostopadłe do
osi helisy, a płaszczyzny pierścieni
cukrów są prawie prostopadle
ułożone względem zasad.

…

Średnica helisy wynosi 2.0 nm.
Odległość miedzy sąsiednimi
zasadami mierzona wzdłuż osi
wynosi 0.34 nm. Zasady są skręcone
względem siebie pod kątem 36º. Na
całkowity skręt spirali przypada po
10 nukleotydów w każdym łańcuchu,
co daje okres powtarzalności 3,4 nm.

…

Kolejność zasad w łańcuchu
polinukleotydowym nie jest w żaden
sposób ograniczona. Ściśle
określona sekwencja zasad niesie
informacja genetyczna.

Formy DNA



B – DNA



A – DNA



Z - DNA

B – DNA



W żywych komórkach występuje
powszechnie B – DNA.



Na powierzchni helisy B – DNA
występuje większa bruzda (duży
rowek o średnicy 2,2 nm) i mała
bruzda (mały rowek o średnicy
1,2nm).

…



Bruzdy te w helisie DNA

(szczególnie większa) są obszarami

najbardziej dostępnymi do

oddziaływań z ligandami.



Wnętrze bruzd prezentuje

charakterystyczne układy atomów,

które mogą być rozpoznawane przez

określone białka przyłączające się

do DNA.

…



Klasyczny model
opisujący formę B
zakłada, że na jeden
skok spirali DNA
przypada 10,4 par
zasad.



Kąt skręcenia między
sąsiadującymi
płaszczyznami par
zasad wynosi 34,6.

A - DNA



Forma A – DNA jest dwuniciową
prawoskrętną helisą, która staje się
szersza i krótsza niż helisa B.



Na całkowity skręt helisy A przypada
11 par zasad.



Duży rowek będzie wówczas
trudniej dostępny, gdyż jest bardzo
głęboki i wąski.

…



Mniejszy rowek ulega prawie
całkowitemu zanikowi i osiąga kształt
bardzo szeroki i płytki

Z - DNA



Forma Z – DNA w porównaniu do
klasycznej formy B uwidaczniają
wiele różnic, jest lewoskrętna, ma
więcej par zasad przypadających na
jeden skręt, staje się długa i wąska.



Strukturę tę nazwano Z – DNA za
względu na szkielet cukrowo –
fosforanowej, który kształtem
przypomina literę „Z”.

…



Helisa typu Z ma tylko jeden rowek.



Formę Z – DNA in vitro przyjmują
polimery o sekwencji
odpowiadającej na przemian
ułożonym resztom purynowym i
pirymidynowym

…



Do powstania formy Z – DNA
wymagane jest także wysokie
stężenie soli, które wpływa na
obniżenie oddziaływań
elektrostatycznych pomiędzy
resztami fosforowymi szkieletu DNA

Struktura DNA



strukturę pierwszorzędową - podaje
sekwencję nukleotydów w łańcuchu



strukturę drugorzędową -
przestrzenne ukształtowanie
cząsteczki.

Struktura pierwszorzędowa



Budowa łańcucha kwasu
dezoksyrybonukleinowego - jest
wielkocząsteczkowy polinukleotyd;
liczne nukleozydy połączone są ze
sobą za pomocą kwasu fosforowego
wiązaniami dwuestrowymi.

…

Sekwencja nukleotydów w
łańcuchu nazywana jest inaczej
strukturą pierwszorzędową
kwasu nukleinowego. Zwykle
sekwencję podaje się używając
tylko pierwszych liter
występujących w nukleotydach
zasad.

…

I tak, na przykład dla fragmentu, w
którym występują kolejno
nukleotydy zawierające: adeninę,
tyminę, guaninę, cytozynę, tyminę,
adeninę - sekwęncję można zapisać;
ATGCTA

Struktura drugorzędowa

Na podstawie danych
rentgenograficznych, otrzymanych
przez Wilkinsona i współpracowników,
Watson i Crick zaproponowali model
strukturalny, który następnie
potwierdzono licznymi badaniami.

…

Podstawą tego modelu jest założenie,
że poszczególne zasady łączą się ze
sobą parami za pomocą wiązań
wodorowych. Jest to możliwe dla par
adenina - tymina i guanina-cytozyna

…

Wskutek takiego wiązania się parami
następuje łączenie dwóch łańcuchów
polinukleotydowych. Jednocześnie
każda z zasad determinuje swój
odpowiednik w drugim łańcuchu, tak
że jeden łańcuch określa już
sekwencję zasad w drugim łańcuchu.

Replikacja DNA



Replikacja polega na rozwinięciu
helisy DNA na krótkim odcinku i
syntezie na matrycy obu nici, nici
komplementarnych.



Jest to proces semikonserwatywny
(półzachowawczy) co oznacza, że
powstała cząsteczka zawiera jedną
nić matczyną, a drugą potomną.

…

Kopiowanie podwójnej helisy DNA jest
procesem złożonym. Rozpoczyna się w
miejscu inicjacji, liczącym ok. 200-300
par nukleotydów. Miejsce to oznacza
się skrótem ori od ang. origin. Aby
replikacja przebiegła prawidłowo,
rozdzielenie obu nici musi zajść bez
zniszczenia ich struktury podstawowej
(I-rzędowej) i w odpowiednich
warunkach, jak:

…



dokładne odczytanie matrycy DNA,



obecność odpowiedniej liczby
wolnych nukleotydów,



zachowania komplementarności.

…

Na koniec musi dojść do terminacji
replikacji, ewentualnego uzupełnienia
braków na końcu nowopowstałej
cząsteczki i połączenia nowych
cząsteczek w helisę.

…

U bakterii zakończenie replikacji
jest niemal automatyczne, po
skopiowaniu całego kolistego
DNA , który jest pojedynczym
replikonem.

…

U eukariotów miejsc replikacji
(replikonów) jest wiele, a jej
terminacja zachodzi po zakończeniu
wielu procesów replikacyjnych
zachodzących niemal jednocześnie
w różnych miejscach replikujących
cząsteczek DNA.

Przebieg replikacji u
Prokaryota



INICJACJA – rozpoczyna się w miejscu

origin (ori) gdzie syntetyzowany jest

odcinek RNA - starter o długości około 10

do 60 nukleotydów



ELONGACJA – na nici o polarności 3` do 5`

nowo syntetyzowany łańcuch może

wydłużać się w sposób ciągły, a na nici o

przeciwnej polarności w postaci

fragmentów Okazaki (około 1000 – 2000

nukleotydów)



TERMINACJA – replikacja kończy się po

przejściu widełek replikacyjnych wzdłuż

całej kolistej cząsteczki chromosomu przy

udziale sekwencji terminacyjnych Ter E, D,

A, C, B i F

Przebieg replikacji u
Eukaryota



INICJACJA - rozpoczyna się w w kilku

miejscach chromosomu jednocześnie

(wiele miejsc ori), w każdym z nich

syntetyzowany jest odcinek RNA tzw.

starter o długości około 10 nukleotydów



ELONGACJA – synteza DNA przy udziale

polimerazy zachodzi na obu niciach w

sposób nieciągły ( ze względu na wiele

miejsc inicjacji)



TERMINACJA – zakończenie replikacji ma

miejsce w momencie fizycznego

zetknięcia się widełek podążających ku

sobie z przeciwnych kierunków

Enzymy replikacji



Helikazy – rozdzielają nić DNA, rozcinają

wiązania wodorowe



Białka SSB – zapobiegają zwijaniu się

pojedynczych nici DNA



Topoizomerazy – rozluźniają superskręty w

cząsteczce DNA, przecinają wiązania

fosfodiestrowe w łańcuchu

polinukleotydowym



Ligazy – łączą fragmenty DNA (fragmenty

Okazaki, fragmenty po wycięciu

starterów)



Polimerazy – przeprowadzają syntezę DNA

Replikacja DNA -
podsumowanie

1. Dwie nici podwójnej helisy w

pewnym miejscu rozplatają
się; powoduje to rozerwanie
par zasad komplementarnych.

Replikacja DNA -
podsumowanie

2. W pobliżu miejsca rozplecenia

zawsze znajduje się dostateczna
ilość wolnych nukleotydów; do
każdej z zasad w rozplecionych
niciach dołącza zasada
komplementarna, stanowiąca
część wolnego nukleotydu -
jednostki budulcowej DNA.

Replikacja DNA -
podsumowanie

3. Między nowo dołączonymi

nukleotydami powstają trwałe
połączenia - w ten sposób tworzy
się nowa nić DNA.

Document Outline