DNA

DNA struktuur

DNA on polümeer, mille elementaarlülideks on desoksüribonukleotiidid (lühidalt ka lihtsalt nukleotiidid). Harilikult koosneb DNA adeniinist (A), guaniinist (G), tsütosiinist (C) ja tümiinist (T). Polümeer on moodustunud sidemetega nukleotiidi fosforhappejääkide ja desoksüribooside 3' süsinikuaatomite vahel. Seega moodustavad fosforhappejäägid ja desoksüriboosid DNA ahela nn. suhkur-fosfaat selgroo, mille küljes paiknevad glükosiidsidemetega erinevad lämmastikalused (vastavalt adeniin, guaniin, tsütosiin ja tümiin). Molekuli otstes paiknevad telomeerid. DNA on elusorganismide suurim makromolekul.
Lämmastikaluste vabad hüdroksüülrühmad, aminorühmad ja hapniku aatomid moodustavad kergesti omavahelisi vesiniksidemeid. Konkreetsete nukleotiidide järjestust üksikus DNA ahelas nimetatakse DNA primaarstruktuuriks (DNA esmane struktuur) . 
Enamasti esineb DNA elusorganismides kahe antiparalleelse omavahel komplementaarse ahela kujul (st kohakuti paiknevad ahelate A ja T ning G ja C nukleotiidid). Sellisel juhul moodustuvad vastavate lämmastikaluste vahele kõige stabiilsemad vesiniksidemete rühmad (toimub Watson-Cricki paardumine), ja DNA ahelad pöörduvad nende vahelise pikitelje ümber kaksikheeliksiks, nii et lämmastikaluste paarid jäävad heeliksi sisemusse (seda nimetatakse DNA sekundaarstruktuuriks). Kaksikheeliksit stabiliseerivad omavahel komplanaarselt paiknevate lämmastikaluste vahelised elektrostaatilised jõud (nn stacking efekt) ja fosfaatrühmadega ioonilisi sidemeid moodustavad katioonid (nt Mg²⁺). Kuna igas nukleotiidis on kuus üksiksidet, mille ümber võib toimuda molekuli osade pöörlemine, esineb DNA (olenevalt keskkonnatingimustest ja nukleotiidsest koostisest) mitme strukturaalse isomeerina. Kuna DNA molekul on polaarne (fosfaatrühmade negatiivsete laengutega hapnikud) siis lahustub ta hästi vees.
Elusorganismides esineval DNA struktuuril on suur bioloogiline tähtsus. Kuna DNA primaarstruktuuris võivad nukleotiidid paikneda suvalises järjestuses, võimaldab DNA nende järjestuste kaudu talletada bioloogilist informatsiooni (seda võimaldab ka RNA, kuid DNA on oma suurema keemilise stabiilsuse tõttu pikaajalisemaks info säilitamiseks märksa sobivam ühend). Kuna DNA koosneb peamiselt nelja sorti nukleotiididest (A,T,C,G), võib n nukleotiidi pikkune DNA molekul esineda 4ⁿ erinevas järjestuses (põhjalikumalt vt geneetiline kood). Väga oluline on ka DNA komplementaarne kaksikahelalisus. See võimaldab DNA replikatsioonil sünteesida mõlemale ahelale uue, teise ahelaga identse ahela (semikonservatiivne replikatsioon). Ka on kaksikahelalises DNAs kogu info säilitatud "kahe eksemplarina", mis võimaldab avastada ning parandada ühes ahelas esinevaid vigu (vt DNA reparatsioon).

Strukturaalsed isomeerid

DNA struktuursed isomeerid erinevad üksteisest nii mitmikahela mõõtmete, ahelate arvu, heeliksi pöördumise suuna, kui ka osade täpsema asetuse poolest. Ka ühe ja sama isomeerse vormi puhul esineb erinevusi tulenevalt nukleotiidse järjestuse erinevustest. Peamised erinevused on suhkur-fosfaat-selgroo kujus, aluspaaride nurgas DNA pikitelje suhtes ja lämmastikalust desoksüriboosiga ühendava glükosiidsideme asendis (anti-isomeer või sün-isomeer). Vastavalt erinevad ka DNA heeliksi ahelate vahel paiknevate suure vao ja väikese vao suurus ja kuju.

B-DNA

DNA B-struktuur on looduses levinuim, esinedes valdavana madala katioonide kontsentratsiooniga või puhastes vesilahustes (sh elusrakkudes). B-DNA on kaksikahelaline, paremakäeline heeliks. Iga nukleotiid on talle järgneva nukleotiidi suhtes keskmiselt 35° pööratud (varieerub sõltuvalt nukleotiidsest järjestusest 28°–42°), mistõttu ahel teeb täispöörde ligikaudu iga 10 nukleotiidi järel. Suhkur-fosfaat selgroog on suhteliselt sirge (ilma teravate nurkadeta) ja kaksikahela läbimõõt on ~19 Å. Aluspaarid heeliksi keskel on ahela pikiteljega peaaegu risti (89° nurga all), neid hoidvad glükosiidsidemed on anti-asendis. Suur vagu on lai ja lame, mistõttu ahela keskel paiknevad aluspaarid on sealt väliskeskkonnale eksponeeritud. Suure vao kaudu toimub DNA interaktsioon mitmesuguste järjestus-spetsiifiliste ensüümide ja transkriptsioonifaktoritega. Väike vagu on kitsas ja sügav.

DNA B-vormile on väga lähedane ka nn DNA C-vorm (9,5 nukleotiidi täispöörde kohta; mitte segi ajada c-DNAga!).

A-DNA

DNA A-vorm esineb DNA suhteliselt kontsentreeritud lahustes (70% ja enam), samuti oletatakse tema esinemist teatud (sageli bioloogiliselt oluliste) DNA järjestuste juures (vt nt TATA-box). Ka A-struktuur on parempoolne kaheahelaline heeliks, kuid aluspaarid on ahelate kesktelje suhtes kaldu 71° nurga all, ahel on veidi laiem (pöörang aluspaari kohta ~36°, 11 nukleotiidi täispöörde kohta, ahela läbimõõt 23 Å). A-struktuuri omapärad on tingitud veemolekulide väiksemast mõjust, mis tingib desoksüriboosi 2' süsiniku kalde furanoosrõngast väljapoole (endo-vorm). Väike vagu on suhteliselt lai ning suur vagu suhteliselt kitsas ja sügav (meenutades seega RNA tavalist struktuuri; A-vormis on ka ühest DNA ja ühest RNA ahelast koosnev hübriidheeliks). Sellises vormis DNAs on lämmastikalused sügavamal heeliksi sisemuses, ning seega paremini kaitstud, kuid ka kättesaamatumad ensüümidele.

Z-DNA

Z-DNA esineb nagu B-DNA'gi madalakontsentratsioonilistes lahustes, ka rakkudes. Talle on iseloomulik lämmastikaluseid hoidva glükosiidsideme vahelduv sün-asend ja anti-asend ning suhkur-fosfaat-selgroo nurgeline kuju, mis tingivad vasakukäelise heeliksi tekke. Kahe vao asemel esineb kaksikahela pinnal vaid üks korrapäratu väga lai vagu, mis seal paiknevate fosfaatrühmade tõttu on negatiivse laenguga. Heeliksi sisemuses paiknevad aluspaarid on väga tugevasti kaldes (61°). Pööre aluspaari kohta on ~30°, mistõttu täispööre toimub iga ~12 nukleotiidi järel. DNA Z-vorm esineb teatud iseloomulike nukleotiidijärjestuste juures, kus ühes ahelas paiknevad vaheldumisi puriin- ja pürimidiinalused. Samuti soodustavad Z-vormi teket C5' metüül-tsütosiinide esinemine ahelas. Eukarüootsetes kromosoomides leidub Z-DNAd peamiselt otstes. Kaksikheeliksi läbimõõt ~18 Å.

Üksikahelaline DNA

Üksikahelaline DNA (kasutatakse ka lühendit ssDNA, inglise keeles single-stranded DNA) esineb looduslikult mitmetes viirustes, samuti paljude molekulaarbioloogiliste protsesside (transkriptsioon, replikatsioon) käigus. Ka igasugune kaksikahelaline DNA denatureerub temperatuuri tõustes üksikahelalisteks DNA-deks, konkreetne temperatuur, millal see toimub oleneb GC – AT paaride sageduste suhtest (G-C paari hoiab koos kolm vesiniksidet, mistõttu ta on stabiilsem, A-T paar kahe sidemega labiilsem) (seda nimetatakse ka DNA sulamiseks, vastavat temperatuuri DNA sulamistemperatuuriks Tₘ). Üksikahelaline DNA tekib ka teatud vesiniksidemeid moodustavate ainete (näiteks karbamiid) lahustes. Puhtas vees moodustab üksikahelaline DNA iseenda komplementaarsete piirkondadega nn juuksenõelastruktuure, kuid juba lahjas katioone sisaldavas lahuses (0,01M) need kaovad.

Kolmikahelaline DNA

Kolmikahelaline DNA on haruldane ja looduslikult peaaegu ei esine. Kolmikahel moodustub tavalisest kaksikahelalise (enamasti B-vormis) DNAst, mis koosneb peaaegu ainult puriin-nukleotiididest või ainult pürimidiin-nukleotiididest, kolmanda komplementaarse üksikahela lisamisel. Kolmas ahel siseneb DNA suurde vakku ning moodustab seal kaksikahelalise DNA lämmastikalustega Hoogsteen-paare (õigem oleks küll öelda triplette). Kolmikahela teket kasutatakse ära geeniteraapias.

DNA topoloogia

DNA topoloogia uurib DNA molekuli kuju ja sellega toimuvate protsesside seaduspärasusi. DNA molekul (nii üksik, kui mitmikahelaline) võib esineda lineaarsel kujul (vabade otstega), või tsirkulaarsel kujul (otsad on omavahel ühendatud ja molekul on rõngakujuline). Replikatsiooni vigade korral esineb olukordi, kus kaks DNA tsirkulaarset molekuli üksteist läbivad (nagu keti lülid, selliseid nimetatakse konkatemeerunud molekulideks). Nagu igasugust kahest üksteise ümberpõimunud ahelast struktuuri, võib ka tsirkulaarset DNAd "üle keerates" (st loomulikust keerdude arvust ahelale rohkem keerde andes, ning seejärel ahela otsi ühendades) viia superhelikaalsesse olekusse (st heeliks keerdub omakorda heeliksisse). Viimane olukord on loodudes laialt levinud (näiteks plasmiidide puhul, vt ka metafaasi kromosoomid). Omapärane DNA struktuur, kus ühe kaksikheeliksi üksikahel läheb üle teise kaksikheeliksi ahelaks esineb meioosi käigus (vt ristsiire). Kuna DNA molekul on väga pikk (kõige suurem makromolekul organismis) ja peab mahtuma sellega võrreldes väga väikese ruumalaga raku tuuma sisse, siis paratamatult tekib replikatsioonil ja transkriptsioonil olukordi, kus molekuli ahelad keerduvad liialt või lähevad sõlme. Selle olukorra lahendavad kõikide organismide rakkude tuumades paiknevad kahte tüüpi ensüümid, mille nimetuseks on topoisomeraas. Need ensüümid "lõikavad" DNA ahela sõlme kohast läbi ja ühendavad ahelad uuesti teiselt poolt, nii et sõlm kaob. Rakus, kus topoisomeraasi töö on häiritud, läheb DNA ahel replikatsioonil lootusetult sassi ja rakk hukkub. Sellepärast ongi mitmete ravimite sihtmärgiks rakutuuma topoisomeraasi töö mõjutamine. Nii võideldakse näiteks kahjulike bakterite vastu.

Ebatavalised nukleosiidid DNAs

Kuigi suur osa DNAst koosneb klassikalisest neljast nukleosiidist tsütidiinist, guanosiinist, adenosiinist ja tümidiinist, esineb kõikides organismides ka ebatavalisi nukleosiide. Mõnede bakteriofaagide DNA sisaldab tsütosiini asemel 5-hüdroksümetüültsütosiini. Muudes organismides on tavalised veel 5-metüültsütosiin, 1-metüüluratsiil, 2-metüüladeniin, N-6-metüüladeniin, 3-metüülguaniin, N-2-metüülguaniin jt; enamasti on neil ka mingi bioloogiline funktsioon. Looduslikus DNAs esineb väike osa (~0,1%) lämmastikaluseid iminovormis aminorühmadega või enoolvormis ketorühmadega (vt keto-enoolne tasakaal). See tingib mitte-Watson-Crick paardumise esinemise (nt A*-C), mis on üheks mutatsioonide allikaks.

Keemilised omadused

DNA on vesilahustes enamasti dissotseerunud fosforhappejääkidega ning moodustab katioonidega kergesti sooli. Madalamatel temperatuuridel on DNA suhteliselt stabiilne, kõrgematel temperatuuridel laguneb (täpne lagunemistemperatuur oleneb näiteks keskkonna pH-st, happelises keskkonnas hüdrolüüsuvad lämmastikaluste ja desoksüribooside vahelised glükosiidsidemed). DNA lämmastikalused on reaktsioonivõimelised mitmesuguste elektrofiilsete reagentidega (see on samuti oluline mutatsioonide allikas).

Bioloogilised funktsioonid

Tulenevalt DNA kesksest bioloogilisest tähtsusest, esinevad elusorganismides keerulised DNA säilitamise, parandamise, muutmise ja tootmisega seotud mehhanismid. DNA koostisosade biokeemia kohta vt nukleotiidide ainevahetus. DNA süntees toimub tavaliselt replikatsiooni teel, mida viib läbi DNA polümeraas. DNA lagundamine toimub nukleaaside abil (vt endonukleaas, eksonukleaas, restriktaas, apoptoos). DNA keemilise muutmise kohta vt DNA modifitseerimine. DNA sekundaarstruktuuri muutvad ensüümid on DNA ligaasid, helikaasid, güraasid.