thumb|Dvojzávitnica DNA v B forme. Pentózofosfátová kostra je naznačená len schematicky, detailne sú vykreslené iba bázy.
Deoxyribonukleová kyselina alebo DNА (iné názvy pozri nižšie) je prírodný polymér zložený z deoxyribonukleotidov. Spolu s kyselinou ribonoukleovou (RNA) patrí medzi nukleové (jadrové) kyseliny. Označujú sa ako nukleové preto, lebo boli objavené v bunkovom jadre ().
DNA je nositeľkou genetickej informácie bunky, riadi rast, delenie a regeneráciu bunky.
Názvy Slovenské názvy tejto kyseliny sú: deoxyribonukleová kyselina, kyselina deoxyribonukleová; skôr staršie: dezoxyribonukleová kyselina (Poznámka: Heslo „dezoxy-“ odkazuje na „deoxy-“), kyselina dezoxyribonukleovákyselina dezoxyribonukleová. In: Malá encyklopédia biológie. Obzor. 1975, S. 257; . Slovenská skratka tohto názvu je DNA (prevzatá z angličtiny) alebo DNK (vznikla skrátením slovenského názvu); anglická skratka je DNA a pochádza z angl. názvu deoxyribonucleic acid.
Základná charakteristika
Väčšinou je DNA v bunke uložená ako dvojzávitnicová špirála, ktorej vlákna majú navzájom opačnú orientáciu fosfodiesterových väzieb (sú antiparalelné). Dvojzávitnica DNA je veľmi tenká, ale zároveň dosahuje veľkú dĺžku, ktorá mnohonásobne presahuje dĺžku celej bunky. Preto je v bunke veľmi poohýbaná a zvinutá. Prokaryotické organizmy, čiže mikroorganizmy bez bunkového jadra, majú iba jednu pre život nevyhnutnú molekulu DNA v bunke. Je umiestnená voľne v cytoplazme a jej konce sú väčšinou spojené. Eukaryotické organizmy, čiže organizmy s bunkovým jadrom, majú hlavnú časť DNA v jadre, kde tvorí niekoľko oddelených molekúl, spravidla s voľnými koncami. Okrem hlavnej DNA, označovanej ako chromozomálna DNA, majú organizmy menšie molekuly DNA uložené v bunkových organelách, alebo v krátkych do kruhu uzavretých úsekoch umiestnených v cytoplazme, tzv. plazmidoch. Genetická informácia zapísaná v DNA sa realizuje prostredníctvom dvoch základných krokov, a to transkripcie a translácie.
Základné zložky DNA, jej monoméry, sa nazývajú deoxyribonukleotidy, čo je typ nukleotidov. Každý deoxyribonukleotid pozostáva z troch zložiek: fosfátového zvyšku kyseliny fosforečnej (PO43−), molekuly deoxyribózy, dusíkatej bázy. Dusíkaté bázy tvoriace štruktúru DNA sú štyri: adenín (A), guanín (G), cytozín (C) a tymín (T). Spájajú obe vlákna dvojzávitnice DNA pomocou vodíkových väzieb, pričom platí princíp tzv. komplementarity báz. Komplementarita znamená, že adenín sa v DNA prednostne páruje s tymínom z druhého vlákna dvojzávitnice a guanín s cytozínom.
Poradie jednotlivých dusíkových báz je kľúčové v prenose genetickej informácie. Funkčné úseky DNA, ktoré dokážu určité enzýmy prepísať do RNA, sa nazývajú gény. Tri dusíkaté bázy, ktoré nasledujú za sebou v sekvencii, tvoria triplet, základnú informačnú jednotku pri syntéze bielkovín. Súbor pravidiel, ktorým sú týmto tripletom priradzované aminokyseliny, sa nazýva genetický kód.
Význam Všetky v súčasnosti žijúce organizmy okrem sporných útvarov na hranici medzi živým a neživým potrebujú na svoje množenie DNA. V DNA je totiž obsiahnutá informácia na tvorbu základných stavebných komponentov bunky – proteínov – a prostredníctvom DNA je táto informácia dlhodobo skladovateľná a replikovateľná. DNA má každý jedinec spomedzi bunkových foriem života a niektoré vírusy. Ďalšie vírusy, retrovírusy, v sebe neobsahujú DNA, iba RNA, ale aj táto RNA musí byť na zmnoženie vírusovej častice najprv prepísaná v hostiteľskej bunke do DNA pomocou enzýmu zvaného reverzná transkriptáza. Iné vírusy zase ale uskutočňujú kopírovanie svojej genetickej informácie len podľa RNA a DNA forma sa v ich životnom cykle nevyskytuje.
DNA je potrebná na množenie buniek, ich rast, špecializáciu v určitej funkcii (diferenciáciu), signalizáciu, ale aj na základné životné pochody v bunkách, ktoré nemusia vykonávať nijakú zo spomenutých aktivít. V každej bunke totiž pod vplyvom nepriaznivých vonkajších faktorov, ale aj samovoľnými procesmi, časom jej stavebné a funkčné makromolekuly zanikajú. Preto musia byť neustále tvorené nové molekuly podľa vzoru zapísaného v DNA. Bunky, ktoré neobsahujú DNA, alebo podľa ich DNA nie je možné vytvárať proteíny (DNA je v kondenzovanom stave), majú obmedzenú životnosť. Takéto bunky sa nemôžu replikovať a tvorba ďalších takýchto buniek je závislá na bunkách, ktoré majú funkčnú, teda transkripčne aktívnu, DNA. Neplatí, že každá bunka, ktorá má transkripčne aktívnu DNA, je schopná sa deliť, no je to jeden z nevyhnutných predpokladov. Keďže DNA je pre život buniek a organizmov z dlhodobého hľadiska nevyhnutná, v priebehu evolúcie sa v organizmoch vyvinuli mechanizmy, ako v prípade poškodenia DNA toto poškodenie opraviť.
Genetickú informáciu obsiahnutú v DNA, ani množenie a opravy poškodenej DNA, však nie je možné realizovať bez už existujúcich proteínov. Proteíny a DNA sú od seba vo svojom vzniku a šírení vzájomne závislé.
Vedci však uvažujú, že prvé živé organizmy na Zemi obsahovali ako základnú genetickú informáciu RNA a len prostredníctvom RNA sa dokázali rozmnožovať. Táto teória, ktorá predpokladá, že na všetky základné procesy stačila RNA, sa nazýva RNA svet. Neskôr boli vytlačené efektívnejšími a odolnejšími DNA formami života.
Dejiny výskumu thumb|left|Objavitelia štruktúry DNA James Dewey Watson a Francis Crick (vpravo) si podávajú ruky s Maclynom McCartym (vľavo) Nukleové kyseliny objavil v roku 1869 švajčiarsky lekár Friedrich Miescher. Jemu sa ako prvému podarilo z jadier bielych krviniek hnisu izolovať hmotu, ktorú nazval nukleín. Vzorka však nebola dosť čistá na to, aby sa mohla ďalej skúmať. Phoebus Levene začiatkom 20. storočia zistil, že DNA sa skladá z cukrov, fosfátov a báz. Jej funkcia v prenose genetickej informácie však dlho nebola známa. Jedna teória totiž hovorila, že genetická informácia sa prenáša vo forme špecializovaných bielkovín a nie DNA. Až v roku 1943 priniesol slávny Averyho-MacLeodov-McCartyho experiment prvý dôkaz o úlohe DNA v dedičnosti. Oswald Avery, Colin Munro MacLeod a Maclyn McCarty sériou pokusov s transformáciou pneumokokov zistili, že DNA je genetickým materiálom buniek. Ďalším dôkazom bol Hersheyho-Chaseovej experiment v roku 1952.
Erwin Chargaff so svojimi študentmi na základe analýz rôznych vzoriek DNA zistil, že pomer adenínu k tymínu a pomer guanínu a cytozínu je v nich rovnaký. Vzájomný pomer dvojíc adenín-tymín k dvojici guanín-cytozín bol rozdielny. Chargaff považoval tieto výsledky za významné, ale nevedel pre ne nájsť vysvetlenie. Pomery báz, ktoré odvodil, sa nazývajú Chargaffove pravidlá.
Odhalenie trojrozmernej štruktúry DNA bolo v jej výskume veľmi významným míľnikom. Objav dvojzávitnicovej štruktúry sa spája s menami Jamesa Watsona a Francisa Cricka. Pred vypracovaním Watsonovho-Crickovho modelu už bolo známe, že DNA je tvorená monomérmi – nukleotidmi, ktoré sa líšia svojimi dusíkatými bázami. Dlho však nebolo jasné, ako sú nukleotidy usporiadané za sebou do polynukleotidového reťazca, či v ich usporiadaní existujú nejaké zákonitosti, koľko polynukleotidových reťazcov tvorí jednu molekulu DNA a aká je priestorová orientácia reťazca. Dôležitý pokrok v poznaní štruktúry DNA urobil S. Furberg, ktorý v roku 1949 objavil, že rovina dusíkatej bázy v nukleotide je takmer kolmá na rovinu, v ktorej leží väčšina atómov cukornatej zložky. Výskumná skupina Alexandra Todda v roku 1951 zistila, že nukleotidy sú spojené fosfodiesterovou väzbou spájajúcou 5' atóm cukru s 3' atómom cukru nasledujúceho nukleotidu. Problémom priestorového usporiadania atómov v DNA sa však nezaoberali. Správny priestorový model DNA predstavili až Watson a Crick v roku 1953 v časopise Nature. Pri tomto objave vychádzali z röntgenovej difrakčnej analýzy, ktorú rok pred ich publikáciou vykonali Rosalind Elsie Franklinová a Raymond Gosling a tiež publikovali v rovnakom čísle časopisu Nature. Z odhalenie štruktúry DNA dostali Watson a Crick Nobelovu cenu za fyziológiu alebo medicínu v roku 1962. Crick predložil v roku 1957 sériu pravidiel označovaných ako centrálna dogma molekulárnej biológie. Tieto pravidlá popisujú vzťahy medzi DNA, RNA a proteínmi.Crick, F.H.C. On degenerate templates and the adaptor hypothesis (PDF). genome.wellcome.ac.uk (Lecture, 1955). Accessed 22 December 2006 V nasledujúcom roku Meselsonov–Stahlovv experiment predstavil spôsob, akým je DNA v bunkách množená. Na začiatku 60. rokov Har Gobind Khorana, Robert W. Holley a Marshall Warren Nirenberg rozlúštili genetický kód.The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1968 Nobelprize.org Accessed 22 December 06 V roku 1980 dostali Walter Gilbert a Frederick Sanger Nobelovu cenu za objav metódy, ktorou možno určiť poradie báz v DNA.
Štruktúra DNA
Primárna štruktúra thumb|right|250px|Primárna štruktúra DNA DNA je polymér, čiže molekula zložená z mnohých jednotiek zvaných monoméry. Monoméry DNA sa nazývajú deoxyribonukleotidy, niekedy sa požíva aj názov nukleotidy, čo je súhrnný názov pre monoméry DNA – deoxyribonukleotidy a monoméry RNA – ribonukleotidy. Do polynukleotidového reťazca sú deoxyribonukleotidy spojené esterovou (fosfodiesterovou) väzbou. Deoxyribonukleotid tvorí zvyšok kyseliny trihydrogenfosforečnej deoxyribonukleozid cukor deoxyribóza dusíkatá báza
Dusíkatých báz je známych niekoľko, v DNA sa však uplatňujú len štyri: adenín (skratka A), tymín (T), guanín (G) a cytozín (C). Spojením adenínu s deoxyribózou vzniká deoxyadenozín (skratka dA), spojením tymínu s deoxyribózou deoxytymidín (dT), atď. Keďže kyselina fosforečná a deoxyribóza sú spoločné zložky pre všetky nukleotidy, jednotlivé nukleotidy sa od seba odlišujú len bázou. Práve bázy sú zodpovedné za kľúčovú schopnosť DNA zaznamenávať a prenášať genetickú informáciu. Deoxyribózová a kyselinová zložka slúžia na to, aby držali bázy vo vhodných polohách a vzdialenostiach. Tieto dve zložky tvoria takzvanú pentózafosfátovú kostru DNA.
Väzba sa vytvára medzi zvyškom kyseliny trihydrogenfosforečnej na 5. uhlíkovom atóme pentózy jedného nukleotidu a hydroxylovou skupinou viazanou na 3. uhlíkovom atóme pentózy susedného nukleotidu. Sú teda viazané 3',5'-fosfodiesterovou väzbou (čítaj tri s čiarou päť s čiarou fosfodiesterovou väzbou), zapisovanou aj ako 5'-3'-fosfodiesterová väzba. Na vlákne DNA s nespojenými koncami (lineárnej molekule) rozlišujeme dva konce: na 5' konci je vlákno ukončené fosfátom a na 3' konci je vlákno ukončené hydroxylovou –OH skupinou. Na rozdiel od primárnej štruktúry bielkovín, na ktorej sa podieľa 21 aminokyselín, primárna štruktúra nukleových kyselín obsahuje iba štyri rôzne nukleotidy, pričom pomer adenínu s tymínom (A : T) a guanínu s cytozínom (G : C) je rovný 1 : 1. Niektoré z báz (u človeka odhadom asi 1 %) môžu byť metylované. U zvierat je toto percento i niekoľkonásobne vyššie (napríklad u makakov je to až 6 %).
Poradie nukleotidov – sekvencia DNA – sa udáva vždy pre jedno z dvoch vlákien vypísaním jednotlivých nukleotidov od 5' konca k 3' koncu. Každý nukleotid sa označuje jednopísmenovou skratkou dusíkatej bázy, ktorú obsahuje. Veľkosť genómu jednotlivých organizmov alebo organel sa udáva počtom bázových párov (skratka bp), ktoré obsahuje ich DNA.
Komplementárnosť thumb|left|250px|Watsonovo-Crickovo párovanie guanínu s cytozínom thumb|left|250px|Watsonovo-Crickovo párovanie adenínu s tymínom