Dezoksiribonukleīnskābe

Šis raksts ir par jēdzienu bioloģijā un ķīmijā. Par citām jēdziena DNS nozīmēm skatīt nozīmju atdalīšanas lapu.

DNS fragments; tas sastāv no divām savītām spirālēm

Dezoksiribonukleīnskābe, saīsinājumā DNS, ir viena no nukleīnskābēm un bioloģiska makromolekula, kas kalpo par galveno ģenētiskās informācijas nesēju visos šūnu organismos, kā arī daudzos, bet ne visos, vīrusos. Pēc ķīmiskās uzbūves DNS ir dezoksiribonukleotīdu lineārs polimērs, kura monomēri (nukleotīdi) sastāv no heterocikliskās slāpekļa bāzes, ogļhidrāta (monosaharīda pentozes) dezoksiribozes cikliskās formas un fosforskābes atlikuma. DNS sastāvā ir četras slāpekļa bāzes: adenīns (A), timīns (T), guanīns (G) un citozīns (C), un tieši šo bāzu secība DNS molekulā kodē bioloģisko informāciju. Šūnu organismos DNS parasti ir organizēta divu savstarpēji savītu polinukleotīdu pavedienu veidā, veidojot dubultspirāli. Divi komplementārie DNS pavedieni ir savienoti ar ūdeņraža saitēm starp atbilstošām slāpekļa bāzēm (A–T un G–C), kas nodrošina molekulas stabilitāti un precīzu ģenētiskās informācijas kopēšanu. Tomēr DNS var pastāvēt arī viena pavediena formā, kas raksturīga noteiktiem vīrusiem un dažām bioloģiskām situācijām. Atkarībā no organisma un šūnas tipa DNS molekulas kopējais garums var sasniegt pat vairākus milimetrus.

Eikariotu šūnās lielākā daļa DNS atrodas šūnas kodolā lineāru hromosomu veidā, kur tā ir cieši saistīta ar olbaltumvielām histoniem, kas nodrošina DNS organizāciju, iepakošanu un kompaktu telpisko struktūru. Prokariotos (baktērijās un arhejos) DNS parasti ir gredzenveida un lokalizēta nukleoīda apgabalā citoplazmā, nevis brīvi izkliedēta. Papildus tam eikariotu šūnās DNS sastopama arī mitohondrijos, bet augu un aļģu šūnās — hloroplastos, kur tā parasti ir gredzenveida.

DNS pamatfunkcijas ir ģenētiskās informācijas uzkrāšana, precīza kopēšana (replikācija) šūnu dalīšanās laikā un informācijas nodošana pēcnācējiem, tādējādi nodrošinot iedzimtību. DNS ietvertā informācija nosaka organisma attīstības programmu, šūnu diferenciāciju un fizioloģiskās īpašības. Noteikti gēni satur norādes ribonukleīnskābes (RNS) un olbaltumvielu sintēzei, un līdz ar to DNS ieņem centrālo vietu informācijas plūsmā no genotipa uz fenotipu, ko klasiskajā molekulārajā bioloģijā raksturo tā sauktā centrālā dogma (DNS → RNS → proteīns). Šo procesu norisi būtiski ietekmē arī regulējošie DNS elementi un epiģenētiskie mehānismi, kas nemaina DNS nukleotīdu secību, bet ietekmē gēnu aktivitāti. Mūsdienu zinātnē DNS ir centrāls jēdziens bioloģijā, medicīnā un biotehnoloģijās. Tās izpēte veido pamatu ģenētikai, molekulārajai bioloģijai un evolūcijas teorijai. Medicīnā DNS analīze tiek izmantota iedzimtu slimību un mutāciju diagnostikā, onkoloģijā, infekciju izraisītāju identificēšanā, personalizētajā medicīnā un tiesu ekspertīzē. DNS struktūras un funkciju atklāšana 20. gadsimtā būtiski mainīja izpratni par dzīvības molekulārajiem pamatiem, bet tādas mūsdienu metodes kā DNS sekvenēšana, gēnu inženierija un genoma rediģēšana, piemēram, CRISPR tehnoloģijas, ir kļuvušas par nozīmīgiem instrumentiem gan fundamentālajā pētniecībā, gan lietišķajā biomedicīnā.

Pētīšanas vēsture

Dubultspirāles modeļa izveidotāji Džeimss Votsons un Frānsiss Kriks (attēlā pa labi) ar Maklīnu Makārtiju (attēlā pa kreisi)

1869. gadā šveicietis Fridrihs Mišers no strutās esošajām leikocītu šūnām izdalīja kodolus un atklāja, ka to sastāvā ir no olbaltumvielām atšķirīga viela, kuras sastāvā ir daudz fosfora un maz sēra, un nosauca to par nukleīnu (no latīņu: nucleus — 'kodols'). Tālāk citi ķīmiķi turpināja nukleīna pētīšanu un atklāja tajā skābu vielu, ko nosauca par nukleīnskābi. Vēlāk atklāja, ka t.s. nukleīna sastāvā ir divu veidu nukleīnskābes: dezoksiribonukleīnskābe un ribonukleīnskābe.

1953. gadā dezoksiribonukleīnskābes molekulas struktūru izpētīja Džeimss Votsons un Frānsiss Kriks, un par to viņi 1962. gadā saņēma Nobela prēmiju fizioloģijā vai medicīnā.

Jaunas DNS ķēdes veidošanās

DNS dubultošanos un jaunas DNS ķēdes veidošanos sauc par replikāciju. Tā notiek pirms šūnu dalīšanās.

Replikācijai ir trīs posmi:

1. Attīšanās - DNS pavedieni atvijas un saites starp bāzu pāriem enzīma ietekmē tiek sarautas
2. Komplementāru (atbilstošu) pāru veidošanās - jauni komplementāri nukleotīdi, kuri vienmēr atrodas kodolā, tiek pievienoti aktīvajai DNS ķēdei pēc bāzu komplementaritātes principa (adenīns - timīns; guanīns - citozīns)
3. Savienošanās - pievienotie komplementārie nukleotīdi savienojas un veido jaunu dubultspirāli

DNS bojājumi un mutācijas

Vides faktoru un normālu vielmaiņas procesu rezultātā notiek DNS bojājumi. Bojājumi svarīgos gēnos var traucēt šūnas funkcijas un palielināt audzēju veidošanās varbūtību. Lielākā daļa bojājumu rada izmaiņas DNS ķēdes primārajā struktūrā, ķīmiski modificējoties bāzēm. Dažreiz, šūnām daloties, jaunizveidotajā šūnā var pazust vai parādīties no jauna kāda hromosoma. Šīs izmaiņas sauc par mutācijām.

DNS bojājumi var rasties gan endogēno (iekšējo), gan eksogēno (ārējo) faktoru iedarbībā.

Galvenie izraisītie bojājumu veidi ir šādi:

• bāzu oksidēšanās un DNS pavediena pārtraukšana brīvo radikāļu iedarbībā;
• bāzu alkilēšanās (parasti metilēšanās);
• bāzu hidrolīze — deaminēšana, depurinēšana, depirimidēšana;
• bāzu sajaukšana — kļūdas replikācijas procesā, kad tiek pievienota nepareiza bāze vai bāze ir izlaista, vai ievietota nepareizā vietā. Eksogēno faktoru iedarbība var būt dažāda:
• citozīna un timīna bāzu kroslinkings, ko izraisa ultravioletā gaisma, veidojot pirimidīna dimērus;
• DNS pavedienu bojājumi, ko izraisa jonizējošais starojums;
• ķīmikālijas (vinilhlorīds, ūdeņraža peroksīds, policikliskie ogļūdeņraži u. c.) izraisa DNS bāzu ķīmisko modifikāciju.

Šūnās eksistē speciāli mehānismi, lai iespēju robežās novērstu radušos bojājumus DNS. Šo iespēju nodrošina DNS dubultspirāles uzbūve. Ja bojāts ir tikai viens no abiem dubultspirāles pavedieniem, otrs tiek lietots kā šablons, lai veiktu korekcijas.

Ārējās saites

• Vikikrātuvē par šo tēmu ir pieejami multivides faili. Skatīt: Dezoksiribonukleīnskābe.

• Encyclopædia Britannica raksts (angliski)
• Mūsdienu Ukrainas enciklopēdijas raksts (ukrainiski)
• Krievijas Lielās enciklopēdijas raksts (2004-2017) (krieviski)
• Encyclopædia Universalis raksts (franciski)
• Dezoksiribonukleīnskābe| Medicīnas termins (latviski)
• DNS: grāmata par jums — Džo Hansons (latviski). TED-Ed (2012. gada 26. novembris).