חומצה Deoxyribonucleic - DNA - משמשת כנשא של מידע תורשתי המועבר על ידי אורגניזמים חיים לדורות הבאים, ומטריצה לבניית חלבונים וגורמי ויסות שונים הנדרשים לגוף בתהליכי הגדילה והחיים. במאמר זה נתמקד מהן הצורות הנפוצות ביותר של מבנה DNA. נשים לב גם לאופן שבו צורות אלו בנויות ובאיזה צורה נמצא ה-DNA בתוך תא חי.
רמות הארגון של מולקולת ה-DNA
ישנן ארבע רמות שקובעות את המבנה והמורפולוגיה של מולקולה ענקית זו:
- הרמה הראשונית, או המבנה, היא סדר הנוקלאוטידים בשרשרת.
- המבנה המשני הוא ה"סליל הכפול" המפורסם. הביטוי הזה הוא שהתיישב, אם כי למעשה מבנה כזה דומה לבורג.
- המבנה השלישוני נוצר בשל העובדה שקשרי מימן חלשים נוצרים בין חלקים בודדים של גדיל הדנ"א המעוות הדו-גדילי,נותן למולקולה מבנה מרחבי מורכב.
- המבנה הרבעוני הוא כבר קומפלקס מורכב של DNA עם כמה חלבונים ו-RNA. בתצורה זו, ה-DNA ארוז בכרומוזומים בגרעין התא.
מבנה ראשי: רכיבי DNA
הבלוקים שמהם בנויה המקרומולקולה של חומצה דאוקסיריבונוקלאית הם נוקלאוטידים שהם תרכובות שכל אחד מהם כולל:
- בסיס חנקן - אדנין, גואנין, תימין או ציטוזין. אדנין וגואנין שייכים לקבוצת בסיסי הפורין, ציטוזין ותימין שייכים לפירימידין;
- דיאוקסיריבוז מונוסכריד עם חמישה פחמנים;
- שאריות חומצה אורתופוספורית.
ביצירת שרשרת פולינוקלאוטידים, תפקיד חשוב ממלא סדר הקבוצות שנוצרות על ידי אטומי פחמן במולקולת סוכר עגולה. שארית הפוספט בנוקלאוטיד מחוברת לקבוצת 5' (קראו "חמישה ראשוניים") של דאוקסיריבוז, כלומר לאטום הפחמן החמישי. הארכת שרשרת מתרחשת על ידי הצמדת שארית פוספט של הנוקלאוטיד הבא לקבוצת ה-3' החופשית של deoxyribose.
לכן, למבנה הראשוני של DNA בצורה של שרשרת פולינוקלאוטידים יש קצוות 3' ו-5'. תכונה זו של מולקולת ה-DNA נקראת קוטביות: הסינתזה של שרשרת יכולה ללכת רק בכיוון אחד.
מבנה מבנה משני
השלב הבא בארגון המבני של ה-DNA מבוסס על עקרון ההשלמה של הבסיסים החנקניים - היכולת שלהם להתחבר בזוגות זה עם זהדרך קשרי מימן. השלמה - התכתבות הדדית - מתרחשת מכיוון שאדנין ותימין יוצרים קשר כפול, וגואנין וציטוזין יוצרים קשר משולש. לכן, כאשר יוצרים שרשרת כפולה, הבסיסים הללו עומדים זה מול זה, ויוצרים את הזוגות המתאימים.
רצפי פולינוקלאוטידים ממוקמים במבנה המשני אנטי מקביל. לכן, אם אחת מהרשתות נראית כמו 3' - AGGZATAA - 5', אז ההפך ייראה כך: 3' - TTATGTST - 5'.
כאשר נוצרת מולקולת DNA, שרשרת הפולינוקלאוטידים הכפולה מתפתלת, וריכוז המלחים, ריווי המים והמבנה של המקרומולקולה עצמה קובעים אילו צורות DNA יכול לקבל בשלב מבני נתון. ידועות כמה צורות כאלה, המסומנות באותיות לטיניות A, B, C, D, E, Z.
תצורות C, D ו-E אינן נמצאות בחיות בר ונצפו רק בתנאי מעבדה. נסתכל על הצורות העיקריות של ה-DNA: מה שנקרא קנוני A ו-B, כמו גם תצורת Z.
A-DNA היא מולקולה יבשה
A-shape הוא בורג ימני עם 11 זוגות בסיס משלימים בכל סיבוב. הקוטר שלו הוא 2.3 ננומטר, ואורך סיבוב אחד של הספירלה הוא 2.5 ננומטר. למישורים שנוצרו על ידי הבסיסים הזוגיים יש שיפוע של 20° ביחס לציר המולקולה. נוקלאוטידים שכנים מסודרים בצורה קומפקטית בשרשראות - יש רק 0.23 ננומטר ביניהם.
צורת DNA זו מתרחשת עם הידרציה נמוכה ועם ריכוז יוני מוגבר של נתרן ואשלגן. זה אופייני לתהליכים שבהם ה-DNA יוצר קומפלקס עם RNA, שכן האחרון אינו מסוגל ללבוש צורות אחרות. בנוסף, צורת A עמידה מאוד לקרינה אולטרה סגולה. בתצורה זו, חומצה דאוקסיריבונוקלאית נמצאת בנבגי פטריות.
Wet B-DNA
עם תכולת מלח נמוכה ורמת הידרציה גבוהה, כלומר בתנאים פיזיולוגיים רגילים, ה-DNA מקבל את צורתו העיקרית B. מולקולות טבעיות קיימות, ככלל, בצורת B. היא זו שעומדת בבסיס המודל הקלאסי של ווטסון-קריק והיא מתוארת לרוב באיורים.
צורה זו (היא גם ימנית) מאופיינת במיקום פחות קומפקטי של נוקלאוטידים (0.33 ננומטר) וגובה בורג גדול (3.3 ננומטר). סיבוב אחד מכיל 10.5 זוגות בסיסים, הסיבוב של כל אחד מהם ביחס לקודם הוא כ-36 מעלות. מישורי הזוגות כמעט מאונכים לציר ה"סליל הכפול". הקוטר של שרשרת כפולה כזו קטן מזה של צורת A - הוא מגיע ל-2 ננומטר בלבד.
Z-DNA לא קנוני
בניגוד ל-DNA קנוני, המולקולה מסוג Z היא בורג שמאלי. הוא הדק מכולם, בעל קוטר של 1.8 ננומטר בלבד. נדמה שהסלילים שלו, באורך 4.5 ננומטר, מוארכים; צורה זו של DNA מכילה 12 בסיסים מזווגים בכל סיבוב. המרחק בין נוקלאוטידים סמוכים הוא גם די גדול - 0.38 ננומטר. אז לצורת Z יש את הטוויסט הכי פחות.
זה נוצר מתצורה מסוג B באותם אזורים שבהם פוריןובסיסי פירמידין, עם שינוי בתכולת היונים בתמיסה. היווצרות Z-DNA קשורה לפעילות ביולוגית והיא תהליך קצר טווח מאוד. צורה זו אינה יציבה, מה שיוצר קשיים בלימוד תפקודיה. עד כה, הם לא ממש ברורים.
שכפול ה-DNA והמבנה שלו
גם המבנים הראשוניים והמשניים של ה-DNA מתעוררים במהלך תופעה הנקראת שכפול - היווצרות של שני "סלילים כפולים" זהים ממקרומולקולת האם. במהלך השכפול, המולקולה המקורית מתפרקת, ובסיסים משלימים מצטברים על השרשראות הבודדות המשוחררות. מכיוון שחצאי ה-DNA הם אנטי-מקבילים, תהליך זה ממשיך עליהם בכיוונים שונים: ביחס לשרשראות האב מקצה 3' לקצה 5', כלומר, שרשראות חדשות צומחות בכיוון 5' → 3'. הגדיל המוביל מסונתז ברציפות לעבר מזלג השכפול; על הגדיל המשכי, סינתזה מתבצעת מהמזלג במקטעים נפרדים (שברי אוקאזאקי), אשר נתפרים יחדיו על ידי אנזים מיוחד, DNA ligase.
בזמן שהסינתזה נמשכת, הקצוות שכבר נוצרו של מולקולות הבת עוברים פיתול סליל. לאחר מכן, לפני השלמת השכפול, מולקולות היילוד מתחילות ליצור מבנה שלישוני בתהליך הנקרא supercoiling.
Super Twisted Molecule
צורת ה-Supercoil של DNA מתרחשת כאשר מולקולה דו-גדילית עושה טוויסט נוסף. זה יכול להיות עם כיוון השעון (חיובי) אונגד (במקרה הזה מדברים על סליל-על שלילי). ה-DNA של רוב האורגניזמים מפותל בצורה שלילית, כלומר כנגד הסיבובים העיקריים של "הסליל הכפול".
כתוצאה מהיווצרות לולאות נוספות - סלילי-על - ה-DNA מקבל תצורה מרחבית מורכבת. בתאים איקריוטים, תהליך זה מתרחש עם היווצרות קומפלקסים שבהם ה-DNA מתפתל באופן שלילי סביב מתחמי חלבון היסטון ולוקח צורה של חוט עם חרוזי נוקלאוזום. חלקים חופשיים של החוט נקראים קישורים. חלבונים שאינם היסטונים ותרכובות אנאורגניות גם לוקחים חלק בשמירה על הצורה המפותלת של מולקולת ה-DNA. כך נוצר הכרומטין - החומר של הכרומוזומים.
גדילי כרומטין עם חרוזים נוקלאוזומליים מסוגלים לסבך עוד יותר את המורפולוגיה בתהליך שנקרא עיבוי כרומטין.
הדחסות סופית של DNA
בגרעין, צורתה של מקרומולקולת החומצה הדאוקסיריבונוקלאית הופכת למורכבת ביותר, ונדחסת בכמה שלבים.
- ראשית, החוט מפותל למבנה מיוחד מסוג סולנואיד - סיב כרומטין בעובי 30 ננומטר. ברמה זו, ה-DNA מתקפל ומקצר את אורכו פי 6-10.
- יתרה מכך, הפיבריל יוצר לולאות זיגזג בעזרת חלבוני פיגום ספציפיים, מה שמקטין את הגודל הליניארי של ה-DNA כבר פי 20-30.
- דומיינים של לולאה צפופים נוצרים ברמה הבאה, לרוב בעלי צורה שנקראת בדרך כלל "מברשת מנורה". הם מתחברים לחלבון התוך-גרעינימַטרִיצָה. העובי של מבנים כאלה הוא כבר 700 ננומטר, בעוד שה-DNA מתקצר בערך פי 200.
- הרמה האחרונה של ארגון מורפולוגי היא כרומוזומלית. תחומי הלולאה דחוסים עד כדי כך שמתקבל קיצור כולל של פי 10,000. אם אורך המולקולה המתוחה הוא כ-5 ס"מ, אז לאחר האריזה לכרומוזומים היא פוחתת ל-5 מיקרון.
רמת הסיבוך הגבוהה ביותר של צורת ה-DNA מגיעה במצב של מטאפאזה של מיטוזה. אז הוא מקבל מראה אופייני - שתי כרומטידות המחוברות באמצעות צנטרומר התכווצות, מה שמבטיח את התפצלות הכרומטידות בתהליך החלוקה. DNA בין-פאזי מאורגן עד לרמת התחום ומופץ בגרעין התא ללא סדר מסוים. לפיכך, אנו רואים שהמורפולוגיה של ה-DNA קשורה קשר הדוק לשלבים השונים של קיומו ומשקפת את תכונות התפקוד של מולקולה חשובה זו לכל החיים.
