DNA - Deoxyribonucleic Acid, חומצה דאוקסיריבונוקלאית, הינו פולימר ליניארי המורכב מארבעה בסיסים שונים: אדנין – A, , גואנין - G , ציטוזין – C ותימין – T.
במולקולת ה – DNA הבסיסים החנקניים קשורים למולקולת סוכר – דאוקסיריבוז ומתקבלים הנוקלאוטידים:
הנוקלאוטידים במולקולת ה – DNA קשורים זה לזה בקשר פוספודיאסטרי. קשרים אלה נוצרים בין קבוצת הידרוקסיל של הפוספט הקשור לפחמן מספר 5 של סוכר מנוקלאוטיד אחד לבין קבוצת הידרוקסיל הקשורה לפחמן מספר 3 של הסוכר בנוקלאוטיד השכן.
הסוכר - דאוקסיריבוז וקבוצות הפוספט מהווים את השלד של מולקולת ה – DNA בעוד הבסיסים החנקנים אוצרים את המידע הגנטי.
כיוון ה - DNA: קצה '3 שמכיל הידרוקסיל חופשי שקשור לפחמן מספר 3 של הסוכר וקצה '5 המכיל שייר חופשי של קבוצת פוספט הקשורה לפחמן מספר 5 . קצה '5 נחשב לתחילת השרשרת וקצה '3 נחשב לסופה.
שתי השרשרות המרכיבות את הסליל הכפול של ה DNA אינן מקבילות, קצה '5 של שרשרת אחת נמצא מול קצה '3 של השרשרת השניה באותה מולקולה. שני הגדילים שמרכיבים את אותה מולקולת DNA נקראים גדילים משלימים מאחר והם משלימים זה את זה בסדר הנוקלאוטידים שלהם.
הבסיסים החנקניים מסודרים כך שמול בסיס מסוג פורין ימצא בסיס מסוג פירימידין. בסיסי הפורינים והפירימידים נקשרים אחד אל השני באופן ספציפי, גואנין נקשר לציטוזין ואדנין נקשר לתימין.
הקשרים בין הבסיסים הים קשרי מימן. ריבוי קשרי המימן מעניק לשרשרות יציבות וקשיחות אם כי הסליל עדיין גמיש יחסית ולכן ניתן לקיפול.
מבנה ה - DNA מתקיים בתא בצורות שונות
שני גדילי ה - DNA מתלפפים זה סביב זה ויוצרים פיתולים בזוויות שונות, אשר מאפשרות קונפורמציות שונות של מולקולת דנ"א בתנאים שונים: DNA- A, DNA-B, DNA-Z.
DNA - B
הצורה הרגילה של דנ"א - DNA-B הינה הצורה הנפוצה בתאים. DNA - B הינו בעל סיבוב ימני. הבסיסים החנקניים נמצאים כמעט בניצב לציר הסליל וכל זוג הבסיסים נמצא ב- 36 מעלות ביחס לבסיסים הסמוכים. כל סיבוב שלם של הסליל מקיף 3.4 ננומטר או 10 זוגות בסיסיים. הסיבובים ב – DNA-B יוצרים תעלות גדולות ותעלות קטנות - major and minor grooves. כתוצאה מכך יש נגישות מבחוץ לאטומים שבקצוות כל בסיס הנמצא בתעלה. כך נוצרים שני משטחי קשירה אופציונליים. חלבונים קושרי DNA יכולים "לקרוא"/לזהות את רצף הבסיסים ב DNA ע"י קישור לאטום הנמצא בתעלות.
הקוטר של סליל ה – DNA – B, המרחק בין אטומי זרחן של זוג בסיס משלים אחד, הינו- 2 ננומטר, ובסיסים של פורין ו- פירימידין תופסים 3/5 ו -2.5 ממרחק זה, בהתאמה. עומק התעלות הגדולות והתעלות הקטנות - major and minor grooves הינו 0.85 ננומטר ו 0.75 ננומטר, בהתאמה. רוחב התעלות הגדולות והתעלות הקטנות - major and minor grooves הינו 1.2 ננומטר ו 0.6 ננומטר, בהתאמה.
DNA - A צורה פחות שכיחה של DNA. בדומה ל - DNA – B, מבנה סליל ה - DNA-A הינו בעל סיבוב ימני. בהשוואה ל DNA - B, התעלות הגדולות - major grooves עמוקות וצרות יותר ואילו התעלות הקטנות - minor grooves שטוחות יותר ונגישות יותר לחלבונים. צורה זו עדיפה בתנאים בהם ריכוז המים נמוך.
DNA- Z
בניגוד לצורת ה - DNA-B וה - DNA-A, מבנה סליל ה - DNA-Z הינו בעל פיתול שמאלי.
צורה זו עדיפה בריכוזי מלח גבוהים. מבנה סליל ה - DNA-Z צר יותר והתעלות הגדולות - majorgrooves אינן בולטות יותר ואילו התעלות הקטנות - minor grooves שטוחות.
שכפול ה - DNA
על מנת שכל יצור רב תאי יוכל להתפתח מתא אחד, דרוש תהליך חלוקה והתמיינות תאים לרקמות ואיברים שונים. מתא יחיד מתפתחים בעלי חיים בעלי מיליארדי תאים. לתאי הגוף מערכת כרומוזומים זהה ולכולם יש אותו מידע תורשתי.
על מנת שהמידע התורשתי יישמר חייב להיות מנגנון חלוקה אשר יבטיח את שכפול ה – DNA, בדרך אשר תשמור על כמותו ועל הרכבו בשעה שנוצרים תאים חדשים מתא-אם אחד.
חלוקת תאים מתאפשרת, בין השאר, עלי ידי היכולת לשכפול ה – DNA. בתהליך השכפול, כל אחד מזוג הגדילים משמש תבנית ליצירת גדיל חדש. בכל אחד מתאי הבת מתקבלת מולקולת DNA זהה לזה של תא האם. תהליך השכפול מורכב משלבים אחדים ומעורבים בו אנזימים שונים.
היות וסליל ה – DNA בנוי משני גדילים משלימים אשר קשורים בקשרי מימן, בתחילה ישנו צורך ב"פרימת" ה – DNA לשני גדילים נפרדים, לאחר שלב זה, ניתן לשכפל כל אחד מהגדילים למולקולת DNA חדשה.
השלבים בתהליך השכפול שלב ראשון - שני הגדילים המפותלים, שבונים את הסליל הכפול של מולקולת הדנ"א, מתיישרים. אנזימים מיוחדים "מיישרים" את המולקולה על ידי פיתול הגדילים בכיוון מנוגד לכיוון הפיתול הרגיל.
שלב השני - לאחר יישור הגדילים, הגדילים נפרמים – לקבלת שני גדילים נפרדים זה מזה. פרימת הגדילים מתאפשרת על ידי האנזים הליקאז (Helicase) על ידי ניתוק קשרי מימן בין הגדילים.
אזור היפרדות הגדילים דומה בצורתו לאות Y ומכונה מזלג השכפול - Replication fork. מזלג השכפול מתקדם כל עוד נמשכת פתיחת הגדילים.
מספר אזורים ב – DNA עשויים לעבור תהליך שכפול, כך שבתהליך השכפול יכולים להיווצר מספר מזלגות שכפול.
שלב שלישי - לאחר ההפרדה, משמש כל גדיל כתבנית, אשר לפיה נבנה גדיל משלים. בניית הגדילים המשלימים נעשית על ידי האנזים דנ"א פולימראז - DNA Polymerase. דנ"א פולימראז "סורק" את גדילי ה – DNA ומחבר אליהם נוקלאוטידים משלימים. כך שמשני הגדילים המופרדים, מתקבלות שתי מולקולות DNA חדשות.
מנגנוני שכפול DNA
באופן תיאורטי שכפול ה – DNA עשוי להתרחש בשלוש דרכים אפשריות:
• שכפול שמרני – conservative . גדילי ה - DNA המקורי נשארים יחדיו ונוצרות שתי מולקולות חדשות של DNA.
• שכפול שמרני למחצה – semi-conservative מכל אחד מגדילי ה- DNA נוצרת מולקולה חדשה של DNA, המורכבת מגדיל ישן וגדיל משלים.
• שכפול מפוזר / אקראי – dispersive. שתי מולקולות ה – DNA החדשות מכילות מקטעים מגדילי ה - DNA המקורי ומקטעי DNA חדשים.
ניסוי מסלזון וסאטל - Meselson and Stahl
החוקרים גדלו חיידקי E.coli על 2 מצעי מזון. מקור החנקן במצע אחד היה איזוטופ של חנקן "כבד" 15N – איזוטופ החנקן שימש לבניית נוקלאוטידים המרכיבים את ה – DNA.
מקור החנקן במצע אחד היה איזוטופ של חנקן רגיל "קל" 14N.
לאחר מספר דורות חלוקה הופרדו מולקולת הדנ"א באמצעות צזיום כלוריד והתקבל פס משקע יחיד המתאר את צפיפות מולקולת הדנ"א.
תוצאות הסרכוז אישרו את השערתם של ווטסון וקריק ששכפול הדנ"א הוא שכפול שמרני למחצה, כלומר: גדיל חדש שלם של דנ"א נוצר על גבי גדיל שלם קיים, המשמש לו כ"תבנית". מול כל נוקלאוטיד בגדיל הקיים ניצב הנוקלאוטיד המשלים בגדיל החדש.
בניסוי זה נשלל המנגנון השמרני והמנגנון המפוזר / אקראי.
הפיכת המידע השמור ב – DNA לחלבונים
רוב המידע השמור ב – DNA משמש ליצירת חלבונים, למעט סלילי RNA ריבוזומלי. המידע השמור ב – DNA אשר מקודד ליצירת חלבונים נמצא במקטעים בשם גנים. בכל גן קיים רצף נוקלאוטידים אשר מקודד ליצירת חלבון מסוים.
