DNA

Desoksüribonukleiinhape ehk DNA (inglise keeles deoxyribonucleic acid; varem kasutati eesti keeles ka lühendit DNH) on enamikus elusorganismides pärilikku informatsiooni säilitav aine, keemiliselt desoksüriboosist, lämmastikalustest ja fosforhappe jääkidest koosnev polümeer. Puhas DNA on happeline, toatemperatuuril tahke, suhteliselt pehme, värvitu või õrnalt violetja varjundiga, vees hästi lahustuv makromolekul.

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 antiasendis. 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' metüültsütosiinide 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 dissotsieerunud 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.

Replikatsioon

DNA replikatsioon on matriitssüntees, mille tulemusena saadakse ühest DNA molekulist kaks ühesuguse nukleotiidse järjestusega koopiat. See protsess leiab aset kõikides elusorganismides ning on aluseks bioloogilisele põlvnemisele. Mõlemad ahelad algsest kaheahelalisest DNA molekulist töötavad komplementaarse ahela sünteesil matriitsina. Rakuline vigade korrigeerimine (proofreading aktiivsus) ning teised veaparandusmehhanismid kindlustavad replikatsiooni võimalikult suure täpsuse.

DNA replikatsioon toimub kõikides rakkudes semikonservatiivse mehhanismi alusel: iga uus DNA kaksikahel koosneb ühest originaalahelast ja ühest uuest ahelast.

Raku DNA replikatsioon algab spetsiifilistelt genoomi lõikudelt, mida kutsutakse originideks. DNA ahelate lahtikeerdumine origini kohalt ning uute ahelate süntees tekitavad aktiivse struktuuri, mida nimetatakse replikatsioonikahvliks. DNA polümeraas on ensüüm, mis sünteesib uut DNAd, lisades sünteesitavale ahelale nukleotiide, mis vastavad (komplementaarsuse alusel) algahelale. Lisaks DNA polümeraasile on replikatsioonikahvliga seotud veel palju teisi valke, mis aitavad kaasa DNA sünteesi alustamisele ning kulgemisele.

DNA replikatsiooni saab läbi viia ka in vitro (kunstlikult, rakuväliselt). Selleks kasutatakse rakkudest eraldatud DNA polümeraase ning kunstlikke DNA praimereid, mis algatavad DNA sünteesi algahela teatud lõikudel. Polümeraasi ahelreaktsioon (PCR) on kunstlikul sünteesil kasutatav tehnika. See toimub tsükliliselt ning on vajalik kindla märklaud-DNA paljundamiseks.

Kahjustused ja nende parandamine

DNA kahjustused tekivad nii organismi normaalse elutegevuse käigus kui ka väliste keskkonnategurite mõjul. Neist esimesi tekitavad põhiliselt reaktiivsed hapniku- ja alküülivad ühendid ning vähemal määral ka spontaanne lämmastikaluste eemaldamine ja deamineerimine. Väliskeskkonna mõjul tekkinud ehk eksogeenseid DNA kahjustusi põhjustavad näiteks ultraviolettkiirgus, ioniseeriv kiirgus ja keskkonnas leiduvad kemikaalid. Selliste ohtudega tegelemiseks ja DNA stabiilsuse kindlustamiseks on organismidel välja kujunenud mitmeid kahjustuste vältimise ja parandamise süsteeme.

Protsessi, mille käigus elimineeritakse DNA-s eri põhjustel tekkinud kahjustusi, nimetatakse DNA reparatsiooniks. Selleks on näiteks DNA polümeraasil 3'–5' eksonukleaasne aktiivsus ehk proofreading aktiivsus, mille abil eemaldada DNA replikatsioonil tekkinud valepaardumisi. Lisaks on rakkudes mitmeid täiendavaid mehhanisme vigadega võitlemiseks: aluse väljalõike reparatsioon (base excision repair), paardumisvigade reparatsioonisüsteem (mismatch repair), nukleotiidi väljalõike reparatsioon (nucleotide excision repair), jt.

Kuid häireid võib esineda ka DNA reparatsioonisüsteemide tasemel, näiteks saab rakutuuma DNA ööpäevas kümneid tuhandeid oksükahjustusi ja võib seega kaasa tuua tuhandeid potentsiaalseid võimalusi kasvajate tekkeks.

Transkriptsioon

Transkriptsioon on matriitssüntees, mille käigus sünteesitakse DNA molekuli ühe ahela nukleotiidse järjestusega komplementaarne RNA molekul. Transkriptsioon on esimene samm geenide avaldumisel ja üheks geeniregulatsiooni tasemeks. Kui DNA lõik, mida transkribeeritakse, kodeerib valku, on transkriptsiooni tulemuseks informatsiooni-RNA (inglise k messenger RNA) ehk mRNA, mille pealt on võimalik valgusüntees. Ribosoom kodeerib transkriptsiooni käigus loodud mRNA aminohappeks või polüpeptiidiks, mis hiljem voltub aktiivseks valguks. mRNA pealt valgu sünteesimist tuntakse translatsiooni nime all.

Transkriptsioon toimub eukarüootidel rakutuumas interfaasi ajal. Seda viib läbi ensüüm RNA polümeraas, mis peab transkriptsiooni alustamiseks seostuma vastava geeni algusosaga, mida nimetatakse promootoriks. Transkriptsiooni käigus keeratakse DNA biheeliks järk-järgult lahti ning sünteesitakse ühe ahela teatava lõiguga komplementaarne RNA molekul. RNA süntees lõpeb, kui polümeraas jõuab DNA piirkonnani, mida nimetatakse terminaatoriks (geeni lõpp). Seal eraldub ensüüm DNA molekulist, misjärel taastub DNA endine kaksikspiraalne kuju ning sünteesitud RNA liigub läbi tuumamembraani pooride tsütoplasmasse. Prokarüootidel toimub transkriptsioon tsütoplasmas, sest neil rakutuuma ei ole.

Vaata ka

Genoom
RNA
Nukleiinhapped
DNA metülatsioon
DNA modifitseerimine
DNA tüpiseerimine
DNA-mikrokiiptehnoloogia
DNA-põhine nanobioelektroonika
DNA-viirused
Geneetiline kood
Mitokondriaalne DNA (mtDNA)
Mutatsioon
PCR
DNA sekveneerimine
Rakuvaba DNA
DNA polümeraasid

Viited

Välislingid

Citizendiumi artikkel
"Pärilikkusaine DNA eristab meid teistest ja üksteisest" Horisont, 5/2007
"Rämps-DNA ei pruugi olla rämps" Horisont, 23. veebruar 2009
"DNA aluste arv tõusis kaheksani" Novaator, 26. juuli 2011
"Rämps-DNAd pole olemas?" Novaator, 7. september 2012
 Ingliskeelne video DNA topoloogiast

 DNA lagundamine
 Kohki Kawane, Kou Motani, ja Shigekazu Nagata, DNA Degradation and Its Defects, 2014, Cold Spring Harbor Laboratory Press, doi: 10.1101/cshperspect.a016394