Deoksiribonukleinska kiselina: razlika između inačica

'''Deoksiribonukleinska kiselina''' (skraćeno '''DNKDNA'''; [[engleski jezik|eng.]] ''Deoxyribonucleic acid'', '''DNA''') je [[nukleinska kiselina]] u obliku dvostruke spiralne zavojnice. DNKDNA sadrži genetske upute za specifični biološki razvoj staničnih oblika života i većine virusa, dugačak je polimer [[nukleotid]]a i kodira redoslijed [[aminokiseline|aminokiselina]] u [[proteini]]ma rabeći genetski kod, tj. trostruki kod nukleotida. Predstavlja polimer [[nukleotid]]a koji su građeni od [[pentoza|pentoze]] [[deoksiriboza|deoksiriboze]], fosfatne skupine i dušične baze koja kod DNK može biti [[adenin]], [[gvanin]], [[citozin]] i [[timin]]

U eukariotskim [[organizam|organizmima]]ma kao što su [[biljke]], [[životinje]], [[gljive]] i [[protisti]], većina DNKDNA je smještena u staničnoj jezgri. U jednostavnijim organizmima zvanim [[prokarioti]] DNKDNA nije odvojena od citoplazme jezgrinom ovojnicom. [[Mitohondrij]]i i [[kloroplast]]i koji su organeli eukariotskih stanica također sadrže DNKDNA.

Osnovna je molekula nasljeđivanja i odgovorna je za prenošenje nasljednog materijala i osobina. U ljudi te osobine mogu ići od boje kose do sklonosti prema nekim [[bolest]]ima. Za vrijeme diobe stanice DNKDNA se replicira i prenosi se potomcima [[razmnožavanjem|reprodukcijom]]. Istraživanja porijekla mogu se bazirati i na mitohondrijskoj DNKDNA koju dobivamo samo od majke i na muškom Y [[kromosom]]u kojeg dobivamo samo od oca.

DNKDNA svake osobe, njihov [[genom]], naslijeđen je od oba roditelja. Majčina [[mitohondrijska DNK|mitohondrijska DNA]], zajedno sa 23 kromosoma od svakog roditelja, kombinira se u tvorbi genoma [[zigota|zigote]], tj. oplođene jajne stanice. Kao rezultat, uz pojedine iznimke, npr. crvene [[krv]]ne [[stanica|stanice]], većina ljudskih stanica sadrži 23 para kromosoma, zajedno sa mitohondrijskom DNKDNA naslijeđenom od majke.

Nakon što se duže vrijeme mislilo da apsolutna većina ljudske DNKDNA predstavlja otpadnu DNKDNA (eng. ''junk DNA'') koja nema nikakvu funkciju, znanstvenici, koji su radili na ENCODE projektu, su 2012. objavili kako otprilike 80% DNKDNA ima neku biomehaničku funkciju.<ref>{{eng oznaka}} <nowiki>''</nowiki>[http://www.nature.com/news/encode-the-human-encyclopaedia-1.11312 ENCODE: The human encyclopaedia]<nowiki>''</nowiki> <abbr>doi</abbr>:[http://www.nature.com/news/encode-the-human-encyclopaedia-1.11312 10.1038/489046a], pristupljeno 11. kolovoza 2014.</ref> Takav je zaključak naišao na kritike zbog kriterija kojim su određivali što je to funkcionalno - glavni je kriterij bio sudjelovanje određenog dijela DNKDNA u nekoj RNKRNA aktivnosti kao što je npr. [[Transkripcija (biologija)|transkripcija]], no neki se znanstvenici nisu s time slagali navodeći da samo zato što se događa neka aktivnost na određenom dijelu DNKDNA, ne znači da taj dio ima funkciju jer je za funkcionalnost važno demonstrirati posljedicu te aktivnosti jer bez posljedice aktivnost ne mora imati funkciju.<ref name=":0">{{eng oznaka}} <nowiki>''</nowiki>[http://www.ox.ac.uk/news/2014-07-25-82-our-dna-%E2%80%98functional%E2%80%99 8.2% of our DNA is ‘functional’] <nowiki>''</nowiki> pristupljeno 11. kolovoza 2014.</ref><ref name=":1">{{eng oznaka}} <nowiki>''</nowiki>[http://www.iflscience.com/plants-and-animals/new-study-suggests-only-82-our-genome-functional#tIO12rcsZptfUiR0.99 New Study Suggests Only 8.2% Of Our Genome Is Functional]<nowiki>''</nowiki> - pristupljeno 11. kolovoza 2014.</ref> U prilog tome, znanstvenici s Oxforda su u srpnju 2014. objavili istraživanje koje pokazuje da je ukupno tek 8.2% DNK funkcionalno gdje oko 1% kodira proteine, a oko 7% vrši regulatornu funkciju.<ref>{{eng oznaka}} Chris M. Rands, Stephen Meader, Chris P. Ponting, Gerton Lunter: <nowiki>''</nowiki>[http://www.plosgenetics.org/article/info:doi/10.1371/journal.pgen.1004525 8.2% of the Human Genome Is Constrained: Variation in Rates of Turnover across Functional Element Classes in the Human Lineage]<nowiki>''</nowiki> DOI: 10.1371/journal.pgen.1004525, pristupljeno 11. kolovoza 2014.</ref><ref name=":0" /><ref name=":1" />

Između dva lanca, svaka baza jednog može biti sparena s komplementarnom bazom drugog lanca i to tako da se adenin s dvije vodikove veze uvijek spaja s timinom i obrnuto te citozin uvijek s gvaninom preko tri vodikove veze i obrnuto. Tako dobivamo moguće kombinacije: A+T, T+A, C+G, G+C. U rijetkim se situacijama događa krivo sparivanje, npr. kad timin prijeđe u svoj enolni oblik, a [[citozin]] u imino oblik. Dvolančana struktura DNK omogućava jednostavan mehanizam za [[replikacija DNK|replikaciju DNK]]: lanci [[DNK|DNA]] se odvajaju poput patent- zatvarača i tako se otvaraju prema brojnim nukleotidima u okolini. [[Enzimi]] stvaraju novi lanac tražeći komplementarnu bazu u okolini te grade novi lanac DNK. Naravno, baza na starom lancu određuje koja će baza biti na novom lancu da se očuva komplementarnost. Tako stanica završava replikaciju s dvije kopije svoje DNKDNA.

DNKDNA sadrži [[gen|genetsku]] informaciju koju nasljeđuju potomci. Ta informacija određena je redoslijedom parova baza. Lanac DNK sadrži gene, područja koja reguliraju gene i područja koja nemaju nikakvu funkciju ili imaju funkciju za koju još ne znamo. Geni se mogu shvatiti kao ''kuharica'' ili ''program'' organizma.

Još neke odrednice DNKDNA:

*DNKDNA je [[kiselina]] zbog [[fosfat|fosfatnih]] skupina između svake [[deoksiriboza|deoksiriboze]]. To je primaran razlog negativnog naboja DNKDNA.

*[[Mutacija|Mutacije]] su promjene u lancima DNKDNA koje su nastale slučajno bilo da su baze preskočene, umetnute ili nepravilno udvostručene, bilo da su lanci nadodani ili odrezani, a mogu nastati i kombinacijom svih ovih čimbenika. Mutacije se javljaju pri kemijskim oštećenjima (mutageni), oštećenjima [[Sunce|zračenjem]] (UV zrake) ili kompliciranim zamjenama gena.

*DNKDNA djeluje kao enzim u laboratorijskim uvjetima, ali kod živih organizama to još nije utvrđeno.

*Tradicijski gledano, DNKDNA gradi dvostruku formu (Watson-Crickov model), ali može graditi trostruke pa i četverostruke forme (Hoogstenov model).

*DNKDNA se od [[RNK|ribonukleinske kiseline]] razlikuje po tom što sadrži 2-deoksiribozu umjesto riboze te što je timin zamijenjen nukleotidom [[uracil]]<nowiki/>om u RNKRNA.

== DNKDNA u praksi ==

=== DNKDNA i kriminal ===

[[Forenzika|Forenzičari]] koriste DNKDNA iz [[krv]]i, sjemena, [[koža|kože]], sline ili kose koje su pronađene na mjestu zločina za identificiranje mogućih sumnjivaca u procesu koji se naziva ''genetski otisak prsta'' u određivanju DNKDNA profila. Rabe se komadići sljedova repetitivne DNK kao, na primjer, kratki niz ponovljenih nizova ili minisateliti koji se uspoređuju. Metodu je razvio [[1984]]. [[engleska|engleski]] genetičar Alec Jeffreys na Sveučilištu u Leicesteru za dokazivanje krivnje Colina Pitchforka [[1988]]. pomoću računalne baze podataka. To je pomoglo istražiteljima da riješe stare slučajeve gdje je zločinac bio nepoznat, a postojao je uzorak DNK s mjesta događaja (npr. slučajevi silovanja). Ova je metoda najviše pouzdana za identificiranje kriminalaca, ali nije uvijek savršena jer DNK ponekad ne može biti nađen ili samo mjesto zločina može biti kontaminirano DNK-om više mogućih osumnjičenika.

=== DNKDNA - povijesna i antropološka istraživanja ===

DNKDNA, molekula nasljeđivanja, je [[makromolekula]] koja se sastoji od dva lanca molekula koji su međusobno uvijeni jedan oko drugog u obliku dvostrukog zavojnice. Kemijski se lanac DNK sastoji od niza nukleotida, a svaki se nukleotid sastoji od [[deoksiriboza|deoksiriboze]], [[fosfat]]a i [[Dušične baze|dušičnih baza]]. Prema tome, DNK je [[polimer]] jer se sastoji od određenih podjedinica tj. nukleotida.

Raznolikost baza znači da u DNKDNA postoje 4 vrste nukleotida koji se identificiraju prema njihovim bazama. To su adenin, timin, citozin i gvanin. Rijetko DNKDNA sadrži uracil kao bazu (DNKDNA PBS1 faga gdje je timin zamijenjen uracilom). Suprotno tomu, molekula RNKRNA redovito u svojem sastavu ima uracil umjesto timina, osim nekih transportnih RNKRNA gdje timin postoji na nekim mjestima. Bitna razlika između DNKDNA i RNKRNA je što DNKDNA ima deoksiribozu, a RNKRNA ribozu.

Otapanje ili disocijacije dvostruke zavojnice DNKDNA, koristi se u [[lančana reakcija polimerazom|lančanoj reakciji polimerazom]] pri čemu se svaki pojedini lanac rabi za sintetiziranje novih lanaca istobitnih prvom. Greške koje se javljaju pri sintezi poznate su kao mutacije. Proces [[Lančana reakcija polimerazom|lančane reakcije polimerazom]] (polymerase chain reaction, [[PCR]]) primjenjuje se u laboratoriju u ''[[in vitro]]'' sintezi velikih količina DNKDNA u različite istraživačke svrhe.

Unutar gena redoslijed nukleotida duž DNKDNA određuje [[glasnička RNK|glasničku RNKRNA]] (eng. ''messenger RNA'') koja pak definira [[protein|proteine]] koje stanica napravi tijekom tijekom života. Translacija je proces kojim se odvija [[sinteza]] proteina određenih redoslijedom nukleotida. Taj redoslijed nukleotida, koji je preko RNK povezan s proteinima naziva se genetski kod. Genetski kod se sastoji od raznih kombinacija tri nukleotida koje se nazivaju [[kodon|kodoni]]. Opisujemo ih trima slovima imena baza (npr. ACT, CAG, TTT). Svaki kodon kodira točno određenu aminokiselinu u proteinu. Transkripcijom s DNKDNA nastaje glasnička RNKRNA (mRNK) koja se na [[ribosom|ribosomu]] u procesu [[translacija|translacije]] prevodi u protein. Ribosom ''čita'' mRNK te pomoću transportne RNKRNA (eng. ''transfer RNA'', tRNK) koja odgovarajućem kodonu donosi odgovarajuću aminokiselinu, stvara novi protein. Moguća su 64 kodona (4 vrste baza za tri mjesta kodona: 43) koji kodiraju 20 aminokiselina. Više kodona može kodirati jednu te istu aminokiselinu, a postoje i ‘’stop’’ i besmisleni kodoni koji označavaju kraj kodirajuće regije (UAA, UGA i UAG kodoni).

U mnogih vrsta samo mali dio ukupnog redoslijeda genoma kodira proteine. Na primjer, samo 1,5% ljudskog genoma se sastoji od dijelova koji kodiraju proteine. Funkcija ostalih dijelova je manje poznata. Neke sekvence DNKDNA imaju specifični afinitet za proteine koji vežu DNKDNA (eng. ''DNA binding proteins'') i koji igraju veliku ulogu u replikaciji i tanskripciji. Takvi redoslijedi DNKDNA nazivaju se regulatorne sekvence i istraživači pretpostavljaju da su našli tek mali dio takvih sekvenci od ukupnog broja. Otpadna DNKDNA ([[Engleski jezik|eng]]. ''junk DNA'') predstavlja redoslijede u kojima nema gena. Razlozi postojanja toliko mnogo nekodirajuće DNK u [[eukarioti|eukariotskim]] genomima nisu poznati te se te iznimne razlike između veličine genoma i složenosti organizma nazivaju paradoks [[C-veličina|C-veličine]].

Neke sekvence DNKDNA imaju strukturnu ulogu u kromosomima. [[Telomere]] i [[centromere]] sadrže malo ili uopće ne sadrže gene koji kodiranju proteine, ali su važne za funkciju i stabilnost kromosoma. Neki geni RNKRNA kodiraju traskripte koji funkcioniraju kao regulatorne DNKDNA koje utječu na funkciju drugih molekula DNKDNA. [[Intron]]<nowiki/>sko-[[egzon]]<nowiki/>ska struktura nekih gena (geni imunoglobulina i protokadeherina) su važne za dopuštanje alternativnog izrezivanja (''splicing'') pre-mRNKmRNA, što omogućuje stvaranje različitih proteina koji potječu od jednog gena. Neke nekodirajuće regije predstavljaju pseudogene koji mogu poslužiti kao materijal za stvaranje novih gena s novim funkcijama. Postoje i nekodirajuće regije koje omogućavaju vruće točke za duplikaciju kratkih dijelova DNKDNA te takve duplicirane sekvence mogu biti glavni oblik genetske promjene u ljudskom porijeklu. Egzoni među kojima je mnoštvo [[Intron|introna]] omogućavaju ‘’egzonsku prevrtljivost’’ pri stvaranju modificiranih gena koji mogu imati novu prilagodbenu funkciju. Velika količina nekodirajuće DNKDNA je vjerojatno prilagodbena tako što omogućava kromosomskim regijama rekombinaciju između homolognih dijelova kromosoma bez poremećaja u funkciji gena. Redoslijedi DNKDNA također određuju podložnost cijepanju restrikcijskim enzimima vrlo bitnim za genetski inženjering.

Replikacija ili sinteza DNKDNA je proces umnažanja dvolančane DNKDNA prije stanične diobe. Tri su osnovna stupnja replikacija DNKDNA-a: odmatanje i razdvajanje polinukleotidnih lanaca DNKDNA uzvojnice, komplementarno sparivanje baza i polimerizacija nukleotida. Replikacija se odvija na replikacijskoj viljušci i u njoj sudjeluju oba lanca. U sintezi sudjeluju enzimi: DNKDNA primaza, DNKDNA- i RNKRNA polimeraze, egzonukleaze, DNKDNA ligaza, topoizomeraza i helikaza koja rastavlja lance DNKDNA. Enzimi helikaze kidaju vodikove veze između dušičnih baza dvaju lanaca u molekuli DNKDNA. Odmotavanje lanca pomaže SSB protein koji drži lance odmotane da se ponovno ne vežu.

DNK primaza stvara RNK početnice, kratke segmente od 30-ak nukleotida; čije prisustvo je uvjet za djelovanje DNKDNA polimeraze. DNKDNA polimeraza, od roditeljskog lanca 5' - 3' smjera, koji služi kao predložak sintetizira novi antiparalelni lanac u smjeru 3' - 5', tzv. vodeći lanac. Roditeljski lanac DNKDNA koji je 3' - 5' smjera je tzv. zaostajući lanac te služi kao predložak za sintezu kratkih dijelova novog lanca DNKDNA, [[Okazakijevi fragmenati|Okazakijevih fragmenata]], koje enzim DNKDNA ligaza spaja u potpuni lanac DNKDNA. Svaka od novih molekula DNKDNA se sastoji od jednog originalnog lanca i jednog lanca koji je novo sintetiziran. Dva dobivena lanca su identični, ali se ponekad u procesu replikacije mogu pojaviti i greške. Ovakva replikacija se naziva [[semikonzervativna replikacija]]. Proces replikacije odvija se u tri stupnja: inicijacija, elongacija i terminacija.

[[Vodik]]ove veze između lanaca u dvostrukoj uzvojnici su dovoljno slabe da lanci mogu biti razdvojeni [[enzim]]ima. Enzimi zvani helikaze odvijaju lance da bi omogućili dojelovanje drugih enzima kao npr. DNKDNA polimeraze. Lanci mogu biti razdvojeni i na višoj temperaturi ako su manji od 10 000 parova baza (10 kilobaza), na čemu se temelji PCR tehnika.

=== Kružna DNKDNA ===

Kada su krajevi dvostruke zavojnice DNKDNA spojeni, kao u plazmidima, lanci su topološki zamršeni. To znači da ne mogu biti razdvojeni laganim zagrijavanjem ili bilo kojim procesom koji ne uključuje prekidanje lanaca. Enzimi topoizomeraze su zaslužni za rasplitanje topološki povezanih lanaca. Neki enzimi to čine cijepanjem dvaju lanaca tako da i drugi dvolančani segment može proći. Rasplitanje je potrebno za replikaciju kružne DNKDNA, kao i za različite tipove linearne DNKDNA.

Zbog uskoće uzvojnice, DNKDNA je teško detektirati elektronskim mikroskopom, osim pri jačem bojenju. Nasuprot tomu, duljina lanaca u ljudskim kromosomima prosječno iznosi 2 metra. Prema tome, stanica mora spakirati DNKDNA da bi stala nju. To je jedna od funkcija kromosoma koji sadrže okruglaste proteine zvane histoni oko kojih se mota DNKDNA.

Kada se DNKDNA nalazi u otopini, podvrgnuta je komformacijskim kolebanjima zbog energije koja se nalazi u samoj otopini. Zbog entropijskih razloga, savitljiva stanja su termički pogodnija od rastegnutih stanja. Zato se DNKDNA rasteže slično gumenoj traci. Koristeći optička kliješta, entropijsko rastezanje DNK-aDNA je analizirano iz perspektive fizike polimera i utvrđeno je da se DNK ponaša kao [[Kratky-Porodov crvoliki lanac]], model s duljinom postojanosti od oko 53 nm.

DNKDNA se zatim podvrgava rastezanju faznog prijelaza pri sili od 65 pN. Pri višim vrijednostima sile, DNKDNA poprima oblik koji je pretpostavio [[Linus Pauling]] tako da se fosfati nalaze u sredini, a baze su okrenute prema van. Ta predložena struktura se naziva P-oblik DNK-aDNA u čast Paulingu.

Zavojnica DNK-aDNA može poprimiti geometrijski tri različita oblika od kojih su B oblik opisali James D. Watson i Francis Crick i za koji se smatra da je dominantan u stanicama. Takav DNKDNA je širok 2 nanometra, a duljina 10 parova baza (10 bp) po sekvenci je 3,4 nm. To je također prosječna duljina sekvence pri kojoj dvostruka zavojnica napravi potpuni zavoj oko osi. Frekvencija zavoja ovisi o silama koje svaka baza vrši na susjednu bazu u lancu.

B oblik zavojnice DNK-aDNA se zakreće 360° po 10 bp u odsutnosti naprezanja. Ali mnogi molekularni biološki procesi mogu izazvati to naprezanje. To će rezutirati prevelikim ili premalim zavojima, tj. kao pozitivno ili negativno superzavijanje. DNKDNA je in vivo tipično negativno superzavijena, što ubrzava odmotavanje dvostrukog heliksa za transkripciju.

[[Riboza]] je u C-3’ endo, dok su deoksiriboze u C-2’endo konformaciji. A i B oblici se uglavnom razlikuju po svojim šećernim oblicima. U A obliku, C3’ konfiguracija je iznad prstena šećera dok je kod C2’ konfiguracije ispod. Tako se A oblik opisuje kao C-3’ endo. Isto tako, u B obliku C2’ konfiguracija je iznad prstena šećera, a C3’ ispod pa se naziva C-2’ endo. Drugačije nabiranje A-DNKDNA rezultira skraćenjem udaljenosti između susjednih fosfata za 1 [[Ångstrom]]. To daje 11 ili 12 parova baza u zavoju DNKDNA lanca, umjesto 10,5 u B-DNKDNA. Šećerni nabor daje DNKDNA-u jednoliki oblik vrpce s cilindrično otvorenim središtem i skučenijim, izraženim dubljim glavnim utorom nego što su utori u B-DNKDNA.

Dva ostala poznata geometrijska oblika (A i Z) razlikuju se po svojoj [[geometrija|geometriji]] i dimenzijama. A oblik se nalazi samo u [[dehidracija|dehidriranim]] uzorcima DNK-a, kao što su oni koji se nalaze u kristalografskim eksperimentima, te u hibridno sparenim DNKDNA- i [[RNK|RNA]]- lancima. Segmenti DNK-a koje je stanica metilirala u regulacijske svrhe pripadaju Z geometrijskom obliku u kojem se lanci okreću oko osi zavojnice kao zrcalna slika B oblika.