Deoxyribonucleic acid - DNA - berfungsi sebagai pembawa informasi turun-temurun yang ditransmisikan oleh organisme hidup ke generasi berikutnya, dan matriks untuk konstruksi protein dan berbagai faktor pengatur yang diperlukan oleh tubuh dalam proses pertumbuhan dan kehidupan. Pada artikel ini, kita akan fokus pada apa saja bentuk paling umum dari struktur DNA. Kami juga akan memperhatikan bagaimana bentuk-bentuk ini dibangun dan dalam bentuk apa DNA berada di dalam sel hidup.
Tingkat organisasi molekul DNA
Ada empat tingkatan yang menentukan struktur dan morfologi molekul raksasa ini:
- Tingkat primer, atau struktur, adalah urutan nukleotida dalam rantai.
- Struktur sekundernya adalah "heliks ganda" yang terkenal. Frasa inilah yang telah menetap, meskipun sebenarnya struktur seperti itu menyerupai sekrup.
- Struktur tersier terbentuk karena fakta bahwa ikatan hidrogen yang lemah muncul di antara bagian-bagian individu dari untaian terpilin untai ganda DNA,memberikan molekul konformasi spasial yang kompleks.
- Struktur kuaterner sudah merupakan kompleks DNA yang kompleks dengan beberapa protein dan RNA. Dalam konfigurasi ini, DNA dikemas ke dalam kromosom di dalam inti sel.
Struktur Utama: Komponen DNA
Blok dari mana makromolekul asam deoksiribonukleat dibangun adalah nukleotida, yang merupakan senyawa, yang masing-masing meliputi:
- basa nitrogen - adenin, guanin, timin atau sitosin. Adenin dan guanin termasuk golongan basa purin, sitosin dan timin termasuk golongan pirimidin;
- deoksiribosa monosakarida lima karbon;
- Residu asam ortofosfat.
Dalam pembentukan rantai polinukleotida, peran penting dimainkan oleh urutan gugus yang dibentuk oleh atom karbon dalam molekul gula melingkar. Residu fosfat dalam nukleotida terhubung ke gugus 5' (baca "lima bilangan prima") dari deoksiribosa, yaitu ke atom karbon kelima. Perpanjangan rantai terjadi dengan menempelkan residu fosfat dari nukleotida berikutnya ke gugus 3' deoksiribosa bebas.
Dengan demikian, struktur primer DNA berupa rantai polinukleotida memiliki ujung 3'- dan 5'. Sifat molekul DNA ini disebut polaritas: sintesis rantai hanya dapat berlangsung dalam satu arah.
Pembentukan struktur sekunder
Langkah selanjutnya dalam organisasi struktural DNA didasarkan pada prinsip komplementaritas basa nitrogen - kemampuan mereka untuk terhubung berpasangan satu sama lainmelalui ikatan hidrogen. Saling melengkapi - korespondensi timbal balik - terjadi karena adenin dan timin membentuk ikatan rangkap, dan guanin dan sitosin membentuk ikatan rangkap tiga. Oleh karena itu, ketika membentuk rantai ganda, basa ini berdiri berlawanan satu sama lain, membentuk pasangan yang sesuai.
Sekuens polinukleotida terletak pada struktur sekunder antiparalel. Jadi, jika salah satu rantai terlihat seperti 3' - AGGZATAA - 5', maka kebalikannya akan terlihat seperti ini: 3' - TTATGTST - 5'.
Ketika sebuah molekul DNA terbentuk, rantai polinukleotida ganda dipelintir, dan konsentrasi garam, saturasi air, dan struktur makromolekul itu sendiri menentukan bentuk apa yang dapat diambil DNA pada langkah struktural tertentu. Beberapa bentuk seperti itu diketahui, dilambangkan dengan huruf Latin A, B, C, D, E, Z.
Konfigurasi C, D dan E tidak ditemukan di alam liar dan hanya diamati dalam kondisi laboratorium. Kita akan melihat bentuk utama DNA: yang disebut kanonik A dan B, serta konfigurasi Z.
A-DNA adalah molekul kering
A-bentuk adalah sekrup tangan kanan dengan 11 pasangan basa komplementer di setiap putaran. Diameternya 2,3 nm, dan panjang satu putaran spiral adalah 2,5 nm. Bidang yang dibentuk oleh basa berpasangan memiliki kemiringan 20° terhadap sumbu molekul. Nukleotida tetangga tersusun kompak dalam rantai - hanya ada 0,23 nm di antara mereka.
Bentuk DNA ini terjadi dengan hidrasi rendah dan dengan peningkatan konsentrasi ion natrium dan kalium. Ini khas untukproses di mana DNA membentuk kompleks dengan RNA, karena yang terakhir tidak dapat mengambil bentuk lain. Selain itu, bentuk-A sangat tahan terhadap radiasi ultraviolet. Dalam konfigurasi ini, asam deoksiribonukleat ditemukan dalam spora jamur.
B-DNA Basah
Dengan kandungan garam yang rendah dan tingkat hidrasi yang tinggi, yaitu, dalam kondisi fisiologis normal, DNA mengambil bentuk utamanya B. Molekul alami biasanya ada dalam bentuk B. Dialah yang mendasari model klasik Watson-Crick dan paling sering digambarkan dalam ilustrasi.
Bentuk ini (juga tangan kanan) dicirikan oleh penempatan nukleotida yang kurang kompak (0,33 nm) dan jarak ulir yang besar (3,3 nm). Satu putaran berisi 10,5 pasangan basa, rotasi masing-masing relatif terhadap yang sebelumnya sekitar 36 °. Bidang pasangan hampir tegak lurus terhadap sumbu "heliks ganda". Diameter rantai ganda seperti itu lebih kecil daripada bentuk-A - hanya mencapai 2 nm.
Z-DNA non-kanonik
Tidak seperti DNA kanonik, molekul tipe-Z adalah sekrup kidal. Ini adalah yang tertipis dari semua, memiliki diameter hanya 1,8 nm. Kumparannya, panjang 4,5 nm, tampak memanjang; bentuk DNA ini mengandung 12 basa berpasangan per putaran. Jarak antara nukleotida yang berdekatan juga cukup besar - 0,38 nm. Jadi bentuk Z memiliki putaran paling sedikit.
Ini terbentuk dari konfigurasi tipe-B di area di mana purindan basa pirimidin, dengan perubahan kandungan ion dalam larutan. Pembentukan Z-DNA dikaitkan dengan aktivitas biologis dan merupakan proses yang sangat singkat. Bentuk ini tidak stabil, yang menciptakan kesulitan dalam mempelajari fungsinya. Sejauh ini, mereka tidak begitu jelas.
Replikasi DNA dan strukturnya
Baik struktur primer dan sekunder DNA muncul selama fenomena yang disebut replikasi - pembentukan dua "heliks ganda" identik dari makromolekul induk. Selama replikasi, molekul asli terlepas, dan basa komplementer terbentuk pada rantai tunggal yang dilepaskan. Karena belahan DNA adalah antiparalel, proses ini berlangsung pada mereka dalam arah yang berbeda: dalam kaitannya dengan rantai induk dari ujung 3' ke ujung 5', yaitu, rantai baru tumbuh ke arah 5' → 3'. Untai utama disintesis terus menerus menuju garpu replikasi; pada untai tertinggal, sintesis dilakukan dari garpu di bagian terpisah (fragmen Okazaki), yang kemudian dijahit bersama oleh enzim khusus, DNA ligase.
Sementara sintesis berlanjut, ujung molekul anak yang sudah terbentuk mengalami puntiran heliks. Kemudian, sebelum replikasi selesai, molekul yang baru lahir mulai membentuk struktur tersier dalam proses yang disebut supercoiling.
Molekul Super Twisted
Bentuk superkoil DNA terjadi ketika molekul beruntai ganda membuat putaran ekstra. Itu bisa searah jarum jam (positif) ataumelawan (dalam hal ini orang berbicara tentang supercoiling negatif). DNA sebagian besar organisme adalah superkoil negatif, yaitu, melawan putaran utama "heliks ganda".
Sebagai hasil dari pembentukan loop tambahan - superkoil - DNA memperoleh konfigurasi spasial yang kompleks. Pada sel eukariotik, proses ini terjadi dengan pembentukan kompleks di mana DNA melingkar negatif di sekitar kompleks protein histon dan mengambil bentuk benang dengan manik-manik nukleosom. Bagian bebas dari utas disebut tautan. Protein non-histone dan senyawa anorganik juga berperan dalam mempertahankan bentuk superkoil molekul DNA. Ini adalah bagaimana kromatin terbentuk - substansi kromosom.
Untaian kromatin dengan manik-manik nukleosom mampu memperumit morfologi lebih lanjut dalam proses yang disebut kondensasi kromatin.
Pemadatan akhir DNA
Dalam nukleus, bentuk makromolekul asam deoksiribonukleat menjadi sangat kompleks, kompaksi dalam beberapa tahap.
- Pertama, filamen digulung menjadi struktur tipe solenoida khusus - fibril kromatin setebal 30 nm. Pada tingkat ini, DNA melipat dan memendekkan panjangnya sebanyak 6-10 kali.
- Selanjutnya, fibril membentuk loop zigzag dengan bantuan protein perancah tertentu, yang telah mengurangi ukuran linier DNA sebanyak 20-30 kali.
- Domain loop padat terbentuk pada tingkat berikutnya, paling sering memiliki bentuk yang secara konvensional disebut "sikat lampu". Mereka menempel pada protein intranuklearmatriks. Ketebalan struktur tersebut sudah 700 nm, sedangkan DNA dipersingkat sekitar 200 kali lipat.
- Tingkat terakhir dari organisasi morfologi adalah kromosom. Domain loop dipadatkan sedemikian rupa sehingga pemendekan total 10.000 kali tercapai. Jika panjang molekul yang diregangkan sekitar 5 cm, maka setelah dikemas ke dalam kromosom berkurang menjadi 5 mikron.
Tingkat komplikasi tertinggi dari bentuk DNA dicapai pada tahap metafase mitosis. Saat itulah ia memperoleh penampilan yang khas - dua kromatid dihubungkan oleh sentromer penyempitan, yang memastikan divergensi kromatid dalam proses pembelahan. DNA interfase diatur ke tingkat domain dan didistribusikan dalam inti sel tanpa urutan tertentu. Jadi, kita melihat bahwa morfologi DNA terkait erat dengan berbagai fase keberadaannya dan mencerminkan ciri-ciri fungsi molekul terpenting bagi kehidupan ini.
