Z czego zbudowany jest kod życia? Tajemnice budowy DNA

Spis treści:

1. Dekonstrukcja nukleotydu
2. Tworzenie łańcucha

Nie ulega wątpliwości, że kwas deoksyrybonukleinowy to jeden z najgenialniejszych tworów natury. Nie każdy wie, że DNA pojedynczej komórki zawiera około 6 miliardów par zasad, co w przeliczeniu na jednostki cyfrowe przekłada się na około 1,5 gigabajta danych. Organizm dorosłego człowieka składa się z kilkudziesięciu bilionów komórek. Sumując je wszystkie, należy przyjąć, że cząsteczki DNA we wszystkich komórkach organizmu gromadzą ponad 40 zettabajtów danych, czyli wielokrotnie więcej niż wynosi szacunkowa pojemność wszystkich serwerowni Google na świecie. Genetyka odsłoniła przed nami tajemnice DNA już w XX wieku, gdy powstało słynne „Zdjęcie 51”, niepodważalny dowód na jego helikalną strukturę.

Dekonstrukcja nukleotydu

Żeby zrozumieć, jak zbudowana jest cała struktura DNA, najpierw należy rozłożyć ją na najmniejsze jednostki budulcowe. Tą fundamentalną „cegiełką” jest cząsteczka zwana nukleotydem. Każdy z miliardów tworzących DNA nukleotydów jest precyzyjnie skonstruowany z trzech odrębnych komponentów. Razem wzięte, tworzą jednostkę zdolną zarówno do budowania struktury, jak i do przenoszenia informacji.

Trzy filary

Centralnym elementem każdego nukleotydu DNA jest pięciowęglowy cukier (pentoza) o nazwie deoksyryboza. To coś w rodzaju szkieletu, do którego przyłączone są pozostałe dwa komponenty. Cząsteczka ta jest blisko spokrewniona z innym cukrem, rybozą, występującą w RNA. Jednak brakuje jej jednej grupy hydroksylowej (-OH) przy drugim atomie węgla w pierścieniu. Ta pozornie niewielka modyfikacja chemiczna znacząco zwiększa stabilność kwasu deoksyrybonukleinowego, czyniąc go idealnym materiałem do długoterminowego przechowywania informacji genetycznej, w przeciwieństwie do bardziej reaktywnego i krótkotrwałego RNA.

Do piątego atomu węgla w cząsteczce deoksyrybozy przyłączona jest (wiązaniem estrowym) reszta kwasu fosforowego, zwana grupą fosforanową. Pełni ona rolę kluczowego łącznika – swoistego „zaczepu”, który w przyszłości połączy jeden nukleotyd z następnym, tworząc długi łańcuch. Grupy fosforanowe niosą ze sobą ujemny ładunek elektryczny, co nadaje całej cząsteczce DNA silnie ujemny charakter. Ta właściwość jest niezwykle ważna, ponieważ wpływa interakcje DNA z białkami, które często mają dodatnio naładowane obszary.

Prawdziwym centrum informacyjnym nukleotydu jest zasada azotowa, przyłączona do pierwszego atomu węgla deoksyrybozy wiązaniem glikozydowym.

W DNA występują cztery różne zasady, które stanowią „litery” genetycznego alfabetu:

• adenina (A),
• guanina (G),
• cytozyna (C)
• i tymina (T).

To właśnie sekwencja, czyli kolejność tych czterech zasad w łańcuchu DNA, koduje wszystkie instrukcje potrzebne do budowy i funkcjonowania organizmu.

Puryny i pirymidyny

Cztery zasady azotowe nie są sobie równe pod względem budowy chemicznej. Dzielą się na dwie odrębne grupy, a ta klasyfikacja ma fundamentalne znaczenie dla struktury całej podwójnej helisy. Grupy, o których mowa, to:

• puryny – należą do nich adenina i guanina. Są to większe cząsteczki, zbudowane z dwóch połączonych ze sobą pierścieni węglowo-azotowych;
• pirymidyny – to cytozyna i tymina, mniejsze cząsteczki, składające się z pojedynczego pierścienia węglowo-azotowego.

To właśnie owa różnica w wielkości jest kluczem do geometrycznej doskonałości helisy DNA. Duża puryna zawsze tworzy parę z małą pirymidyną, a to gwarantuje, że każdy „szczebel drabiny” DNA ma dokładnie taką samą szerokość. To sprawia, że cała struktura idealnie regularna, bez żadnych zwężeń, które mogłyby ją zdestabilizować.

Tworzenie łańcucha

Nukleotydy są jak pojedyncze litery alfabetu, które osobno nie znaczą nic. Każda komórka musi je połączyć w łańcuchy polinukleotydowe, które w tym porównaniu pełnią funkcję spójnych zdań.

Wiązania fosfodiestrowe

Kluczem do połączenia nukleotydów jest silne wiązanie kowalencyjne, nazywane wiązaniem 3',5'-fosfodiestrowym. Grupa fosforanowa, przyłączona do piątego atomu węgla (oznaczanego jako 5') w deoksyrybozie jednego nukleotydu, tworzy wiązanie z grupą hydroksylową (-OH) znajdującą się przy trzecim atomie węgla (3') w deoksyrybozie kolejnego nukleotydu.

W następstwie wielokrotnie powtarzającego się procesu, powstaje niezwykle wytrzymały szkielet cukrowo-fosforanowy, który stanowi „poręcze” drabiny DNA. To coś w rodzaju strukturalnego kręgosłupa cząsteczki, podczas gdy zasady azotowe wystają do wewnątrz niczym szczeble.

Polarność

Konsekwencją takiego sposobu łączenia jest powstanie polarności, czyli kierunkowości łańcucha. Nukleotydy są dodawane w określony sposób (koniec 5' jednego do końca 3' drugiego), więc cały łańcuch ma dwa chemicznie różne końce. Na jednym krańcu pozostaje wolna grupa fosforanowa przy węglu 5'. Ten koniec nazywamy końcem 5'. Na przeciwnym krańcu znajdzie się wolna grupa hydroksylowa przy węglu 3'. To koniec 3'.

To właśnie kierunkowość stanowi fundamentalną, fizyczną i chemiczną oś, wzdłuż której działa przetwarzająca informację genetyczną „maszyneria komórkowa”. Enzymy odpowiedzialne za kopiowanie DNA (polimerazy DNA) potrafią poruszać się wzdłuż nici tylko w jednym kierunku, dobudowując nowe nukleotydy wyłącznie do wolnego końca 3' rosnącego łańcucha. Mechanizm chemiczny tej reakcji, polegający na ataku grupy 3'-OH na przyłączany nukleotyd, uniemożliwia dobudowywanie w drugą stronę.

Ta zasada ma fundamentalne znaczenie dla skomplikowanych procesów, takich jak replikacja DNA, i wyjaśnia, dlaczego komórka musiała wyewoluować wyrafinowane strategie, żeby mogła poradzić sobie z tym ograniczeniem.

Arcydzieło natury

Gdy wszystkie elementy składowe znajdą się na swoim miejscu, powstaje finalna konstrukcja. Mowa o cząsteczce DNA, nazywanej podwójną helisą, która składa się z dwóch łańcuchów polinukleotydowych, skręconych śrubowo wokół własnej osi.

Nasz autor

Artur Białek

Dziennikarz i redaktor. Wcześniej związany z redakcjami regionalnymi, technologicznymi i motoryzacyjnymi. W „National Geographic” pisze przede wszystkim o historii, kosmosie i przyrodzie, ale nie boi się żadnego tematu. Uwielbia podróżować, zwłaszcza rowerem na dystansach ultra. Zamiast wygodnego łóżka w hotelu, wybiera tarp i hamak. Prywatnie miłośnik literatury.