RNA Tie Club

RNA Tie Club претставува неформална научна група на истакнати молекуларни биолози и генетичари која била формирана во 1954 година со цел да се реши едно од најважните прашања во молекуларната биологија: како информацијата во ДНК се преведува во аминокиселинска секвенца на протеините?

Во тоа време научниците веќе знаеле дека ДНК е носител на генетската информација. Протеините се главните функционални молекули во клетката. Но, не било познато како нуклеотидната секвенца во ДНК ја одредува аминокиселинската секвенца на протеините.

1. Основач на RNA Tie Club

RNA Tie Club бил инициран од познатиот физичар и молекуларен биолог Џорџ Гамов (George Gamow). Тој бил теоретски физичар кој работел на: квантна механика, космологија и молекуларна биологија. Гамов предложил дека генетската информација мора да биде кодирана преку комбинации од нуклеотиди, што подоцна довело до концептот на генетскиот код.

2. Потекло на името „RNA Tie Club“

Името „RNA Tie Club“ било симболично. Секој член на клубот добил вратоврска (tie) со извезени 20 аминокиселини и 4 нуклеотиди. Вратоврската симболизирала поврзување помеѓу нуклеинските киселини и протеините. Клубот имал 20 членови, што симболично ги претставувало 20 аминокиселини кои се користат во протеините.

3. Цели на RNA Tie Club

Главната цел на оваа група била да се објасни механизмот преку кој ДНК ја кодира структурата на протеините. Во средината на XX век ова било едно од најголемите научни прашања во генетиката. Главни проблеми кои ги разгледувале биле: 

• Како нуклеотидите кодираат аминокиселини?
• Колку нуклеотиди се потребни за кодирање на една аминокиселина?
• Дали генетскиот код е преклопувачки или непереклопувачки?
• Дали кодот е универзален?

4. Теоријата за триплетниот код

Еден од најважните придонеси на RNA Tie Club бил развојот на идејата за триплетниот генетски код. Бидејќи постојат 4 нуклеотиди (A, T, G, C), 20 аминокиселини, Гамов предложил дека еден кодон мора да се состои од три нуклеотиди. Математички: 4³ = 64 можни комбинации. Ова е доволно за кодирање на 20 аминокиселини.

Подоцна експериментите на Маршал Ниренберг, Хар Гобинд Корана ја потврдиле оваа теорија.

5. Членови на RNA Tie Club

Меѓу членовите на клубот имало некои од најголемите научници во молекуларната биологија. Некои од нив се: Френсис Крик, Џејмс Вотсон, Сидни Бренер, Лесли Оргел, Александар Рич. Овие научници подоцна одиграле клучна улога во развојот на молекуларната биологија, откривање на генетскиот код, разбирање на синтезата на протеините.

6. Научни идеи развиени во клубот

Во рамките на RNA Tie Club биле дискутирани повеќе важни идеи:

1. Триплетен генетски код: идејата дека три нуклеотиди кодираат една аминокиселина.

2. Непреклопувачки код: кодоните се читаат еден по друг без преклопување.

3. Универзалност на генетскиот код: истите кодони кодираат исти аминокиселини кај повеќето организми.

4. Постоење на посредничка РНК: идејата дека РНК пренесува информација од ДНК до рибозомите.

Ова подоцна довело до откривање на mRNA (информативна RNA).

7. Ограничувања на RNA Tie Club

Иако оваа група дала важни идеи, нивните теории биле претежно теоретски. Решавањето на генетскиот код било постигнато подоцна преку експериментална работа во 1960-тите години. Клучните експерименти биле изведени од Marshall Nirenberg, Heinrich Matthaei, Har Gobind Khorana. Тие покажале дека UUU кодира фенилаланин, што било првото експериментално дешифрирање на генетски кодон.

8. Историско значење

Иако RNA Tie Club не го решиле целосно генетскиот код, нивната работа имала огромно значење.

Тие го поставиле теоретскиот фундамент на генетскиот код, ја насочиле научната заедница кон истражување на механизмот на протеинската синтеза, придонеле за развој на молекуларната генетика.

9. Врска со централната догма на молекуларната биологија

Работата на RNA Tie Club помогнала во формулирањето на концептот познат како централна догма на молекуларната биологија изразена како: ДНК → РНК → Протеин. Овој концепт бил формулиран од Френсис Крик и претставува основен принцип во хуманата генетика.

10. Заклучок

RNA Tie Club претставува значајна историска научна иницијатива која одиграла важна улога во развојот на молекуларната генетиката. Преку теоретски анализи и научни дискусии, членовите на оваа група придонеле кон разбирањето на генетскиот код и механизмот на синтеза на протеините. Иако многу од нивните идеи подоцна биле потврдени експериментално од други научници, нивниот интелектуален придонес бил клучен за развојот на современата хумана генетика.

Транскрипција на ДНК

Транскрипцијата претставува процес на синтеза на РНК молекула врз основа на информацијата содржана во ДНК. Таа е првиот чекор во процесот на експресија на гените, преку кој генетската информација од ДНК се пренесува во информативна РНК (mRNA), која подоцна се користи како матрица за синтеза на протеини во процесот на транслација.

Транскрипцијата е фундаментален процес во молекуларната биологија и хуманата генетика, бидејќи овозможува пренос на генетската информација од геномот до функционалните молекули во клетката.

1. Основни карактеристики на транскрипцијата

Транскрипцијата се одвива во клеточното јадро кај еукариотските клетки, додека кај прокариотите се одвива во цитоплазмата. Главни карактеристики: користи една нишка од ДНК како матрица, синтезата на РНК се одвива во насока 5' → 3', се синтетизира комплементарна РНК секвенца, се одвива под контрола на специфични ензими и регулаторни протеини.

2. РНК полимераза

Главниот ензим кој учествува во транскрипцијата е РНК полимеразата. Нејзината функција е да ја отвори ДНК спиралата, да чита ДНК матрица, да синтетизира нова РНК нишка. Кај еукариотите постојат три главни типови на РНК полимерази.

• RNA полимераза I синтетизира: 28S rRNA, 18S rRNA, 5.8S rRNA. Овие РНК молекули се компоненти на рибозомите.
• RNA полимераза II синтетизира: mRNA, некои snRNA. Ова е најважната полимераза за експресија на гените кои кодираат протеини.
• RNA полимераза III синтетизира: tRNA, 5S rRNA, други мали РНК молекули.

3. ДНК матрица и кодирачка нишка

Во транскрипцијата се користи само една од двете ДНК нишки. Таа се нарекува template strand (матрична нишка). Другата нишка се нарекува кодирачка нишка. mRNA има иста секвенца како кодирачката нишка, освен што урацил (U) го заменува тимин (T).

4. Фази на транскрипцијата

Транскрипцијата се одвива во три главни фази: иницијaција, елонгација и терминација.

5. Иницијaција на транскрипцијата

Иницијaцијата е фазата во која започнува синтезата на РНК. Овој процес започнува во промоторниот регион на генот. Промоторот е специфична ДНК секвенца која го означува почетокот на генот, овозможува врзување на РНК полимеразата. Еден од најважните елементи е TATA box. Оваа секвенца се наоѓа околу 25–30 базни парови пред почетокот на транскрипцијата.

Транскрипциони фактори: кај еукариотите, РНК полимеразата не може сама да се врзе за ДНК. Потребни се транскрипциони фактори. Најважни се: TFIID, TFIIB, TFIIE, TFIIF и TFIIH. Овие протеини формираат преинцијаторен комплекс.

6. Елoнгација

По иницијaцијата започнува елонгацијата, односно продолжување на РНК молекулата. Во оваа фаза РНК полимеразата се движи по ДНК, се додаваат нови рибонуклеотиди, се формира комплементарна РНК нишка. Спарувањето на базите е A – U, T – A, G – C, C – G. ДНК зад ензимот повторно се затвора во двојна спирала.

7. Терминација

Терминацијата е процес на завршување на транскрипцијата. Кај еукариотите, транскрипцијата завршува кога РНК полимеразата ќе достигне специфични сигнални секвенци. mRNA потоа се одвојува од ДНК и се подложува на посттранскрипциски модификации.

8. Посттранскрипциски модификации

Кај еукариотите, новосинтетизираната mRNA се нарекува пре-mRNA. Таа мора да помине низ неколку процеси пред да стане функционална.

5' капа: На 5' крајот на mRNA се додава метилиран гуанозин (5' cap). Функции: заштита од деградација, помага во транспорт од јадро, овозможува препознавање од рибозомите

Поли-А опашка на 3' крајот се додава полиаденилатна опашка (poly-A tail). Оваа опашка содржи 100–250 аденински нуклеотиди. Функции: стабилизација на mRNA, регулирање на животниот век на mRNA, олеснување на транслацијата

Сплајсинг гените кај еукариотите содржат екзони (кодирачки региони), интрони (некодирачки региони). При сплајсинг: интроните се отстрануваат, екзоните се спојуваат. Овој процес се изведува од spliceosome комплекс.

9. Алтернативен сплајсинг

Алтернативниот сплајсинг овозможува еден ген да кодира повеќе различни протеини. Ова значително ја зголемува генетската комплексност. Кај човекот околу 90% од гените подлежат на алтернативен сплајсинг.

10. Регулација на транскрипцијата

Транскрипцијата е строго регулиран процес. Главни регулаторни елементи се: еnhancers, ДНК секвенци кои ја зголемуваат активноста на транскрипцијата. Silencers ДНК региони кои ја намалуваат експресијата на гените. Транскрипциони фактори специфични протеини кои активираат или инхибираат експресија на гените.

11. Транскрипција и генетски заболувања

Нарушувања во транскрипцијата можат да доведат до генетски болести, канцер, развојни нарушувања. Пример: мутации во транскрипциони фактори можат да нарушат нормален развој на органите.

12. Биолошко значење на транскрипцијата

Транскрипцијата има централна улога во функционирањето на клетката. Таа овозможува експресија на гените, контролира клеточна диференцијација, овозможува адаптација на клетката на надворешни сигнали. Различните типови клетки во организмот имаат ист геном, но различна експресија на гените благодарение на регулацијата на транскрипцијата.

13. Заклучок

Транскрипцијата е фундаментален процес во молекуларната биологија и хуманата генетика, преку кој генетската информација од ДНК се пренесува во РНК молекули. Овој процес е строго регулиран и вклучува сложени механизми како иницијaција, елонгација, терминација и посттранскрипциски модификации. Благодарение на транскрипцијата, генетската информација може да се користи за синтеза на протеини и за регулирање на клеточните функции, што е од суштинско значење за растот, развојот и одржувањето на организмот.

Генетски код

Генетскиот код претставува систем на правила според кои информацијата содржана во ДНК се преведува во аминокиселинска секвенца на протеините. Тој претставува основен механизам преку кој генетската информација се трансформира во структурни и функционални протеини, кои се одговорни за биолошките функции на клетката и организмот.

Генетскиот код ја поврзува нуклеотидната секвенца на ДНК или РНК со аминокиселинската секвенца на протеините, и претставува централен елемент во процесот на транслација, односно синтеза на протеини.

1. Основи на генетскиот код

Генетската информација во ДНК е запишана преку редоследот на нуклеотидите. Во ДНК постојат четири различни азотни бази: аденин (A), тимин (T), гванин (G), цитозин (C).

Во РНК тимин е заменет со урацил (U).

Синтезата на протеини се одвива преку посредник – информативна РНК (mRNA), која ја носи информацијата од ДНК до рибозомите.

Генетскиот код функционира преку кодони.

2. Кодон

Кодон претставува секвенца од три нуклеотиди во mRNA, која кодира една аминокиселина. На пример: AUG, GCU, UUU.

Бидејќи постојат четири различни нуклеотиди, комбинацијата од три нуклеотиди дава 4³ = 64 можни кодони. Овие 64 кодони кодираат 20 аминокиселини, старт сигнал, стоп сигнали.

3. Дегенерација на генетскиот код

Генетскиот код е дегенериран, што значи дека повеќе различни кодони можат да кодираат иста аминокиселина. На пример: аминокиселината леуцин се кодира од: UUA, UUG, CUU, CUC, CUA, CUG. Оваа карактеристика ја намалува веројатноста мутациите да доведат до промена во протеинот.

4. Основни својства на генетскиот код

Генетскиот код има неколку важни карактеристики.

4.1 Триплетна природа генетскиот код се чита во групи од три нуклеотиди. Овие три нуклеотиди формираат кодон кој одговара на една аминокиселина.

4.2 Непреклопување кодоните се читаат без преклопување. Пример:

AUG-GCU-UUU

се чита како:

AUG | GCU | UUU

а не како:

AUG

UGC

GCU

4.3 Без интерпункција генетскиот код нема „запирки“ помеѓу кодоните. mRNA се чита континуирано од почеток до крај.

4.4 Универзалност генетскиот код е речиси универзален кај сите живи организми. Истите кодони кодираат исти аминокиселини кај: бактерии, растенија, животни и човекот. Ова е силен доказ за заедничкото еволутивно потекло на живите организми.

4.5 Специфичност секој кодон кодира само една аминокиселина. На пример: UUU → фенилаланин и не кодира друга аминокиселина.

5. Старт кодон

Синтезата на протеин започнува со старт кодон. Главниот старт кодон е AUG. Тој ја кодира аминокиселината метионин. Старт кодонот ја означува точката на започнување на транслацијата, ја определува reading frame (рамката на читање).

6. Стоп кодони

Постојат три стоп кодони, кои сигнализираат крај на транслацијата. Тие се: UAA, UAG, UGA. Овие кодони не кодираат аминокиселина, туку служат како сигнал за прекин на синтезата на протеинот.

7. Рамка на читање (reading frame)

Генетската информација може да се чита во различни рамки. На пример: секвенцата AUGGCUUUU

може да се чита како:

AUG | GCU | UUU

UGG | CUU | UU...

GGC | UUU | ...

Само една рамка е точна, и таа започнува со старт кодон.

Промена на рамката доведува до frameshift мутации, кои често резултираат со нефункционален протеин.

8. Wobble хипотеза

Теоријата за wobble позицијата ја предложил Френсис Крик. Според оваа хипотеза: третата база во кодонот може да има поголема флексибилност во спарувањето. Еден tRNA може да препознае повеќе кодони. На пример кодоните GAA и GAG ја кодираат глутаминска киселина, а може да се препознаат од истиот tRNA. Ова ја објаснува дегенерацијата на генетскиот код.

9. Генетски код и синтеза на протеини

Генетскиот код функционира во процесот на транслација. Главни компоненти се:

• mRNA носител на генетската информација.
• tRNA пренесува специфични аминокиселини до рибозомот.
• антикодон триплет во tRNA кој е комплементарен на кодонот во mRNA.
• рибозом клеточна структура каде се одвива синтезата на протеините.

10. Мутации и генетски код

Промени во кодоните можат да доведат до различни типови мутации.

• Silent mutation промена на кодон без промена на аминокиселина. Пример: GAA → GAG
• Missense mutation е промена на аминокиселина. Пример: GAG → GTG (кај српестоклеточна анемија)
• Nonsense mutation кодонот се претвора во стоп кодон, што доведува до скратен протеин.
• Frameshift mutation инсерција или делеција на нуклеотиди која ја менува рамката на читање.

11. Исклучоци од генетскиот код

Иако генетскиот код е универзален, постојат мали варијации. На пример: митохондријалниот генетски код има одредени разлики. Пример: UGA во митохондрии кодира триптофан, а не стоп сигнал.

12. Биолошко значење на генетскиот код

Генетскиот код има фундаментално значење во биологијата: 

• Пренос на генетска информација овозможува трансформација на генетската информација во функционални протеини.
• Еволуција конзервацијата на кодот покажува заедничко потекло на организмите.
• Медицинска генетика мутации во кодоните доведуваат до генетски заболувања.
• Биотехнологија генетскиот код овозможува: генетско инженерство, производство на рекомбинантни протеини, синтетичка биологија

13. Заклучок

Генетскиот код претставува основен биолошки механизам кој овозможува преведување на генетската информација во протеини. Неговата триплетна структура, дегенерација, специфичност и речиси универзална природа го прават фундаментален за функционирањето на сите живи организми. Разбирањето на генетскиот код е од суштинско значење за хуманата генетика, молекуларната биологија, медицината и биотехнологијата, бидејќи преку него се објаснуваат процесите на наследување, мутација и синтеза на протеини.

Митохондријална ДНК (mtDNA)

Митохондријалната ДНК (mtDNA) претставува генетски материјал кој се наоѓа во митохондриите, органели одговорни за клеточната енергетска продукција. За разлика од нуклеарната ДНК, која се наоѓа во клеточното јадро, митохондријалната ДНК се наоѓа во митохондријалната матрица и има специфични структурни, функционални и наследни карактеристики.

Митохондријалната ДНК има особено значење во хуманата генетика, молекуларната биологија, медицината и еволуционата биологија, бидејќи мутациите во mtDNA можат да доведат до сериозни митохондријални заболувања, а нејзината уникатна наследност овозможува следење на мајчината линија на наследување.

1. Откривање и историски аспект

Митохондријалната ДНК првпат била откриена во 1963 година, кога научниците утврдиле дека митохондриите содржат сопствен генетски материјал, независен од нуклеарниот геном. Ова откритие довело до формулирање на ендосимбиотската теорија, според која митохондриите потекнуваат од примитивни аеробни бактерии кои влегле во симбиотска врска со древни еукариотски клетки. Со текот на еволуцијата, голем дел од гените на овие бактерии биле пренесени во нуклеарниот геном, но митохондриите задржале мал дел од оригиналниот геном.

2. Структура на митохондријалната ДНК

Митохондријалната ДНК има неколку специфични карактеристики кои ја разликуваат од нуклеарната ДНК.

2.1 Големина и форма

Кај човекот, митохондријалната ДНК има должина од 16 569 базни парови. Таа е кружна (циркуларна) молекула и не е поврзана со хистони. Оваа структура е слична на бактерискиот геном, што дополнително ја поддржува ендосимбиотската теорија.

2.2 Број на копии

Секоја клетка содржи стотици до илјадници митохондрии. Секоја митохондрија содржи 2–10 копии на mtDNA. Затоа во една клетка може да има илјадници копии на митохондријална ДНК.

2.3 Тешка и лесна нишка

Митохондријалната ДНК се состои од две нишки:

• Heavy strand (H-нишка) – богата со гавнин
• Light strand (L-нишка) – богата со цитозин

Овие нишки се разликуваат по густина при центрифугирање, што било основа за нивното именување.

3. Генска организација

Митохондријалната ДНК содржи 37 гени, кои кодираат компоненти неопходни за митохондријалната функција.

3.1 Протеински гени 13 гени кодираат протеини на оксидативната фосфорилација, кои се дел од респираторниот ланец. Овие протеини учествуваат во синтеза на ATP, клеточна енергетска продукција.

3.2 tRNA гени mtDNA содржи 22 гени за транспортна РНК (tRNA). Овие tRNA молекули се потребни за: митохондријална протеинска синтеза.

3.3 rRNA гени постојат 2 гени за рибозомна РНК: 12S rRNA и 16S rRNA. Тие се компоненти на митохондријалните рибозоми.

4. D-loop регионот митохондријалната ДНК содржи контролен регион, познат како D-loop (displacement loop). Овој регион не кодира протеини, содржи регулаторни секвенци, ја контролира репликацијата и транскрипцијата. D-loop е најваријабилниот дел од mtDNA, често користен во еволутивни и форензички анализи.

5. Репликација на митохондријалната ДНК

Репликацијата на mtDNA се разликува од репликацијата на нуклеарната ДНК. Карактеристики: се одвива независно од клеточниот циклус, користи митохондријална DNA полимераза (DNA polymerase γ), започнува од специфични origins of replication. Постојат две главни точки на започнување: OH – origin for heavy strand, OL – origin for light strand. Репликацијата се одвива асинхроно, што значи дека нишките не се синтетизираат истовремено.

6. Наследување на митохондријалната ДНК

Митохондријалната ДНК се наследува исклучиво по мајчина линија. Причина при оплодување јајце клетката обезбедува митохондрии, сперматозоидот ги губи митохондриите. Затоа сите деца ја наследуваат mtDNA од мајката, но само ќерките ја пренесуваат на следната генерација. Овој тип на наследување се нарекува митохондријално (матернално) наследување.

7. Хетероплазмија

Во една клетка може да постојат нормални митохондрии, мутирани митохондрии. Оваа состојба се нарекува хетероплазмија. Тежината на митохондријалните заболувања зависи од процентот на мутирана mtDNA, енергетските потреби на ткивото.

8. Митохондријални заболувања

Мутациите во mtDNA можат да доведат до митохондријални болести, кои најчесто ги зафаќаат ткивата со висока енергетска потреба. На пример: мозок, мускули, срце, нервен систем. Примери: Леберова хередитарна оптичка невропатија (LHON) – доведува до губење на видот. MELAS синдром – митохондријална енцефаломиопатија со лактична ацидоза.

MERRF синдром – миоклонична епилепсија со „ragged red fibers“.

9. Мутации во митохондријалната ДНК

mtDNA има повисока стапка на мутации од нуклеарната ДНК. Причини: изложеност на реактивни кислородни радикали, ограничени механизми на репарација, недостаток на хистони. Овие мутации можат да доведат до: митохондријални болести, стареење, дегенеративни заболувања.

10. Митохондријална ДНК и еволуција

mtDNA има важна улога во еволутивните студии. Поради висока стапка на мутации, матернално наследување, отсуство на рекомбинација се користи за проучување на еволуцијата на човекот, следење на миграциите на популации.

11. Митохондријална Ева

Генетските анализи покажуваат дека сите современи луѓе потекнуваат од заедничка женска предок, наречена „митохондријална Ева“. Се проценува дека таа живеела пред околу 150 000 – 200 000 години во Африка. Ова не значи дека таа била единствена жена во тоа време, туку дека нејзината митохондријална линија единствено се зачувала до денес.

12. Практични примени на mtDNA

Митохондријалната ДНК се користи во различни области.

Форензика поради големиот број копии, mtDNA се користи за анализа на коса, коски, деградирани биолошки примероци

Медицинска генетика mtDNA анализата се користи за: дијагностика на митохондријални заболувања, генетско советување.

Популациона генетика mtDNA овозможува следење на миграции, реконструкција на еволутивната историја.

13. Заклучок

Митохондријалната ДНК претставува уникатен генетски систем кој игра клучна улога во клеточната енергетика, наследноста и еволуцијата на организмите. Нејзината специфична структура, мајчин начин на наследување и висока мутациска стапка ја прават важна алатка во хуманата генетика, медицината, форензиката и еволутивната биологија.

Разбирањето на митохондријалната ДНК е од особено значење за дијагностика и истражување на митохондријалните заболувања, како и за проучување на генетската историја на човекот.

DNA репарација (поправка на ДНК)

ДНК репарацијата претставува збир на клеточни механизми со кои клетката ги препознава и поправа оштетувањата на ДНК молекулата. Овие процеси се од суштинско значење за одржување на геномската стабилност, правилно функционирање на клетките и спречување на појава на мутации, генетски заболувања и канцер. Во текот на животот на клетката, ДНК е постојано изложена на различни ендогени и егзогени фактори кои можат да предизвикаат структурни промени во молекулата. Се проценува дека во една човечка клетка се јавуваат илјадници оштетувања на ДНК дневно, но благодарение на механизмите на репарација, најголемиот дел од овие оштетувања успешно се коригираат.

1. Причини за оштетување на ДНК

Оштетувањата на ДНК можат да настанат поради различни фактори.

1.1 Ендогени фактори

Овие фактори потекнуваат од нормалните клеточни процеси. Најчести се: грешки при репликација на ДНК, оксидативен стрес, спонтана депуринација, деаминација на азотни бази. На пример, деаминацијата на цитозин може да доведе до формирање на урацил во ДНК, што претставува неправилност.

1.2 Егзогени фактори

Овие фактори доаѓаат од надворешната средина. Примери: ултравиолетово (UV) зрачење, јонизирачко зрачење, хемиски мутагени, токсини и канцерогени. UV зрачењето, на пример, предизвикува тимински димери, кои ја нарушуваат нормалната структура на ДНК.

2. Видови оштетувања на ДНК

Оштетувањата можат да бидат различни по природа. Најчести типови се: модификација на азотни бази, апурински и апиримидински места, едноверижни прекини на ДНК, двоверижни прекини на ДНК, вкрстени врски помеѓу ДНК нишки, тимински димери.

Овие оштетувања можат да доведат до: мутации, блокада на репликација, нарушување на транскрипција.

3. Главни механизми на DNA репарација

Клетките развиле повеќе системи за поправка на различни типови оштетувања. Главните механизми се: директна поправка, поправка со ексцизија на базни парови Base excision repair (BER), поправка со нуклеотидна експцизија Nucleotide excision repair (NER), Mismatch repair (MMR), Double strand break repair.

4. Директна поправка на ДНК

Овој механизам ја враќа оригиналната структура на ДНК без отстранување на нуклеотиди. Најпознат пример е поправка на O6-метилгванин. Ензимот O6-methylguanine-DNA methyltransferase (MGMT) ја отстранува метил групата од гванин. Овој процес ја враќа нормалната база и спречува мутации.

5. Поправка со базна ексцизија Base Excision Repair (BER)

BER механизмот поправа мали хемиски модификации на азотните бази. Примери: деаминација, оксидација, алкилирање.

Фази на BER: препознавање на оштетената база, специјални ензими наречени DNA гликозилази ја препознаваат и отстрануваат оштетената база. 

Формирање AP место: отстранувањето на базата создава апуринско/апиримидинско место (AP site).

Сечење на ДНК: ензимот AP ендонуклеаза ја сече ДНК нишката. Пополнување на празнината: DNA полимераза додава правилен нуклеотид.

Лигирање: DNA лигаза ја затвора фосфодиестерската врска.

Поправка со нуклеотидна ексцизија Nucleotide Excision Repair (NER)

NER е механизмот кој поправа големи структурни оштетувања на ДНК. На пример: тимински димери, хемиски аддукти.

Фази на NER

Препознавање на оштетувањето: специјални протеински комплекси ја детектираат деформацијата на ДНК.

Отворање на ДНК: хеликази ја отвораат ДНК структурата.

Отстранување на оштетениот сегмент: ендонуклеази го отстрануваат делот од ДНК кој содржи оштетување.

Синтеза на нова ДНК: DNA полимераза го синтетизира новиот сегмент.

Лигирање: DNA лигаза ја затвора нишката.

7. Mismatch Repair (MMR)

MMR системот ги коригира грешките кои настануваат при репликација на ДНК. Примери: неправилно спарени бази, мали инсерции или делеции.

Главни протеини кај човекот: MSH2, MSH6, MLH1, PMS2.

Овој механизам значително ја намалува стапката на мутации.

8. Поправка на двоверижни прекини

Двоверижните прекини се најопасните оштетувања на ДНК.

Постојат два механизми:

8.1 Хомологна рекомбинација (HR)

Овој механизам користи сестринска хроматида како матрица. Карактеристики: многу прецизен механизам, активен во S и G2 фаза. Вклучува протеини: BRCA1, BRCA2, RAD51.

8.2 Нехомологно спојување на краевите на ДНК (NHEJ)

Овој механизам ги спојува краевите на ДНК без матрица. Карактеристики: побрз механизам, помалку прецизен, може да доведе до мутации.

9. DNA репарација и канцер

Нарушувањата во механизмите на DNA репарација доведуваат до геномска нестабилност и зголемен ризик од карцином. Примери: Xeroderma pigmentosum е дефект во NER механизмот. Карактеристики: екстремна чувствителност на UV, висок ризик од кожен карцином.

Lynch синдром е дефект во MMR системот. Последици: колоректален карцином, ендометријален карцином.

BRCA мутации: мутации во BRCA1 и BRCA2. Поврзани со карцином на дојка, карцином на јајчници.

10. Биолошко значење на DNA репарацијата

DNA репарацијата има неколку клучни функции. Одржување на геномската стабилност. Го спречува акумулирањето на мутации. Заштита од канцер. Поправката на ДНК спречува трансформација на нормални клетки во канцерогени. Обезбедување точна репликација. Репарацијата ги коригира грешките при репликација.

11. Заклучок

DNA репарацијата претставува комплексен систем на клеточни механизми кои обезбедуваат интегритет и стабилност на генетската информација. Благодарение на овие механизми, клетките можат да ги поправат оштетувањата предизвикани од различни физички, хемиски и биолошки фактори. Нарушувањата во овие системи доведуваат до мутации, генетски заболувања и канцер, што ја нагласува нивната огромна важност во хуманата генетика и медицината.

Биолошко значење на еволутивното настанување на ДНК

Еволутивното настанување на дезоксирибонуклеинската киселина (ДНК) претставува еден од најзначајните настани во историјата на животот на Земјата. ДНК е молекула која служи како носител на генетската информација, обезбедувајќи стабилно складирање, пренос и изразување на генетските инструкции неопходни за развој, функционирање и репродукција на живите организми. Разбирањето на еволутивното потекло на ДНК е важно во хуманата генетика, бидејќи ја објаснува основата на геномската организација, механизмите на наследување, варијабилноста и појавата на генетски заболувања.

1. Потекло на молекулите на наследноста

Во најраните фази од еволуцијата на животот, научниците претпоставуваат дека генетската информација не била складирана во ДНК, туку во рибонуклеинска киселина (РНК). Оваа теорија е позната како „RNA world hypothesis“. Според оваа хипотеза РНК имала двојна улога – носител на генетска информација и катализатор на биохемиски реакции. Одредени РНК молекули (рибозими) можеле самостојно да катализираат реакции, вклучувајќи сопствена репликација. Со текот на еволуцијата се појавила ДНК како постабилна молекула за складирање на генетска информација. Преминот од РНК кон ДНК геном претставувал значаен еволутивен чекор кој овозможил развој на посложени организми.

2. Причини за еволутивната појава на ДНК

Еволутивната селекција фаворизирала ДНК како генетски материјал поради неколку важни биохемиски карактеристики.

2.1 Хемиска стабилност

ДНК е значително постабилна од РНК. Главни причини: ДНК содржи дезоксирибоза, додека РНК содржи рибоза. Рибозата има 2’-OH група која ја прави РНК повеќе подложна на хидролиза. ДНК нема оваа група, што ја прави хемиски постабилна. Ова овозможува: долгорочно складирање на генетската информација, помала стапка на деградација.

2.2 Двојна спирала и механизми на поправка

ДНК има двојна спирална структура, составена од две комплементарни нишки. Оваа структура овозможува: точна репликација, механизми за поправка на оштетувања. Ако едната нишка се оштети, другата служи како матрица за поправка. Овој механизам значително ја зголемува геномската стабилност.

2.3 Подобра заштита на генетската информација

Во еукариотските клетки, ДНК е организирана во хромозоми, поврзана со хистони, сместена во клеточно јадро. Оваа организација овозможува заштита од мутации, контрола на генската експресија, стабилност на геномот.

3. Улога на ДНК во еволуцијата на организмите

Постоењето на ДНК како стабилен генетски материјал овозможило појава на сложени еволутивни процеси.

3.1 Генетска варијабилност

ДНК овозможува појава на генетски варијации преку мутации, рекомбинација, crossing-over, хромозомски аберации. Овие варијации се основа за природната селекција.

3.2 Развој на сложени организми

Стабилниот геном овозможил поголем број гени, комплексни регулаторни механизми, развој на повеќеклеточност. Ова довело до еволуција на животни, растенија и човекот.

3.3 Развој на геномска организација

Со текот на еволуцијата, геномите станале поголеми, покомплексни, организирани во хромозоми. Кај човекот геномот содржи околу 3,2 милијарди базни парови, приближно 20 000 – 22 000 гени.

4. Еволуција на геномот

Геномите не се статични, туку постојано се менуваат преку различни еволутивни механизми.

4.1 Генска дупликација

Еден од најважните механизми при дупликација се создава копија од ген, едната копија ја задржува оригиналната функција, другата може да еволуира нова функција. Овој процес е важен за еволуција на нови протеини, генетска иновација.

4.2 Транспозони

Во геномот постојат мобилни генетски елементи. Тие можат да се преместуваат во геномот, да влијаат на генската експресија, да создаваат мутации. Кај човекот околу 45% од геномот е составен од транспозонски секвенци.

4.3 Хоризонтален трансфер на гени

Особено важен кај микроорганизмите. Гените можат да се пренесуваат преку вируси, преку плазмиди, преку трансформација. Овој механизам придонесува за брза еволуција.

5. Значење за хуманата генетика

Разбирањето на еволуцијата на ДНК има големо значење во медицината и генетиката.

5.1 Генетски заболувања

Мутациите во ДНК можат да доведат до моногенски заболувања, хромозомски аберации, мултифакторски болести. Примери: цистична фиброза, хемофилија, Даун синдром.

5.2 Канцерогенеза

Карциномите се резултат на: акумулација на мутации, нарушена регулација на клеточниот циклус, дефекти во поправка на ДНК. Овие процеси се директно поврзани со геномската стабилност на ДНК.

5.3 Персонализирана медицина

Современата генетика користи анализа на ДНК за: дијагноза на болести, генетско советување, фармакогенетика, прецизна медицина.

6. Универзалност на генетскиот код

Еден од најсилните докази за заедничко еволутивно потекло е универзалноста на генетскиот код. Речиси сите организми користат исти кодони, имаат слична структура на ДНК, имаат слични механизми на репликација. Ова покажува дека сите живи организми имаат заеднички еволутивен предок.

7. Заклучок

Еволутивното настанување на ДНК претставува клучен момент во развојот на животот на Земјата. ДНК обезбедува стабилно складирање на генетската информација, овозможува точна репликација, како и механизми за поправка на генетските оштетувања. Благодарение на овие својства, организмите можеле да развијат сложени геномски структури, нови гени и биолошка разновидност. Во хуманата генетика, познавањето на структурата и еволуцијата на ДНК е основа за разбирање на наследувањето, генетските варијации, генетските болести и молекуларните механизми на канцерогенеза. Затоа, ДНК не претставува само молекула на наследност, туку и централен елемент во еволуцијата, биологијата и медицината.

Сестрински хроматидни измени (Sister Chromatid Exchanges – SCE)

1. Основен поим

Сестринските хроматидни измени (SCE – Sister Chromatid Exchanges) претставуваат размена на сегменти од ДНК помеѓу двете сестрински хроматиди на истиот хромозом. Овие измени се случуваат по репликацијата на ДНК, односно во S-фазата на клеточниот циклус, кога секој хромозом е составен од две идентични сестрински хроматиди поврзани во центромерниот регион. Бидејќи сестринските хроматиди се генетски идентични, ваквата размена обично не доведува до генетска варијабилност, за разлика од crossing-over кој се случува помеѓу хомологни хромозоми во мејозата. Сепак, SCE има значајна улога како индикатор за геномска стабилност и поправка на ДНК.

2. Сестрински хроматиди – структурна основа

По завршувањето на репликацијата на ДНК, секој хромозом се состои од: две сестрински хроматиди поврзани преку центромер и секоја содржи идентична копија на ДНК. Оваа структура постои во G2 фаза, митоза (профаза, метафаза). Во овој период може да дојде до локална рекомбинација помеѓу сестринските хроматиди, што резултира со SCE.

3. Молекуларен механизам на SCE

SCE е резултат на процеси на поправка на ДНК, особено кога се јавуваат: двоверижни прекини на ДНК (double-strand breaks), оштетувања на репликационата вилушка, репликациски стрес. Процесот најчесто се одвива преку хомологна рекомбинација.

Фази на процесот

1. Појава на оштетување на ДНК

Причини може да бидат: радијација, мутагени хемикалии, грешки при репликација, оксидативен стрес. Оштетувањето создава прекин во ДНК молекулата.

2. Обработка на прекинот

Ензимите на системот за поправка: нуклеази, хеликази кои ја обработуваат ДНК и создаваат едноверижен регион.

3. Инвазија на сестринската хроматида

Протеини како: RAD51, BRCA1, BRCA2 овозможуваат едната ДНК нишка да навлезе во хомологниот регион на сестринската хроматида. Ова формира структура наречена Holliday junction

4. Формирање на рекомбинациска структура

Во оваа фаза двете хроматиди се поврзуваат, се формира крстовидна структура, започнува размена на ДНК сегменти.

5. Резолуција на Holliday junction

Специјални резолвази ја разделуваат структурата и резултатот е размена на ДНК сегменти помеѓу сестринските хроматиди. Ова се детектира како SCE.

4. Детекција на SCE

SCE не може да се види со класична хромозомска боја. За негово откривање се користи специјална лабораториска техника наречена BrdU техника (Bromodeoxyuridine). BrdU е аналог на тимидин кој се вградува во ДНК при репликација. Постапка: Клетките се култивираат во медиум со BrdU. Се дозволуваат две клеточни делби. Хромозомите се бојат со флуоресцентна или Giemsa техника. Резултат: едната хроматида се бои потемно, другата посветло. Кога се случува SCE, се појавуваат карактеристични промени во бојата долж хроматидите, што овозможува визуелизација на местото на размена.

5. Биолошко значење на SCE

Иако SCE не создава нови алели, има важни функции.

1. Поправка на ДНК

SCE претставува механизам за поправка на генетски оштетувања. Особено е важен за двоверижни прекини, репликациски блокади.

2. Одржување на геномска стабилност

Хомологната рекомбинација со сестринската хроматида е најточниот механизам за поправка бидејќи сестринската хроматида е идентична копија.

3. Биомаркер за генотоксичност

Зголемена фреквенција на SCE е индикатор за изложеност на мутагени, канцерогени агенси, геномска нестабилност. Поради тоа SCE тестот се користи во генетска токсикологија, канцерогенеза, фармацевтски истражувања.

6. Фактори кои ја зголемуваат фреквенцијата на SCE

SCE се зголемува при изложеност на различни агенси. Физички фактори: јонизирачко зрачење, UV зрачење. Хемиски мутагени: алкилирачки агенси, бензен, цитостатици. Биолошки фактори: вирусни инфекции, репликациски стрес.

7. SCE и генетски заболувања

Некои наследни синдроми се карактеризираат со значително зголемен број на SCE. Bloom синдром е еден од најпознатите примери. Причина: мутација во BLM генот кој кодира DNA хеликаза. Последици: нестабилност на геномот, многу висока фреквенција на SCE, зголемен ризик за карцином. Кај нормални клетки: 5–10 SCE по клетка. Кај Bloom синдром 50–100 SCE по клетка.

8. Улога во канцерогенеза

Геномската нестабилност е клучен фактор во развојот на карцином. Зголемена SCE може да укажува на: дефекти во DNA репарација, мутации во BRCA1 / BRCA2, дефекти во DNA хеликаза. Овие промени се забележуваат кај: леукемии, карциноми, наследни синдроми.

9. Заклучок

Сестринските хроматидни измени (SCE) претставуваат важен молекуларен процес кој се јавува по репликацијата на ДНК, кога се разменуваат сегменти помеѓу идентичните сестрински хроматиди. Иако овие измени не создаваат генетска варијабилност, тие играат клучна улога во поправката на оштетувања на ДНК и одржувањето на геномската стабилност. Фреквенцијата на SCE е значаен биолошки маркер за генотоксичност, а нејзиното зголемување може да укажува на мутагена изложеност или генетски нарушувања како Bloom синдром. Затоа SCE претставува важна тема во хуманата генетика, цитогенетиката и канцерогенезата.

Репликација на ДНК: молекуларен механизам на удвојување на генетскиот материјал

Репликацијата на ДНК е фундаментален молекуларен процес при кој се врши удвојување на генетскиот материјал пред клеточната делба. Овој процес овозможува точен пренос на генетската информација од една клетка на нејзините ќеркини клетки. Во еукариотските клетки, вклучувајќи ги и човечките клетки, репликацијата се одвива во S-фазата на клеточниот циклус и претставува еден од најпрецизно регулираните биолошки процеси.

1. Основни карактеристики на репликацијата

Репликацијата на ДНК има неколку основни принципи:

1. Полуконзервативна репликација Секој новоформиран ДНК молекул содржи: една родителска (стара) нишка и една новосинтетизирана нишка. Овој модел беше експериментално потврден во класичниот експеримент на Matthew Meselson и Franklin Stahl.

2. Комплементарност на базите Новато ДНК нишка се синтетизира врз основа на правилото на комплементарно спарување на базите: A – T, G – C

3. Синтеза во насока 5′ → 3′ ДНК полимеразите можат да додаваат нови нуклеотиди само на 3′ крајот на растечкиот ланец.

4. Бидирекционална репликација Репликацијата започнува од origin of replication и се шири во две насоки, создавајќи структури наречени репликациони вилушки.

2. Репликациона вилушка

Репликационата вилушка е структура која се формира при одвојување на двојната спирала на ДНК. Во оваа структура се синтетизираат: водечката нишка (leading strand), заостанувачката нишка (lagging strand).

3. Ензими кои учествуваат во репликацијата

Репликацијата на ДНК е комплексен процес кој вклучува повеќе ензими и протеини.

1. DNA helicase ја расплетува двојната спирала на ДНК. Функција е да ги раскинува водородните врски меѓу базите и да создава репликациона вилушка.

2. Single-strand binding proteins (SSB) овие протеини се врзуваат за едноверижната ДНК, спречуваат повторно спарување на влакната.

3. Topoisomerase ја намалува суперспирализацијата на ДНК. Функција е да спречува механичко напрегање пред репликационата вилушка.

4. Primase DNA полимеразата не може да започне синтеза без почетна точка. Primase синтетизира краток RNA прајмер кој служи како почеток за синтеза на ДНК.

5. DNA polymerase е главниот ензим кој додава нови деоксирибонуклеотиди, го продолжува новиот ДНК синџир. Кај еукариотите постојат неколку типови: DNA polymerase α, DNA polymerase δ, DNA polymerase ε.

6. DNA ligase ги поврзува фрагментите на ДНК, создава фосфодиестерски врски.

4. Водечка и заостанувачка нишка

Поради антипаралелната структура на ДНК, синтезата на новите влакна се одвива на два различни начини. Водечката нишка (Leading strand) се синтетизира континуирано во насока кон репликационата вилушка. Заостанувачката нишка (Lagging strand) се синтетизира дисконтинуирано во кратки сегменти што се нарекуваат Okazaki фрагменти (наречени по Reiji Okazaki).

5. Отстранување на RNA прајмери

По синтезата на Okazaki фрагментите RNA прајмерите се отстрануваат, празнините се пополнуваат со ДНК, фрагментите се поврзуваат со DNA ligase.

6. Контрола на точноста (Proofreading)

DNA репликацијата е исклучително точен процес. DNA полимеразите имаат 3′ → 5′ егзонуклеазна активност што им овозможува да препознаат погрешно внесен нуклеотид, да го отстранат и заменат. Грешките се појавуваат приближно 1 на 10⁹ нуклеотиди.

7. Репликација на теломери

На краевите на еукариотските хромозоми се наоѓаат теломери. Теломерите се повторувачки ДНК секвенци кои го штитат хромозомот. Поради начинот на синтеза на заостанувачката нишка, крајниот дел не може целосно да се реплицира. Овој проблем се решава со ензимот теломераза. Теломеразата додава теломерни повторувања на краевите на хромозомите.

8. Репликација кај еукариоти

Еукариотските хромозоми имаат повеќе origins of replication. Ова овозможува побрза репликација на големиот геном. Кај човекот постојат илјадници репликациони почетни точки.

9. Клиничко значење

Грешките во репликацијата на ДНК можат да доведат до мутации, генетски заболувања, канцер.

Пример: дефекти во системот за поправка на ДНК доведуваат до Lynch синдром и xeroderma pigmentosum.

Заклучок

Репликацијата на ДНК е комплексен и строго регулиран молекуларен процес кој обезбедува точна копија на генетскиот материјал, овозможува клеточна делба, ја гарантира генетската стабилност на организмот. Разбирањето на овој процес е фундаментално за хуманата генетика, молекуларната биологија и медицинската генетика.

Рибонуклеинска киселина (RNA)

Рибонуклеинската киселина (RNA) е една од двете главни нуклеински киселини во клетката и има централна улога во реализацијата на генетската информација. Додека DNA ја складира генетската информација, RNA ја пренесува и ја реализира преку синтеза на протеини и преку различни регулаторни механизми. Во современата хумана генетика и молекуларна биологија, RNA не се смета само за посредник помеѓу DNA и протеините, туку и за молекула која учествува во регулација на генската експресија, клеточна сигнализација и контрола на геномската стабилност.

1. Хемиска градба на RNA

Основните градбени единици на RNA се рибонуклеотиди. Секој рибонуклеотид се состои од три компоненти: азотна база, рибоза (пентозен шеќер), фосфатна група.

Во RNA се присутни четири азотни бази: пурински - аденин (A) и гванин (G), пиримидински - цитозин (C) и урацил (U). За разлика од DNA, во RNA тимин не постои, туку е заменет со урацил.

Рибозата е петјаглероден шеќер. Карактеристична разлика од DNA: на 2′ јаглерод има –OH група. Оваа хидроксилна група ја прави RNA: помалку стабилна, повеќе реактивна од DNA. Нуклеотидите во RNA се поврзуваат со 3′–5′ фосфодиестерски врски, со што се формира полинуклеотиден ланец.

2. Структура на RNA

За разлика од DNA, RNA најчесто е едновлакнеста молекула. Но и покрај тоа може да формира сложени секундарни структури.

Примарната структура претставува: редослед на нуклеотиди во RNA ланецот. Секундарна структура поради комплементарност помеѓу базите, RNA може да формира: hairpin loops, stem-loop структури, bulges. Овие структури се важни за стабилност на RNA, препознавање од ензими. Терцијарна структура некои RNA молекули формираат комплексни тродимензионални структури.

Пример: tRNA, rRNA.

Овие структури се неопходни за нивната биолошка функција.

3. Функции на RNA

RNA има повеќе функции во клетката.

1. Пренос на генетска информација

RNA пренесува информации од DNA до рибозомите.

2. Синтеза на протеини

RNA учествува во транслација – процес на синтеза на протеини.

3. Регулација на генската експресија

Некои RNA молекули контролираат: стабилност на mRNA, активност на гени, посттранскрипциона регулација.

4. Каталитичка функција

Некои RNA молекули имаат ензимска активност. Овие се нарекуваат: рибозими (ribozymes).

4. Видови на RNA

Во клетката постојат повеќе типови на RNA.

1. Messenger RNA (mRNA) претставува матрица за синтеза на протеини. Карактеристики носи генетска информација од DNA, содржи кодони (триплети на нуклеотиди). Пример: AUG → кодира метионин. Процесирање на mRNA кај еукариоти. Пред да ја напушти јадрото, mRNA поминува низ: 5′ cap додавање на метилгуанозин капа. Функции: стабилизација, иницирање на транслација. Poly-A опашка е додавање на аденински нуклеотиди на 3′ крајот. Splicing е отстранување на: интрони и поврзување на егзони.

2. Transfer RNA (tRNA) има улога во пренос на аминокиселини до рибозомите. Структурата на tRNA има карактеристична клевереста форма. Содржи: антикодон, акцепторска рака, антикодонот препознава комплементарен кодон на mRNA.

3. Ribosomal RNA (rRNA) е основна компонента на: рибозомите. Рибозомите се составени од: мала субединица, голема субединица. rRNA има структурна функција, каталитичка функција во формирање на пептидна врска.

4. MicroRNA (miRNA) се мали регулаторни RNA молекули. Функции: инхибиција на транслација, деградација на mRNA.

5. Small interfering RNA (siRNA) учествува во процес наречен RNA интерференција (RNAi). Функции: стишување на гените, уништување на специфични mRNA.

6. Small nuclear RNA (snRNA) учествува во процесирање на mRNA. Особено во splicing на интрони.

7. Long non-coding RNA (lncRNA) RNA молекули што не кодираат протеини, регулираат генска експресија

5. RNA во централната догма

Централната догма на молекуларната биологија опишува проток на генетската информација: DNA → RNA → протеин. Процеси: транскрипција, транслација.

6. Клиничко значење

RNA игра важна улога во: генетски болести, канцер, вирусни инфекции. Многу вируси имаат RNA геном. Пример: HIV, SARS-CoV-2.

Заклучок

RNA е исклучително важна молекула во клетката која: ја пренесува генетската информација, учествува во синтеза на протеини, регулира генска експресија, има структурни и каталитички функции. Разновидноста на RNA молекулите ја покажува нивната клучна улога во современата молекуларна генетика.

Дезоксирибонуклеинска киселина (DNA)

Дезоксирибонуклеинската киселина (DNA) е основната молекула која ја складира и пренесува генетската информација кај сите еукариотски и прокариотски организми. Кај човекот DNA ја содржи целокупната генетска програма која го контролира развојот, растот, диференцијацијата и функционирањето на клетките. Во хуманата генетика DNA има централна улога бидејќи ја носи наследната информација, овозможува синтеза на протеини, учествува во регулација на генската експресија и е основа за разбирање на генетските болести. Кај човекот, DNA е организирана во 46 хромозоми, кои се наоѓаат во клеточното јадро.

1. Хемиска градба на DNA

DNA е полимер составен од мономерни единици наречени деоксирибонуклеотиди. Секој нуклеотид се состои од три компоненти: азотна база, дезоксирибоза (пентозен шеќер), фосфатна група.

Азотни бази во DNA се присутни четири бази: пурински: аденин (A), гванин (G). Пурините имаат двојна хетероциклична структура. Пиримидински бази: цитозин (C), тимин (T). Пиримидините имаат едноставна прстенеста структура.

Деоксирибоза е петјаглероден шеќер. Јаглеродните атоми се означуваат како: 1′, 2′, 3′, 4′, 5′. На 2′ позиција има водород (H) наместо хидроксилна група.

Фосфатната група ги поврзува нуклеотидите преку: 3′–5′ фосфодиестерска врска. Со ова се создава шеќер-фосфатен скелет на DNA.

2. Примарна структура на DNA

Примарната структура претставува редослед на нуклеотиди во полинуклеотидниот ланец. Овој редослед ја кодира генетската информација.

3. Секундарна структура на DNA

Секундарната структура на DNA е двојна спирала (double helix). Овој модел беше предложен во 1953 година од James Watson и Francis Crick. DNA молекулата има две антипаралелни полинуклеотидни вериги со ориентација 5′ → 3′ и 3′ → 5′. Комплементарност на базите кои што се поврзуваат преку водородни врски. Правило на комплементарност: A – T (2 водородни врски), G – C (3 водородни врски). Ова правило е познато како: Чаргафово правило. Двојната спирала има два жлеба: голем и мал жлеб. Овие региони се важни за: врзување на транскрипциони фактори, регулација на генската експресија.

4. Терцијарна организација на DNA

Кај еукариотите DNA е силно компактирана. DNA се поврзува со хистонски протеини и формира: нуклеозом. Основна единица на хроматинот е: нуклеозом. Состав: хистонски октамер (H2A, H2B, H3, H4) и околу 146 базни парови DNA намотани околу него.

5. Конформации на DNA

DNA не постои само во една форма. Постојат неколку конформациски варијанти. Најважни се: B-DNA, A-DNA, Z-DNA.

6. B форма на DNA е најчестата и физиолошки најважната форма. Карактеристики: десна спирала, 10 базни парови по спирален круг, дијаметар ≈ 2 nm, должина на еден спирален круг ≈ 3.4 nm. B-DNA се наоѓа во нормални клеточни услови, хидратирана средина. Оваа форма е основна за репликација и транскрипција.

7. A форма на DNA покомпактна десна спирала. Карактеристики се: 11 базни парови по спирален круг, поголем дијаметар, пократка спирала. Се јавува: во дехидрирани услови, кај DNA-RNA хибриди, кај двоверижна RNA.

8. Z форма на DNA има левострана спирала. Карактеристики се: 12 базни парови по спирален круг, цик-цак структура на шеќер-фосфатниот скелет, помал дијаметар. Името Z-DNA доаѓа од: “zig-zag” конфигурацијата. Биолошко значење на Z-DNA може да се формира во региони богати со GC секвенци. Се смета дека учествува во регулација на генската експресија и геномската стабилност.

9. Функции на DNA

DNA има неколку фундаментални функции.

1. Складирање на генетска информација

DNA содржи генетски код. Кај човекот: геномот има околу 3.2 милијарди базни парови.

2. Репликација

DNA може да се самоудвојува. Репликацијата е полуконзервативна. Секој нов молекул содржи една стара влакна, едно нова нишка.

3. Транскрипција

DNA служи како матрица за синтеза на RNA.

4. Генетска варијабилност

DNA е подложна на: мутации, рекомбинации. Овие процеси создаваат генетска разновидност.

10. Клиничко значење

Нарушувања во структурата или функцијата на DNA доведуваат до: генетски заболувања, канцер, хромозомски синдроми. Примери: Даун синдром, цистична фиброза, Хантингтонова болест.

Заклучок

DNA е фундаментална биолошка макромолекула која ја складира генетската информација, ја пренесува при клеточна делба, ја реализира преку синтеза на протеини. Различните конформации на DNA (A, B и Z форма) покажуваат дека оваа молекула има структурна флексибилност, што е важно за нејзините биолошки функции и регулација на генската експресија.