DNA

Iskimatikong paglalarawan ng DNA na pinapakita ang kayarian niyang dobleng likaw (ang double helix).

Ang Deoxyribonucleic acid (DNA) (Tagalog: asidong deoksiribonukleiko) ay isang nukleikong asido na naglalaman ng mga henetikong instruksiyon na ginagamit sa pag-unlad at paggana ng lahat ng alam na mga buhay na organismo maliban sa mga RNA virus. Ang mga segmentong DNA na nagdadala ng mga henetikong impormasyong ito ay tinatawag na mga gene. Gayundin, ang ibang mga sekwensiyang DNA ay nag-aangkin ng istraktural na mga tungkulin o sangkot sa pagreregula ng paggamit ng henetikong impormasyong ito. Kasama ng RNA at mga protina, ang DNA ay isa sa tatlong pangunahing makromolekula na mahalaga para sa lahat ng alam na mga anyo ng buhay.

Animasyon ng DNA

Ang DNA ay binubuo ng dalawang mahabang polimero ng mga simpleng unit na tinatawag na nucleotide na may mga likurangbuto(backbone) na gawa sa asukal(sugar) at mga pangkat phospate na pinagsanib ng mga bigkis na ester(ester bonds). Ang dalawang mga strandong(strands) ito ay tumatakbo sa magkabaliktad na mga direksiyon sa bawat isa at kaya ay anti-paralelo. Ang mga nakakabit sa bawat asukal ay isa sa apat na mga uri ng molekulang tinatawag na nucleobases(na inpormal na tinatawag na bases. Ang sekwensiya ng mga apat na nucleobases sa kahabaan ng likurangbuto(backbone) na nagkokodigo ng impormasyon. Ang impormasyong ito ay binabasa gamit ang henetikong kodigo(genetic code) na tumutukoy sa sekwensiya ng mga asidong amino sa loob ng mga protina. Ang kodigong ito ay binabasa sa pamamagitan ng pagkokopya ng mga hatak(stretches) ng DNA sa mga kaugnay na nukleikong asidong RNA sa isang prosesong tinatawag na transkripsiyon.

Sa loob ng mga selula, ang DNA ay isinaayos sa mahabang mga istrakturang tinatawag na kromosoma. Sa paghahati ng selula, ang mga kromosomang ito ay dinuduplika(duplicated) sa prosesong tinawatag na Replikasyon ng DNA na nagbibigay sa bawat selula ng kumpleto nitong hanay ng mga kromosoma. Ang mga eukaryotikong organismo(mga hayop, halaman, fungi at protista) ay nag-iimbak ng halos lahat ng mga DNA nito sa loob ng nucleus ng selula at ilang mga DNA nito sa organelo(organelles) gaya ng mitochondria o chloroplast. Salungat dito, ang mga prokaryote(bacteria at archaea) ay nag-iimbak ng DNA ng mga ito sa cytoplasma lamang. Sa loob ng mga kromosoma, ang mga protinang chromatin gaya ng histone ay nagsisiksik at nagsasaayos ng DNA. Ang mga siksik na istrakturang ito ay gumagabay sa mga interaksiyon sa pagitan ng DNA at ibang mga protina na tumutulong sa pagkontrol kung aling mga parte ng DNA ay tinatranskriba.

Mga katangian

Ang DNA ay isang mahabang polimero na gawa mula sa paulit ulit na unit na tinatawag na mga nucleotide. Gaya ng unang pagkakatuklas nina James D. Watson at Francis Crick, ang istraktura ng DNA ng lahat ng mga species ay binubuo ng dalawang helical na mga kadena(chains) na ang bawat isa ay nakapulupot sa parehong aksis at ang bawat isa ay may pitch na 34 Ångströms (3.4 nanometro) at radius na 10 Ångströms (1.0 nanometro). Ayon sa isa pang pag-aaral, kung ito ay susukatin sa isang partikular na solusyon, ang kadenang DNA ay may sukat na 22 hanggang 26 na Ångströms na lawak (2.2 hanggang 2.6 nanometro), at ang isang nucleotide na unit ay may sukat na 3.3 Å (0.33 nm) na haba. Bagaman ang bawat indibidwal na umuulit na unit ay napakaliit, ang mga DNA na polimero ay maaaring napakalaking mga molekula na naglalaman ng mga milyong nucleotide. Halimbawa, ang pinakamalaking kromosoma sa tao na kromosoma 1 ay tinatayang may 220 milyong base na mga pares na haba.

Sa mga buhay na organismo, ang DNA ay hindi karaniwang umiiral bilang isang molekula kundi bagkus ay isang pares ng mga molekula na mahigpit na magkabigkis. Ang dalawang mahabang mga strandong(strands) ito ay magkapulupot tulad ng mga baging sa hugis ng isang dobleng helix. Ang nucleotide na magkaulit(repeats) ay naglalaman ng parehong segmento ng likurangbuto ng molekula na nagbibigkis ng kadena at isang nucleobase na nakikipag-ugnayan sa ibang mga strando ng DNA sa helix. Ang isang nucleobase na kaugnay ng isang asukal ay tinatawag na nucleoside at ang isang base na kaugnay sa isang asukat at isa o maraming mga pangkat phosphate ay tinatawag na nucleotide. Ang mga polimero na binubuoi ng maraming magkakaugnay(linked) na nucleotide(gaya ng sa DNA) ay tinatawag na polynucleotide.

Ang likurangbuto ng strandong DNA ay gawa mula sa salit salit(alternating) na phosphate at mga nalalabing(residue) asukal. Ang asukal(sugar) sa DNA ang 2-deoxyribose na isang pentos(limang carbon) na asukal. Ang mga asukal ay pinagdugtong ng mga pangkat phosphate na bumubuo ng mga bigkis(bonds) na phosphodiester sa pagitan ng ikatlo at ikalimang mga atomong carbon ng magkatabing mga singsing(rings) na asukal. Ang mga asimetrikong bigkis na ito ay nangangahulugan ang isang strando ng DNA ay may direksiyon. Sa isang dobleng helix, ang direksiyon ng mga nucleotide sa isang strando ay kabaligtaran sa kanilang direksiyon sa ibang stando. Ang mga strandong ito ay anti-parelelo. Ang asimetrikong mga dulo ng mga strandong DNA ay tinatawag na 5′ (limang prime) at 3′ (tatlong prime) mga dulo na ang 5' dulo ay may terminal na pangkat phosphate at ang 3' dulo ay may terminal na pangkat hydroxyl group. Ang isang malaking pagkakaiba sa pagitan ng DNA at RNA ang asukal na ang 2-deoxyribose sa DNA ay pinapalitan ng alternatibong asukal na pentose ribose sa RNA.

Ang DNA na dobleng helix ay pangunahing pinapanatag(stabilized) ng dalawang mga pwersa: mga bigkis na hydroheno sa pagitan ng mga nucleotide at base-nagpapatong na mga interaksiyon sa mga aromatikong nucleobase. Sa matubig na kapaligiran ng selula, ang pinagsanib na mga π bigkis ng nucleotide na base ay humahanay na perpendikular sa aksis ng molekulang DNA na nagpapaliit ng kanilang interaksiyon sa pamamagitan ng solbasyong shell at kaya ang Gibbs na malayang enerhiya. Ang apat na mga base na matatagpuan sa DNA ang adenine (na pinaikling A), cytosine (C), guanine (G) at thymine (T). Ang mga apat na baseng ito ay nakakabit sa asukal/phosphate upang bumuo ng kumpletong nucleotide gaya ng ipinapakita sa adenosine monophosphate.

Ang mga nucleobase ay inuuri sa dalawang mga uri: ang mga purine na A at G na mga pinagsanib(fused) na lima- at anim-na kasaping heterosiklikong mga compound at mga pyrimidine na anim-na kasaping mga singsing na C at T. Ang ikalimang pyrimidine nulceobase na uracil(U) ay karaniwang pumapalit sa thymine sa RNA at iba sa thymine sa pamamagitan ng kawalan ng isang pangkat methyl sa singsing nito. Ang uracil ay hindi karaniwang matatagpuan sa DNA na umiiral lamang bilang nasirang produkto ng cytosine. Sa karagdagan sa RNA at DNA, ang isang malaking bilang mga artipisyal na asidong nukleikong mga analogo ay nalikha rin upang pag-aralan ang mga katangian ng mga asidong nukleiko o para gamitin sa bioteknolohiya.

Mga groove

Ang kambal na helikal na mga strando ang bumubuo ng likurangbuto(backbone) ng DNA. ANg isa pang dobleng helix ay maaaring matagpuan sa pamamagitan ng pagbaybay(tracing) ng mga espasyo o groove sa pagitan ng mga strando. Ang mga bakanteng ito ay katabi ng mga base na pares at maaaring magbigay ng lugar ng pagbibigkisan. Dahil sa ang mga strando ay hindi direktang magkabaligtad(opposite) sa bawat isa, ang mga groove ay may sukat na hindi magkapantay. Ang isang groove na mayor(malaking) groove ay may 22 Å na lawak at ang isa pa na menor(maliit) na groove ay may 12 Å na lawak. Ang kasikipan ng menor na groove ay nangangahulugan ang mga gilid ng base ay mas malalapitan sa mayor na groove. Bilang resulta, ang mga protina tulad ng mga transkripsiyon na paktor na maaaring magbikis sa spesipikong mga sekwensiya sa dobleng-strandong DNA ay karaniwang gumagawa ng pagdikit sa mga gilid ng base na nakalantad sa mayor na groove. Ang sitwasyong ito ay nag-iiba sa hindi karaniwang mga kompormasyon ng DNA sa loob ng selula ngunit ang mayor at menor na groove ay palaging pinapangalan upang ipakita ang mga pagkakaiba sa sukat na makikita kung ang DNA pinulupot ng pabalik sa ordinaryong B anyo.

Base na pagpapares

Sa isang DNA na dobleng helix, ang bawat uri ng nucleobase sa isang strando ay normal na nakikipag-ugnayan sa isa lamang uri ng nucleobase sa kabilang strando. Ang tawag dito ay komplementaryong base na pagpapares. Dito, ang mga purine ay bumubuo ng mga mga bigkis na hydroheno sa mga pyrimidine na ang A ay nagbibigkis lamang sa T at ang C ay nagbibigkis lamang sa G. Ang kaayusang ito ng dalawang mga nucleotide na magkabigkis sa buong dobleng helix ay tinatawag na baseng pares. Dahil sa ang mga bigkis na hydroheno ay hindi kobalento, ang mga ito ay maaaring hatiin at muling pagdugtungin na relatibong madali. Ang dalawang mga strando ng DNA sa isang dobleng helix ay maaaring hatakin pahiwalay tulad ng zipper sa pamamagitan ng mekanikal na pwersa o sa pamamagitan ng mataas na temperatura. Bilang resulta ng komplementaridad na ito, lahat ng impormasyon sa dobleng-strandong sekwensiya ng DNA helix ay dinuduplika sa bawat strando na mahalaga sa replikasyon ng DNA. Sa katunayan, ang mababaliktad at spesipikong interaksiyong ito sa pagitan ng komplementaryong mga baseng pares ay kritikal sa lahat ng mga tungkulin ng DNA sa mga buhay na organismo.

Ang dalawang mga uri ng baseng pares ay bumubuo ng iba ibang bilang ng mga bigkis hydroheno na ang AT ay bumubuo ng dalawang bigkis hydroheno at ang GC ay bumubuo ng tatlong bigkis hydroheno. Ang DNA na may mataas na nilalamang GC ay mas matatag kesa sa DNA na may mababang nilalamang GC. Bagaman palaging sinasabing ito ay dahil sa dinagdag na katatagan ng karagdagang bigkis na hydroheno, ito ay hindi tama. Ang DNA na may mataas na nilalamang GC ay mas matatag dahil sa intra-strandong base na pagpapatong na mga interaksiyon.

Gaya ng sinasaad sa itaas, ang karamihan sa mga molekulang DNA ay aktuwal na dalawang polimerong mga strando na binigkis sa isang helikal na anyo ng mga hindi kobalentong bigkis. Ang dobleng strandong istrakturang(double stranded structure o dsDNA) na ito ay pinapanatili sa malaking paraan sa pamamagitan ng intra-strandong baseng pagpapatong na mga interaksiyon na pinakamalakas para sa mga patong(stacks) na G,C. Ang mga dalawang strando ay maaaring maghiwalay sa isang prosesong tinatawag na pagtutunaw(melting) upang bumuo ng dalawang ss na mga molekulang DNA. Ang pagtutunaw ay nangyayari kung ang mga kondisyon ay pumapabor sa ssDNA. Ang mga gayong kondiyon ang mataas na temperatura, mababang asin at mataas na pH(ang mababang pH ay tumutunaw rin ng DNA ngunit dahil sa ang DNA ay hindi matatag sanhi na asidong depurinasyon, ang mababang pH ay bihirang ginagamit). Ang stabilidad(pagiging matatag) ng anyong dsDNA ay dumidepende hindi lamang sa nilalamang GC(% G,C baseng pares) ngunit sa sekwensiya rin(dahil ang pagpapatong o stacking ay sekwensiyang spesipiko) gayundin ang haba(ang mas mahabang mga molekula ay mas matatag). Ang stabilidad ay masusukat sa pamamagitan ng iba't ibang mga paraan. Ang isang karaniwang paraan ang "tumutunaw na temperatura" na temperatura kung saan ang 50% ng mga ds na molekula ay kinokonberte sa ss na mga molekula. Ang tumutunaw na temperatura ay nakabatay sa ionikong lakas at konsenstrasyon ng DNA. Bilang resulta, ang parehong persentahe ng GC na mga baseng pares at ang kabuuang haban ng DNA na dobleng helix na tumutukoy sa lakas ng ugnayan sa pagitan ng mga dalawang mga strando ng DNA. Ang mahabang DNA na mga helix na may mataas na nilalamang GC ay may mas malakas na nag-uugnayang mga strando samantalang ang maikling mga helix na may mataas na nilalamang AT ay may mas mahinang mga nag-uugnayang mga strando. Sa biolohiya, ang mga bahagi ng DNA na dobleng helix na kailangang madaling maghiwalay gaya ng TATAAT Pribnow box sa ilang mga promotor(promoter) ay may kagawian magkaroon ng mataas na nilalamang AT na gumagawa sa mga strando na mas madaling mapaghiwalay.

Sa laboratoryo, ang lakas ng interaksiyon ito ay maaaring masukat sa pamamagitan ng paghahanap ng temperaturang kailangan upang paghiwalayin ang mga bigkis na hydroheno, na tumutunaw na temparatura ng mga ito(na tinatawag ring halagang Tm). Kapag ang lahat ng mga baseng pares sa isang DNA na dobleng helix ay natunaw, ang mga stando ay naghihiwalay at umiiral sa isang solusyon bilang dalawang buong independiyenteng mga molekula. Ang mga isang-strandong DNA na molekula(ssDNA) ay walang isang karaniwang hugis ngunit ang ilang mga kompormasyon ay mas mas matatag kesa sa iba.

Senso at antisenso

Ang isang DNA na sekwensiya ay tinatawag na senso(sense) kung ang sekwensiya nito ay pareho ng sa kopyang mensaherong RNA na sinasalin sa protina. Ang sekwensiya sa kabilang strando ay tinatawag na antisensong sekwensiya. Ang parehong senso at antisenso ay maaaring umiral sa iba't ibang mga bahagi ng parehong stando ng DNA(i.e. ang parehong mga strando ay naglalaman ng parehong senso at antisensong mga sekwensiya). Sa parehong prokaryote at eukaryote, ang antisensong RNA na mga sekwensiya ay nalilikha ngunit ang mga tungkulin ng mga RNA na ito ay hindi buong maliwanag. Ang isang munghaki ay ang antisensong RNA ay sangkot sa pagreregula ng ekspresyon ng gene sa pamamagitan ng RNA-RNA na baseng pagpapares.

Ang ilang mga DNA na sekwensiya sa prokaryote at eukaryote at marami sa mga plasmid at virus ay nagpapalabo ng pagkakaiba sa pagitan ng senso at antisensong mga strando sa pamamagitan ng magkakasanib(overlapping) na mga gene. Sa mga kasong ito, ang ilang mga DNA na sekwensiya ay gumagawa ng dobleng katungkulan na nagkokodigo ng isang protina kung binabasa sa kahabaan ng isang strando at isang ikalawang protina kung binabasa sa kabaligtarang direksiyon sa kahabaan ng kabilang strando. Sa bacteria, ang pagsasanib na ito ay maaaring sangkot sa regulasyon ng transkripsiyon ng gene samantalang sa mga virus, ang magkakasanib na gene ay nagpapadagdag ng halaga ng impormasyon na maaaring makodigo sa loob ng maliit na viral na genome.

Supercoiling

Ang DNA ay maaaring puluputin tulad ng isang lubid sa isang prosesong tinatawag na supercoiling. Sa DNA na nasa "nakapahinga"(relaxed) na estado, ang isang stando ay karaniwang umiikot sa aksis ng dobleng helix ng isang beses sa bawat 10.4 baseng mga pares ngunit kung ang DNA ay nakapulupot, ang mga strando ay nagiging mas mahigpit at mas maluwag na nakapulupot. Kung ang mga ito ay nakapulupot sa magkabaligtad na direksiyon, ito ay negatibong supercoiling at ang mga base ay naghihiwalay ng mas madali. Sa kalikasan, ang karamihan ng DNA ay mayroong medyo negatibong supercoiling na ipinapakilala ng mga ensaym na tinatawag na topoisomerases. Ang mga ensaym na ito ay kailangan rin upang maibsan ang mga stress(pagod) ng pagpupulot na ipinakilala sa mga strandong DNA habang isinasagawa ang mga prosesong gaya ng transkripsiyon at replikasyon ng DNA.

Mga kahaliling istrakturang DNA

Ang DNA ay umiiral sa maraming mga posibleng kompormasyon na kinabibilangan ng mga anyong A-DNA, B-DNA, at Z-DNA bagaman ang tanging ang B-DNA at Z-DNA ang direktang napagmasdan sa mga gumaganang organismo. Ang kompormasyon na kinukuha ng DNA ay depende sa lebel ng hydrasyon, sekwensiyang DNA, halagan at direksiyon ng supercoiling, mga kemikal na modipikasyon ng base, uri at konsentrasyon ng metal na ion gayundin ng presensiya ng polyamine sa solusyon.

Ang unang nalimbag na mga ulat ng mga dipraksiyong paternong A-DNA X-ray — gayundin ang B-DNA ay gumamit na pagsisiyasat batay sa transpormang Patterson na nagbibigay lamang ng limitadong halagan ng istraktural na impormasyon para sa mga orientadong hibla ng DNA. Ang kahaliling(aleternate) pagsisiyasat ay iminungkahi nina Wilkins et al., noong 1953, para sa in vivo na mga paternong dipraksiyon/pagkakalat na B-DNA X-ray ng mataas na hydrado(hydrated) na mga hiblang DNA ayon sa kwadrado (matematika) ng mga punsiyong Bessel. Sa parehong hornal, pinakita nina James D. Watson at Francis Crick ang kanilang pagsisiyasat ng pagmomodelong molekular ng mga paternong dipraksiyon ng DNA X-ray upang imungkahi na ang ang istraktura ay isang dobleng-helix.

Bagaman ang anyong `B-DNA ay pinakaraniwan sa ilalim ng mga kondisyong matatagpuan sa mga selula, ito ay hindi maiging mailalarawang kompormasyon ngunit isang pamilya ng magkakaugnay ng mga kompormasyong DNA na nangyayari sa mga mataas na lebel ng hydrasyon sa mga buhay na selula. Ang mga katugong dipraksiyong X-ray at mga paternong pagkakalat ng mga ito ay katangian ng mga molekular na paracrystal na may malaking digri ng kawalang kaayusan.

Kung ikukumpara sa B-DNA, ang anyong A-DNA ay mas malawak na kanang-kamay na spiral na may mababaw na malawak na menor na groove at isang mas masikip at mas malalim na mayor na groove. Ang anyong A ay nangyayari sa ilalim ng mga hindi pisyolohikal na kondisyon sa parsiyal dehydradong mga sampol ng DNA samantalan sa selula, ito ay maaaring malikha sa mga pagpapares na hybrid ng DNA at strandong RNA gayundin tulad sa ensaym-DNA na mga kompleks. Ang mga segmento ng DNA kung saan ang DNA ay kemikal na nagbago sa pamamagitan ng methylasyon ay maaaring sumailalim sa isang mas malaking pagbabago sa kompormasyon at kumuha ng anyong Z. Dito, ang mga strando ay umiikot sa helikal na aksis sa kaliwang-kamay na spiral na kabaligtaran na mas karaniwang anyong B. Ang mga hindi karaniwang istrakturang ito ay maaaring makilala sa pamamagitan ng mga spesipikong Z-DNA na nagbibigkis na mga protina at maaaring sumangkot sa regulasyon ng transkripsiyon.

Kahaliling kemika ng DNA

Sa ilang bilang ng mga taon, ang mga exobiologo ay nagmungkahi ng pag-iral ng isang aninong biospero na isang postuladong mikrobyal na biospero ng mundo(earth) na gumagamit ng radikal na ibang biokemikal at molekular na mga proseso kesa sa kasalukuyang alam na buhay(life). Ang isa sa mga mungkahi ang pag-iral ng mga anyongbuhay(lifeforms) na gumagamit ng arsenic imbis na phosphorus sa DNA.

Ang isang konperensiyang press ng NASA noong Disyembre 2010 ay nagsaad na ang bacterium na GFAJ-1 na nag-ebolb sa isang mayaman sa arsenic na kapaligiran ang unang terrestriyal na anyongbuhay na natagpuan na may kakayahang ito. Ang bacterium na ito ay natagpuan sa Ilog Mono na silangan ng Yosemite National Park. Ang GFAJ-1 ay isang hugis-baras(rod) na extremopilyang bacterium sa pamilyang Halomonadaceae na kung gugutumin sa phosporus ay may kakayahang magsama ng karaniwang nakalalasong elementong arsenic sa DNA nito. Ang pagkakatuklas ang nagbibigay ng timbang sa napakatagal na ideyang ang mga buhay extraterrestriyal ay maaaring nag-aangkin ng ibang kabuuang kemikal kesa sa buhay sa mundo(earth). Ang pagsasaliksik na ito ay isinagawa ng isang pangkat na pinangunahan ni Felisa Wolfe-Simon na isang geomikrobiologo at gioebiokemiko na isang kapanalig postdoctoral ng NASA Astrobiology Institute kasama ng Arizona State University. Gayunpaman, ang pagkaktuklas na ito ay humarap sa napakalakas na smula sa pamayanang siyentipiko na ang mga ilang siyentipiko ay nangatwiran walang ebidensiya na ang arsenic ay aktuwal na isinama sa mga biomolekula. Ang independiyendente kompirmasyon ng pagkakatuklas na ito ay hindi pa posible sa kasalukuyan.

Mga istrakturang quadruplex

Sa mga dulo ng mga linyar na kromosoma ang mga espesyalisadong mga rehiyon ng DNA na tinatawag na telomere. Ang pangunahing tungkulin ng mga rehiyong ito ay upang pumayag sa selula na mag-replika ng mga dulo ng kromosoma gamit ang ensaym na telomerase dahil sa ang mga ensaym na normal na nagre-replika ng DNA ay hindi magagawang kumopya ng sukdulang(extreme) na mga dulong 3′ ng mga kromosoma. Ang mga espesyalisadong kromosomang cap ay tumutulong din na pumrotekta sa mga dulo ng DNA at pumipigil sa mga sistemang kumukumpuni ng DNA sa pagtrato sa mga ito na pinsalang dapat itama. Sa mga selula ng tao, ang mga telomere ay karaniwang haba ng isang-strandong DNA na naglalaman ng ilang mga libong pag-ulit(repeats) ng isang simpleng sekwensiyang TTAGGG.

Ang mga mayaman sa guanine na sekwensiyang ito ay maaaring magpatatag ng mga dulo ng kromosoma sa pamamagitan ng pagbuo ng mga istrakturang ng magkakapatong na mga hanay ng apat-na baseng mga unit kessa sa karaniwang baseng pares na matatagpuan sa ibang mga molekulang DNA. Dito, ang apat na baseng guanine ay bumubuo ng patag na plato at ang patag na apat na baseng mga unit na ito ay nagpapatong naman sa ibabaw ng bawat isa upang bumuo ng isang matatag na istrakturang G-quadruplex. Ang mga istrakturang ito ay pinatatag ng pagbibigkis hydroheno sa pagitan ng mga gilid ng base at kelasyon ng metal na ion sa sentro(gitna) ng bawat apat-na baseng unit. Ang ibang mga istraktura ay maaari ring mabuo na ang sentral na hanay ng apat na mga base ay nagmumula sa isang strandong tiniklop sa palibot ng mga base o ilang mga magkakaibang parelelong strando na ang bawat isa ay nag-aambag ng isang base sa sentral na istraktura.

Sa karagdagan sa mga magkakapatong na mga istrakturang ito, ang mga telomere ay bumubuo rin ng malaking ikot(loop) na mga istraktura na tinatawag na telemore loop o T-loops. Dito, ang isang strandong DNA ay bumabaluktos sa palibot ng isang mahabang bilog na pinatatag ng nagbibigkis ng telemore na mga protina. Sa pinakadulo ng T-loop, ang isang strandong telemore DNA ay ikinapit sa rehiyon ng dobleng-strandong DNA ng telemore na strando na bumubuwag sa dobleng-helikal na DNA at baseng pagpapares sa isa sa dalawang mga strando. Ang tripleng-strandong istrakturang ito ay tinatawag na displacement loop or D-loop.

Sumangay na DNA

Sa DNA, ang fraying ay nangyayari kung ang hindi-komplementaryong mga rehiyon ay umiiral sa dulo ng komplementaryong dobleng-strando ng DNA. Gayunpaman, ang sumangay(branched) na DNA ay maaaring mangyari kung ang ikatlong strando ng DNA ay ipinakilala at naglalaman ng mga kadugtong na rehiyong may kakayahang mag-hybridize sa mga rehiyong frayed ng paunang umiiral na dobleng-strando. Bagaman ang pinakasimpleng halimbawa ng sumangay na DNA ay sumasangkot sa tanging tatlong strando ng DNA, ang mga kompleks na sumasangkot sa karagdagang mga strando at maraming mga sangay ay posible rin. Ang sumangay na DNA ay maaaring magamit sa nanoteknolohiya upang gumawa ng mga hugis heometrika.

Vibrasyon

Ang DNA ay maaaring magsagawa ng mababang prekwensiyang kolektibong mosyon gaya ng napagmamasdan ng spektropiyang Raman at sinisiyasat ng modelong quasi-continuum.

Mga kemikal na modipikasyon

Mga modipikasyon ng base

Ang ekspresyon ng mga gene ay naiimpluwensiyan kung paaanong ang DNA ay ikinahon sa mga kromosoma sa isang istrakturang tinatawag na chromatin. Ang mga modipikasyon ng base ay maaaring sangkot sa pagkakahon(packaging) na ang mga rehiyon may mababa o walang ekspresyon ng gene ay karaniwang naglalaman ng mataas na mga lebel ng methylasyon ng mga baseng cytosine. Halimbawa, ang methylasyon ng cytosine ay lumilikha ng 5-methylcytosine na mahalag para sa inaktibasyon ng X-kromosoma. Ang aberaheng lebel ng methylasyon ay nag-iiba sa pagitan ng mga organismo – ang uod na Caenorhabditis elegans ay walang methylasyon ng cytosine samantalang ang mga bertebrado ay may mas mataas na mga lebel na hanggang 1% ng kanilang DNA ay naglalaman ng 5-methylcytosine. Kahit sa kahalagahan ng 5-methylcytosine, ito ay maaaring mag-deamina upang mag-iwan ng baseng thymine kaya ang methyladong cytosine ay partikular na may kagawian na masadlak sa mga mutasyon. Ang ibang mga modipikasyon ng base ay kinabibilangan ng methylasyon ng adenine sa bacteria, ang presensiya ng 5-hydroxymethylcytosine sa utak at glycosylasyon ng uracil upang lumikha ng "J-base" sa mga kinetoplastid.

Pinsala

Ang DNA ay maaaring mapinsala ng maraming mga uri ng mutaheno na nagbabago ng sekwensiyang DNA. Ang mga mutaheno ay kinabibilangan ng umo-oksidang mga ahente, mga ahente uma-alkyla gayundin ang mataas na enerhiyang mga elektromagnetikong mga radiasyon gaya ng liwanag na ultraviolet at sinag-X(x-rays). Ang uri ng pinsala sa DNA na nalilikha ay batas sa uri ng mutaheno. Halimbawa, ang liwanag na UV ay maaaring puminsala ng DNA sa pamamagitan ng paglikha ng mga dimer na thymine na dugtong-na-krus sa pagitan ng mga baseng pyrimidine. Sa kabilang dako, ang mga oksidanteng gaya ng malayang radikal o agua oksihenada(hydrogen peroxide) ay lumilikha ng maraming mga anyo ng pinsala kabilang ang mga modipikasyon ng base partikular na ng guanosine at mga sirang dobleng-strandong. Ang isang tipikal na selula ng tao ay naglalaman ng mga 150,000 mga base na dumadanas ng pinsalang oksidatibo. Sa mga lesyong oksidatibong ito, ang pinaka-mapanganib ang mga sira(breaks) na dobleng-strando dahil ang mga ito ay mahirap kumpunihin at maaaring lumikha ng mga puntong mutasyon, insersiyon at pagbura mula sa sekwensiyang DNA gayundin ng mga translokasyong kromosomal.

Maraming mga mutaheno ay nagkakasya sa espasyo sa pagitan ng dalawang magkatabing baseng mga pares. Ito ay tinatawag na interkalasyon. Ang karamihan sa mga interkalador ay aromatiko at planar na mga molekula. Ang mga halimbawa nito ay kinabibilangan ng ethidium, bromide, acridine, daunonmycin at doxorubicin. Upang magkasya ang interkalador sa pagitan ng mga baseng pares, ang mga base ay dapat hiwalay na pumipilipt ng mga strandong DNA sa pamamagitan ng pag-aalis ng kalag ng dobleng helix. Ito ay pumipigil sa parehong transkripsiyon at replikasyon ng DNA na magsanhi ng pagkalason at mga mutasyon. Bilang resulta, ang mga interkalador ng DNA ay maaaring mga karsinoheno at sa kaso ng thalidomide ay teratoheno. Ang iba gaya ng benzo[a]pyrene diol epoxide at aflatoxin ay bumubuo ng DNA adducts na pumupukaw ng mga pagkakamali at replikasyon. Gayunpaman, dahil sa kakayahan ng mga ito na magpigil ng transkripsiyon ng DNA at replikasyon, ang ibang mga katulad na toksin(lason) ay ginagamit rin sa kemoterapiya upang pigilan ang mabilis na lumalagong mga selulang kanser.

Mga tungkulin biolohikal

Ang DNA ay karaniwang umiiral bilang mga linyar na kromosoma sa mga eukaryote at mga sirkular na kromosoma sa mga prokaryote. Ang hanay ng mga kromosoma sa isang selula ay bumubuo ng genome nito. Ang genome ng tao ay tinatayang may 3 bilyong mga baseng pares ng DNA na isinaayos sa 46 na mga kromosoma. Ang impormasyong dala ng DNA ay nakaimbak sa sekwensiya ng mga piraso ng DNA na tinatawag na mga gene. Ang pagpasa ng henetikong impormasyon sa mga gne ay natatamo sa pamamagitan ng komplementaryong baseng pagpapares. Halimbawa, sa transkripsiyon, kapag ang selula ay gumagamit ng impormasyon sa gene, ang sekwensiyang DNA ay kinokpya sa komplementaryong sekwensiyang RNA sa pamamagitan ng atraksiyon sa pagitan ng DNA at tamang mga nucleotide na RNA. Sa karaniwan, ang kopyang RNA ay ginagamit naman upang gumawa ng pumaparis na protinang sekwensiya sa isang prosesong tinatawag na pagsasalin na dumidipende sa parehong interaksiyon sa pagitan ng mga nucleotide na RNA. Sa alternatibong paraan, ang isang selula ay simpleng kumopya ng henetikong impormasyon nito sa isang prosesong tinatawag na replikasyon ng DNA.

Mga gene at genome

Ang genomic na DNA ay masikip at maayos na nakakahon sa prosesong tinatawag na kondensasyong DNA upang magkasya sa maliit na magagamit ng mga bolyum ng selula. Sa mga eukaryote, ang DNA ay matatagpuan sa nucleus ng selula gayundin ang maliit na mga halaga sa mitochondria at chloroplast. Sa mga prokaryote, ang DNA ay iniimbak sa loob ng irregular na hugis na katawan sa cytoplasma na tinatawag na nucleoid. Ang henetikong impormasyon sa genome ay iniimbak sa loob ng mga gene at ang kompletong hanay ng impormasyong ito sa isang organismo ay tinatawag na genotype. Ang isang gene ay isang unit ng pagmamana at isang rehiyon ng DNA na umiipluwensiya ng partikular na katangian sa isang organismo. Ang mga gene ay naglalaman ng bukas ng bumabasang balangkas na maaaring i-transkriba gayundin ng mga regulatoryong sekwensiya gaya ng mga promotor(promoter) at tagapagpalakas(enhancers) na kumokontrol sa transkripsiyon ng bukas na bumabasang balangkas.

Sa maraming mga species, tanging ang maliit na praksiyon ng kabuuang sekwensiya ng genome ang nagkokodigo ng protina. Halimbawa, tanging mga 1.5% ng genome ng tao ay binubuo ng mga nagkokodigo ng protinang mga exon na ang higit sa 50% ng DNA ng tao ay binubuo ng hindi-nagkokodigong mga paulit ulit na sekwensiya. Ang mga presesniya ng labis na hindi nagkokodigong DNA sa mga genome na eukaryotiko at ang ekstraordinaryong mga pagkakaiba sa sukat ng genome o halagang-C sa mga species ay kumakatawan sa matagal na panahong puzzle na kilala bilang "halagang-C na enigma". Gayunpaman, ang mga sekwensiyang DNA na hindi nagkokodigo ng protina ay maaari pa ring magkodigo ng gumaganang hindi nagkokodigong mga molekulang RNA na sangkot sa regulasyon ng ekspresyon ng gene. Ang ilang mga hindi nagkokodigong mga sekwensiyang DNA ay gumagampan ng mga istraktural na papel sa mga kromosoma. Ang mga telemore at centromere ay karaniwang naglalaman ng ilang mga gene ngunit mahalaga para sa tungkulin at stabilidad ng mga kromosoma. Ang isang masaganang anyo ng hindi nagkokodigong DNA sa mga tao ang mga pseudogene na mga kopya ng gene na hindi pinagana(disabled) ng mutasyon. Ang mga sekwensiyang ito ay karaniwang tanging mga molekular na fossil bagaman ang mga ito ay paminsan minsang nagsisilbi bilang hilaw na materyal para sa paglikha ng mga bagong gene sa pamamagitan ng proseso ng duplikasyon ng gene at diberhensiya.

Transkripsiyon at pagsasalin

Ang isang gene ay sekwensiya ng DNA na naglalaman ng henetikong impormasyon at maaaring umimpluwensiya ng phenotype ng isang organismo. Sa loob ng gene, ang sekwensiya ng mga base sa kahabaan ng strandong DNA ay naglalarawan ng sekwensiyang mensaherong RNA na naglalarawan naman ng isa o maraming mga sekwensiyang protina. Ang ugnayan sa pagitan ng mga sekwensiyang nucleotide ng mga gne at mga sekwensiyang asidong amino ng mga protina ay natutukoy ng mga patakaran ng pagsasalin na kolektibong tinatawag na kodigong henetiko. Ang kodigong henetiko ay binubuo ng talong-letrang mga 'salita' na tinatawag na codon na nabubuo mula sa isang sekwensiya ng tatlong mga nucleotide(e.g. ACT, CAG, TTT).

Sa trankripsiyon, ang mga codon ng isang gene ay kinokopya sa mensaherong RNA ng RNA polymerase. Ang kopyang RNA na ito ay dini-dekodigo(decoded) ng ribosoma na bumabasa ng sekwensiyang RNA sa pamamagitan ng baseng pagpapares ng mensaherong RNA sa lipat RNA na nagdadala ng mga asidong amino. Dahil sa may mga apat na base sa 3-letrang mga kombinasyon, 64 posibleng mga codon(43 mga kombinasyon). Ang mga ito ay nagkokodigo ng dalawampung mga pamantayang asidong amino na nagbibigay sa mga asidong amino na higit sa isang posibleng codon. Mayroon ding tatlong tigil('stop') o walang sense('nonsense') na mga codon na naghuhudyat ng dulo ng rehiyong nagkokodigo. Ang mga ito ang mga codon na TAA, TGA at TAG .

Replikasyon

Replikasyon ng DNA

Ang paghahati ng selula ay mahalaga para ang organismo ay lumago ngunit kung ang selula ay naghahati, ito ay dapat magreplika ng DNA sa genome nito upang ang dalawang mga anak na selula ay may parehong henetikong impormasyon tulad ng sa magulang nito. Ang dobleng-strandong istraktura ng DNA ay nagbibigay ng isang simpleng mekanismo para sa replikasyon ng DNA. Dito, ang dalawang mga strando ay hinihiwalay at pagkatapos ang bawat komplementaryong sekwensiyang DNA ng bawat strando ay muling nililikha ng ensaym na tinatawag na DNA polymerase. Ang ensaym na ito ay gumagawa ng komplementaryong strando sa pamamagitan ng pahahanap ng tamang base sa pamamagitan ng komplementaryong baseng pagpapares at ibinibigkis ito sa orihinal na strando. Dahil sa ang mga DNA polymerase ay maaari lamang magpalawig ng stranding DNA sa direksiyong 5′ hanggang 3′, ang iba ibang mga mekanismo ay ginagamit upang kopyahin ang anti-paralelong mga stando ng dobleng helix. Sa paraang ito, ang base ng lumang strando ay nagdidikita kun galing base ang lilitaw sa bagong strando at ang selula ay nagiging perpektong kopya ng DNA nito.

Mga interaksiyon sa mga protina

Ang lahat ng mga tungkulin ng DNA ay dumidepende sa mga interaksiyon sa mga protina. Ang mga protinang interaksiyon na ito ay maaaring hindi spesipiko o ang protina ay maaaring magbigkis ng spesipiko sa isang sekwensiyang DNA. Ang mga ensaym ay maaari ring magbigkis sa DNA at sa mga ito, ang mga polymerase na kumokopya ng DNA na baseng sekwensiya sa transkripisiyon at replikasyon ng DNA ay partikular na mahalaga.

Mga protinang nagbibigkis sa DNA

Ang mga istraktural na protina na nagbibigkis ng DNA ay maiging nauunawaang mga halimbawa ng mga hindi spesipikong DNA-protinang mga interaksiyon. Sa loob ng mga kromosoma, ang DNA ay iniimbak sa mga kompleks na may istraktural na mga protina. Ang mga protinang ito ay nagsasaayos ng DNA sa isang siksik na istrakturang tinatawag na chromatin. Sa mga eukaryotes, ang istrakturang ito ay sumasangkot sa pagbibigkis ng DNA sa isang kompleks ng maliit na basikong mga protinang tinatawag na mga histones, samantalang sa mga prokaryotes, ang maraming mga uri ng mga protina ay sumasangkot Ang mga histone ay bumubuo ng disko(disk)-na hugis na kompleks na tinatawag na nucleosome na naglalaman ng dalawang kompletong liko ng dobleng-strandong DNA na nakapalibot sa ibabaw nito. Ang mga hindi spesipikong interaksiyong ito ay nabubuo sa pamamagitan ng basikong mga labi sa histones na gumagawa ng mga bigkis ioniko sa asidikong asukal-phosphate na likurangbuto ng DNA at kaya ay malaking independiyente sa baseng sekwensiya. Ang mga kemikal na modipikasyon ng mga basikong asidong aminong labi ito ay kinabibilangan ng methylasyon, phosphorylasyon, at acetylasyon. Ang mga kemikal na pagbabagong ito ay nagbabago ng lakas ng interaksiyon sa pagitan ng DNA at mga histones na gumagawa sa DNA na mas o hindi makukuha sa mga paktor ng transkripsiyon at nagbabago ng rate ng transkripsiyon. Ang mga hindi spesipikong protinang nagbibigkis sa DNA sa chromatin ay kinabibilangan ng mataas na mobilidad na pangkat ng mga protina na nagbibigkis sa balikong(bent o distored) na DNA). Ang mga protinang ito ay mahalaga sa pagbabaluktot ng mga array ng nucleosome at pagsasaayos ng mga ito sa mas malaking mga istraktura na bumubuo ng mga kromosoma. è

Ang isang walang katulad na pangkat ng mga protinang nagbibigkis sa DNA ang mga protinang nagbibigkis sa DNA na spesipikong nagbibigkis sa isang-strandong DNA. Sa mga tao, ang replikasyong protinang A ang pinakamahusay na nauunawaang kasapi ng pamilyang ito at ginagamit sa mga proseso kung saan ang dobleng-helix ay ihinihiwalay kabilang ang replikasyon ng DNA, rekombinasyon at pagkukumpuni ng DNA. Ang mga nagbibigkis na protinang ito ay tila nagpapatatag ng isang-strandong DNA at pumoprotekta dito mula sa sangay-na-ikot(stem-loops) o sa pagkasira ng mga nuclease.

Salungat dito, ang ibang mga protina ay nag-ebolb upang magbigkis sa partikular na mga sekwensiyang DNA. Ang pinakalabis na pinag-aralan sa mga ito ang iba ibang mga paktor ng transkripsiyon na mga protinang nagre-regula ng transkripsiyon. Ang bawat paktor ng transkripsiyon ay nagbibigkis sa isang partikular na hanay ng mga sekwensiyang DNA at nagpapapagana o pumipigil ng transkripsiyon ng mga gene na may mga sekwensiyang itong malapit sa mga promotor nito. Ang mga paktor ng transkripsiyon ay nagsasagawa nito sa dalawang paraan. Una, ang mga ito ay maaaring magbigkis ng RNA polymerase na responsable para sa transkripsiyon na direkta o sa pamamagitan ng mga ibang tagapamagitang protina. Ito ay tumutukoy(locates) ng polymerase sa promotor at pumpayag dito na magsimula ng transkripsiyon. Sa alternatibong paraan, ang mga paktor ng transkripsiyon ay maaaring magbigkis ng mga ensaym na nagbabago ng mga histone sa promotor. Ito ay magbabago ng aksesibilidad ng suleras(template) na DNA sa polymerase.

Dahil sa ang mga inaasintang DNA na ito ay maaaring mangyari sa kabuuan ng genome ng isang organismo, ang mga pagbabago sa aktibidad ng isang uri ng paktor ng transkripsiyon ay maaaring umapekto ng libo libong mga gene. Bilang resulta, ang mga protinang ito ay kalimitang mga inaasinta ng mga prosesong signal na transduksiyon na kumokontrol ng mga tugon sa mga pagbabagong pangkapaligiran o selular na diperensiasyon at pag-unlad. Ang spesipisidad ng mga paktor ng transkripsiyon na ito sa DNA ay nagmumula sa mga protina na gumagawa ng maraming pagdikit sa mga gilid ng mga baseng DNA na pumapayag sa mga ito na bumasa ng sekwensiyang DNA. Ang karamihan sa mga baseng-interaksiyong ito ay ginagawa sa mayor na groove kung saan ang mga base ay makukuha.

Mga ensaym na nagbabago ng DNA

Mga nuclease at ligase

Ang mga nuclease ay mga ensaym na pumuputol ng mga strandong DNA sa pamamagitan ng pagka-katalisa ng hydrolisis ng mga bigkis na phosphodiester. Ang mga nuclease na nagha-hydrolisa ng mga nucleotide mula sa mga dulo ng mga strandong DNA ay tinatawag na mga exonuclease samantalang ang mga endonuclease ay pumuputol sa loob ng mga strando. Ang pinaka malimit na ginagamit sa molekular na biolohiya ang mga restriksiyong endonuclease na pumuputol ng DNA sa spesipikong mga sekwensiya. Halimbawa, ang ensaymn na EcoRV ay kumikilala ng 6-na baseng sekwensiyang 5′-GAT|ATC-3′ at gumagawa ng pagputol sa bertikal na linya. Sa kalikasan, ang mga ensaym na ito ay pumoprotekta ng bacteria laban sa impeksiyong phage sa pamamagitan pagda-dihesto(digest) ng phage DNA kapag ito ay pumapasok sa selulang bacterial na umaasal bilang bahagi ng sistemang restriksiyong modipikasyon. Sa teknolohiya, ang mga sekwensiyang spesipikong mga nuclease na ito ay ginagamit sa pagko-clone na molekular at DNA fingerprinting.

Ang mga ensaym na tinatawag na mga ligase ay maaaring muling magsanib ng putol o sirang mga strandong DNA. Ang mga ligase ay partikular na mahalaga sa replikasyon ng insuladong strandong DNA dahil sa ang mga ito ay nagsasanib mula ng maikling mga segmento ng DNA na nalilikha sa fork ng replikasyon sa isang kompletong kopya ng suleras(template) na DNA. Ang mga ito ay ginagamit rin sa pagkukumpuni ng DNA at henetikong rekombinasyon.

Mga Topoisomerase at helicase

Ang mga topoisomerase ang mga ensaym na may parehong aktibad na nuclease at ligase. Ang mga protinang ito ay nagbabago ng halaga ng supercoling sa DNA. Ang ilan sa mga ensaym na ito ay kumikilos sa pamamagitan ng pagputol ng DNA helix at pumapayag sa isang seksiyon na umikot(rotate) kaya nagbabawas ng lebel nito ng supercoiling. Ang ensaym na ito ay nagseselyo(seals) naman ng sira(break) sa DNA. Ang ibang mga uri ng mga ensaym na ito ay may kakayahang ng pagputol ng isang DNA helix at pagkatapos ay nagpapasa ng isang ikalawang strando ng DNA sa pamamagitan ng sira na ito bago muling pagsamahin ang helix. Ang mga topoisomerases ay kailangan para sa maraming proseso na sangkot ang DNA gaya ng replikasyon ng DNA at transkripsiyon. Ang mga helicase ang mga protina na isang uri ng molekular na motor. Ang mga ito ay gumagamit ng kemikal na enerhiya sa nucleoside triphosphates na pangunahin ang ATP upang sirain ang mga bigkis na hydroheno sa pagitan ng mga base at kalagin ang DNA dobleng helix sa mga isang strando. Ang mga ensaym na ito ay mahalaga sa para sa karamihan ng mga proseso kung saan ang mga ensaym ay kailangan gumamit ng mga baseng DNA.

Mga polymerase

Ang mga polymerase ang mga ensaym na nagsi-sintesis ng mga kadenang polynucleotide mula sa mga nucleoside triphosphate. Ang sekwensiya ng mga produkto nito ang mga kopya ng umiiral na mga kadenang polynucleotide na tinatawag na mga suleras(templates). Ang mga ensaym na ito ay gumagana sa pamamagitan ng pagdaragdag ng mga nucleotide sa pangkat 3′ hydroxyl ng nakaraang nucleotide sa strandong DNA. Bilang resulta, ang lahat ng mga polymerase ay kumikilos sa direksiyong 5′ to 3′. Sa aktibong lokasyon ng mga ensaym na ito, ang pumapasok na mga nucleoside triphosphate ay baseng-pumapares sa suleras(template). ito ay pumpayag sa mga polymerase upang tiyak na ma-sintesis ang komplementaryong stando ng suleras nito. Ang mga polymerase ay inuuri ayon sa uri ng sulerase na ginagamit ng mga ito.

Sa replikasyon ng DNA, ang nakabatay sa DNA na DNA polymerase ay gumagawa ng kopya ng sekwensiyang DNA. Ang pagiging tiyak ay mahalaga sa prosesong ito kaya marami sa mga polymerase na ito ay may aktibidad na proofreading. Dito, ang polymerase ay kumnikila ng minsanang mga pagkakamali sa pamamagitan ng kawalan ng baseng pagpapares sa pagitan ng mga hindi magkakapares na nucleotide. Kung ang hindi pagkakapares ay natuklsan, ang isang 3′ hanggang 5′ na aktibidad na exonuclease ay pinapagana at ang hindi tamang base ay inaalis. Sa karamihan ng mga organismo, ang DNA polymerase ay gumagana sa isang malaking kompleks na tinatawag na replisome na naglalaman ng maraming mga aksesoryang pangilalim-na-unit gaya ng DNA clamp o mga helicase.

Ang mga nakabatay sa RNA na mga DNA polymerase ay mga espesyalisadong klase ng mga polymerae na kumokopya ng sekwensiya ng strandong RNA sa DNA. Ang mga ito ay kinabibilangan ng kabaligtarang transcriptase na isang ensaym na viral na sangkot sa impeksiyon ng mga selula ng mga retrovirus, at telomerase na kailangan para sa replikasyon ng mga telomere. Ang telomerase ay isang hindi karaniwang polymerase dahil ito ay naglalaman ng sarili nitong suleras(template) na RNA bilang bahagi ng istraktura nito.

Ang transkripsiyon ay isinasagawa ng nakabatay sa DNA na RNA polymerase na kumokopya ng sekwensiya ng strandong DNA sa RNA. Upang simulan ang pagta-transkriba ng isang gene, ang RNA polymerase ay nagbibigkis sa sekwensiya ng DNA na tinatawag na promotor at humihiwalay ng mga strandong DNA. Pagkatapos ay kumokopya naman ito ng sekwensiyang gene sa mensaherong RNA transkripto hanggang sa maabot nito ang rehiyon ng DNA na tinatawag na terminador(terminator) kung saan ito humihinto at bumabaklas mula sa DNA. Gaya ng sa pantaong nakabatay sa DNA na DNA polymerase, ang RNA polymerase II na ensaym na nagta-transkriba ng karamihan sa mga gene sa genome ng tao, ay kumikilos bilang bahagi ng malaking protinang kompleks na may maraming regulatoryo at aksesoryong pang-ilalim-na-unit.

Henetikong rekombinasyon

Ang isang DNA helix ay karaniwang hindi nakikipag-ugnayan sa ibang mga segmento ng DNA at sa mga selula ng tao, ang iba ibang mga kromosoma ay umookupa(sumasakop) pa sa mga hiwalay na area sa nucleus na tinatawag na mga teritoryong kromosoma. Ang pisikal na separasyong ito ng mga iba ibang kromosoma ay mahalaga para sa kakayahan ng DNA upang gumana bilang isang matatag na repositoryo ng impormasyon dahil sa isa sa ilang mga beses na ang mga kromosoma ay nakikipag-ugnayan ay sa tuwing pagtawid(crossover) na kromosomal kung ang mga ito ay muling nagsasama(recomibines). Ang pagtawid kromosomal ay kung ang dalawang mga DNA helix ay nasisira, nagpapalit ng seksiyon at muling nagsasama.

Ang rekombinasyon ay pumapayag sa mga kromosoma na magpalitan ng henetikong impormasyon at lumikha ng mga bagong kombinasyon ng mga gene na nagpapadagdag ng kaigihan ng natural na seleksiyon at maaaring mahalag sa mabilis na ebolusyon ng mga bagong protina. Ang henetikong rekombinasyon ay maaari ring sangkot sa pagkukumpuni ng DNA partikular na sa tugon ng selula sa mga sira(breaks) ng dobleng-strando.

Ang pinakaraniwang anyo ng pagtawid kromosomal ang homologous na rekomobinasyon kung saan ang dalawang mga kromosoma ay nagsasalo ng napaka-magkatulad na mga sekwensiya. And hindi homologous na rekombinasyon ay maaaring makapinsala sa mga selula dahil ito ay maaaring lumikha ng mga translokasyong kromosomal at mga henetikong abnormalidad. Ang reaskiyong rekombinasyon ay kinaka-katalisa ng mga ensaym na tinatawag na mga recombinase gaya ng RAD51. Ang unang hakban gsa rekombinasyon ang sira(break) na dobleng-strando na sanhi ng endonuclease o ng pinsala sa DNA. Ang sunod sunod na mga hakban na nakatalisa sa isang bahagi ng recombinase ay tumutungo naman sa pagsasama ng dalawang mga heliks nang hindi baba sa isang Holliday junction kung saan ang isang segmento ng isang strando sa bawat helix ay anilado(annealed) sa komplementaryong strando sa kabilang helix. Ang Holliday junction ay isang istrakturang tetrahedral junction na maaaring ilipat sa kahabaan ng pares ng mga kromosoma na nagpapalit ng isang stranda para sa isa pa. Ang reaksiyong rekombinasyon ay pinapahinto naman ng cleavage ng junction at muling-ligasyon ng nailabas na DNA.

Ebolusyon

Ang DNA ay naglalaman ng henetikong impormasyon na pumapayag sa lahat ng mga modernong buhay na bahay upang gumanaw, lumago at magparami. Gayunpaman, hindi maliwanag kung gaano katagal na apat na bilyong taong kasaysayan ng buhay na ang DNA ay gumagawa ng tungkuling ito dahil naimungkahing ang pinaka-unang mga anyo ng buhay ay maaaring gumamit ng RNA bilang henetikong materyal ng mga ito. Ang RNA ay maaaring kumilos bilang sentral na bahagi ng simulang metabolismo ng selula dahil ito ay maaaring magpasa ng henetikong impormasyon at magsagawa ng katalisis bilang bahagi ng mga ribozyme. Ang sinaunang daigdig na RNA na ito kung saan ang asidong nukleiko ay ginagamit sa parehong katalisis at henetika ay maaaring umimpluwensiya ng ebolusyon ng kasalukuyang kodigong henetiko base sa apat na mga baseng nucleotide. Ito ay mangyayari dahil sa ang bilang ng iba't ibang mga base sa gayong organismo ay isang pagpapalit(trade-off) sa pagitan ng isang maliit na bilang ng mga base na nagpaparami ng katiyakang replikasyon at isang malaking bilang ng mga base na nagpapadagdag ng katalitikong kaigihan ng mga ribozyme.

Gayunpaman, walang direktang ebidensiya ng sinaunang mga sistemang henetiko dahil sa ang pagrerekober ng DNA mula sa karamihan ng mga fossil ay imposible. Ito ay dahil ang DNA ay nagpapatuloy(survive) sa kapaligiran sa hindi tataas sa isang milyong mga taon at unti unting nasisira sa maliit na mga pragmento sa solusyon. Ang mga pag-aangkin para sa mas lumang ay ginawa na ang pinakakilala ang isang ulat ng paghihiwalay ng nabubuhay na bacterium mula sa crystal ng asin na may edad 250 milyong mga taon ngunit ang mga pang-aangkin na ito ay kontrobersiyal.

Tingnan din: Panspermia

Noong 8 Agosto 2011 ang isang ulat batay sa mga pag-aaral ng NASA sa mga meteorite na natagpuan sa mundo ay inilimbag na nagmumungkahing ang tagapagtatag na mga bloke(building blocks) ng DNA na adenine, guanine at mga kaugnay na organikong molekula ay maaaring nabuo nang ekstraterrestrial(hindi sa mundo/earth) sa kalawakan(outer space).

Mga gamit ng DNA sa teknolohiya

Henetikong inhenyerya

Ang mga paraan ay nabuo upang dalisayin ang DNA mula sa mga organismo gaya ng pagkakatas na phenol-chloroform extraction, at upang manipulahin ito sa laboratoryo gaya ng mga restriksiyong dihesto(digest) at ang reaksiyong polymerase na kadena(polymerase chain reaction). Ang modernong biolohiya at biokemika ay labis na gumagamit ng mga teknikang itong sa rekombinanteng teknolohiyang DNA. Ang rekombinanteng DNA ay isang gawa ng taong sekwensiyang DNA na nabuo mula sa ibang mga sekwensiyang DNA. Ang mga ito ay maaaring baguhin sa mga organismo sa anyo ng mga plasmid o sa mas angkop na format sa pamamagitan ng paggamit ng viral vector. Ang henetikong binagong(genetically modified) na mga organismo ay maaaring gamiting upang lumikha ng mga produkto gaya ng rekombinanteng mga protina na ginagamit sa pagsasaliksik medikal o maaaring palaguin sa agrikultura.

Forensika

Ang mga siyentipiko ng forensika ay maaaring gumamit ng DNA sa dugo, semilya, balat, laway o buhay na natuklasan sa lugar ng krimen(crime scene) upang matukoy ang tumutugmang DNA ng isang indibidwal gaya ng isang salarin. ANg prosesong ito ay pormal na tinerminohan na DNA profiling ngunit maaari ring tawaging "genetic fingerprinting". Sa DNA profiling, ang haba ng mga nagbabagong seksiyon ng paulit ulit na DNA gaya ng maikling tandem na pag-ulit at minisatellites ay kinukompara sa pagitan ng mga tao. Ang paraang ito ay labis na maaasahang teknika sa pagtukoy ng tumutugmang DNA. Gayunpaman, ang identipikasyon ay maaaring makomplika kung ang lugar ng krime ay kontaminado ng DNA mula sa ilang mga tao. Ang DNA profiling ay nabuo noong 1984 ng henetikong Briton na si Sir Alec Jeffreys at unang ginamit sa forensikang agham upang hatulan(convict) si Colin Pitchfork sa kasong 1988 na pagpatay Enderby.

Ang pagbuo ng forensikang agham at ang kakayahan sa kasalukuyan na makakakuha ng pagtutugmang henetiko sa mga maliit na sampol ng dugo, balat, laway o buhay ay tumungo sa muling pagsisiyasat ng mga kaso. Ang mga ebidensiya ay maaari nang malantad na hindi siyentipikong posible sa panahon ng orihinal na eksaminayon ng kasyo. Kasama ng pag-aalis ng batas na dobleng jeopardy, ito ay pumapayag sa mga kaso na muling mabuksan kung saan ang nakaraang mga paglilitis ay nabigong makakuha ng sapat na ebidensiya upang mahikayat ang isang hurado(jury). Ang mga taong kinasuhan ng mga malubhang kaso ay maaari nang atasan na magbigay ng sampol ng DNA nito para sa mga layuning pagtutugma. Ang pinaka maliwanag na depensa sa mga pagtutugmang DNA na forensikong nakuha ay mag-angkin na ang pagsasalong kontaminasyon ng ebidensiya ay nangyari. Ito ay nagresulta sa metikulosong striktong paghawak ng mga pamamaraan sa mga bagong kaso ng mga malubhang krime. Ang DNA profiling ay ginagamit rin upang matukoy ang mga biktima ng pang-maramihang insidente ng kamatayan. Gayundin ang positibong pagtukoy ng mga bangkay o bahagi ng katawan sa mga malubhang aksidente, ang DNA profiling ay matagumpay ring ginagamit upang tukuyin ang mga indibidwal na biktima ng mga libingang pangmasang digmaan na itinitugma sa mga kasapi ng pamilya ng biktima.

Bioinformatika

Ang bioinformatika ay sumasangkot sa manipulasyon, paghahanap at pagmimina ng data ng biolohikal na datat at ito ay kinabibilangan ng mga data ng sekwensiyang DNA. Ang pagkakabuo ng mga teknika upang iimbak at hanapin ang mga sekwensiyang DNA ay tumungo sa malawak na inilalapat na pagsulong sa agham pangkompyuter lalo sa sa paghahanap ng string o pagtutugmang mga algoritmo, pagkatuto ng makina at teoriya ng database. Ang paghahanap ng straing o pagtutugmang mga algoritmo na naghahanap ng pag-iral ng isang sekwensiya ng mga letra sa loob ng isang mas malaking sekwensiya ng mga letra ay binuo upang hanapin ang mga spesipikong sekwensiya ng mga nucleotide. Ang sinikwensiyang DNA ay maaaring ilinya sa ibang mga sekwensiyang DNA upang tukuyin ang homologous na mga sekwensiya at hanapin ang mga spesipikong mutasyon na gumagawa sa mga ito na walang katulad. Ang mga teknikang ito lalo ang pangmaramihang paglilinya ng sekwensiya(multiple sequence alignment) ay ginagamit sa pag-aaral ng mga ugnayang phylohenetika at tungkulin ng protina. Ang mga hanay ng data Human Genome Project ay mahirap gamitin nang walang mga anotasyon upang tukuyin ang mga lokasyon ng gene at mga regulatoryong elemento sa bawat kromosoma. Ang mga rehiyon ng sekwensiyang DNA na may may katangiang mga paterno na nauugnay sa protina o mga nagkokodigo ng RNA na mga gene ay maaaring matukoy ng mga algoritmong humahanap ng gene na pumapayag sa mga mananaliksik upang mahulaan ang presensiya ng partikular na mga produkto ng gene at ang mga posibleng tungkulin nito sa organismo bago pa man ang mga ito ay eksperimental na mahiwalay. Ang kabuuang mga genome ay maaari ring magbigay linaw sa ebolusyonaryong kasaysayan ng isang partikular na organismo at pumayag sa eksaminasyon ng komplikadong mga pangyayaring ebolusyonaryo.

DNA nanoteknolohiya

Ang DNA nanoteknolohiya ay gumagamit ng walang katulad na molekular na pagkilalang mga katangian ng DNA at ibang mga asidong nukleiko upang lumikha ng bumubuo sa sariling sumangay na mga kompleks na DNA na may magagamit na mga katangian. Kaya ang DNA ay ginagamit bilang isang istraktura na materya kesa bilang isang tagapagdala ng biolohikal na impormasyon. Ito ay tumungo sa pagkakalikha ng dalawang dimensiyonal na peryodikong mga latttice(parehong batay sa tile gayundin ang paggamit ng paraan DNA origami) gayundin ng tatlong dimensiyonal na mga istraktura sa mga hugis ng polyhedra. Ang mga kasangkapang nanomekanikal at algoritmikong bumubuo sa sarilin ay naipakita rin at ang mga istrakturang DNA na ito ay ginagamit bilang i-suleras(template) ang kaayusan ng ibang mga molekula gaya ng mga gintong nanopartikulo at mga protinang streptavidin.

Kasaysayan at antropolohiya

Dahil sa ang DNA ay nagtitipon ng mga mutasyon sa paglipas ng mga panahon na namamana, ito ay naglalaman ng historikal na impormasyon, at sa pamamagitan ng pagkokompara ng mga sekwensiyang DNA, ang mga henetiko ay maaaring maghinuha ng ebolusyonaryong kasaysayan ng mga organismo o ang phylogeny ng mga ito. Ang larangang ito ng phylohenetika ay isang makapangyarihang kasangkapan sa ebolusyonaryong biolohiya. Kung ang mga sekwensiyang DNA sa loob ng mga species ay kinompara, ang mga henetiko ng populasyon ay maaaring malaman ang kasaysayan ng mga partikular na populasyon. Ito ay maaaring gamitin sa mga pag-aaral na sumasaklaw mula ekolohikal na henetika hanggang antropolohiya. Ang DNA ay ginagamit rin upang tingnan ang modernong ugnayang pampamilya gaya ng pagtukoy ng mga ugnayang pamilya sa pagitan ng mga inapo(descendants) nina Sally Hemmings at Thomas Jefferson. Kabilang din dito ang pagtukoy ng mga biolohikal na magulang gaya ng ama o ina sa pagsubok na paternidad(paternity testing) ng isang sanggol o bata. Ang paggamit na ito ay malapit na kaugnay sa paggamit ng DNA sa mga kriminal na imbestigasyon. Sa katunayan, ang ilang mga kriminal na imbestigasyon ay nalutas nang ang DNA mula sa mga lugar ng krimen ay naitugma sa mga kamag-anak ng may salang(guilty) indibidwal.

Kasaysayan ng pagsasaliksik sa DNA

Francis Crick at James Watson.

Ang DNA ay unang naihiwalay(isolated) doktor na Swiss na si Friedrich Miescher na noong 1869 ay nakatuklas ng mikroskopikong substansiya sa nana(pus) ng itinapong mga surhikal na mga bendahe. Dahil sa ito ay nakatira sa nuclei ng mga selula, kanyang tinawag itong nuclein. Noong 1878, naihiwalay ni Albrecht Kossel ang hindi protinang bahagi ng nuclein na asidong nukleiko at kalaunanan ay naihiwalay nito ang limang pangunahing mga nucleobase. Noong 1919, natukoy ni Phoebus Levene ang base, asukat at unit na phosphate nucleotide. Iminungkahi ni Levene na ang DNA ay binubuo ng isang string(tali) ng mga unit na nucletoida na pinagdugtong sa pamamagitan ng mga pangkat phosphate. Gayunpaman, inakala ni Leven na ang kadena ay maikli at ang mga base ay inuulit sa isang nakatakdang ayos. Noong 1937, nilikha ni William Astbury ang unag mga dipraksiyong paternong X-ray na nagpapakitang ang DNA ay may regular na istraktura.

Noong 1927, iminungkahi ni Nikolai Koltsov na ang mga namamanang katangian ay namamana sa pamamagitan ng higanteng hereditaryong molekula na gawa ng dalawang salaming mga strando na magrereplika sa semi-konserbatibong anyo gamit ang bawat strando bilang suleras(template). Noong 1928, natuklasan ni Frederick Griffith na ang mga katangian ng makinis na anyo ng Pneumococcus ay maaaring maisalin sa anyong magaspan ng parehong bacteria sa pamamagitan ng paghahalo ng pinatay na makinis na bacteria na may buhay na anyong magaspang. Ang sistemang eksperimentong Avery–MacLeod–McCarty ang nagbigay unang maliwanag na suhestiyon na ang DNA ay nagdadala ng henetikong impormasyon nang si Oswald Avery kasama ang mga kapwa manggagawang sina Colin McLeod at Maclyn McCarty ay tumukoy sa DNA bilang nagtatranspormang prinsipyo noong 1943. Ang papel ng DNA sa pagmamana ay nakompirma noong 1952 nang si sina Alfred Hershey at Martha Chase sa eksperimentong Hershey–Chase ay nagpakitang ang DNA ang henetikong materyal sa T2 phage.

Noong 1953, sina James D. Watson at Francis Crick ay nagmungkahi nang tinatanggap sa kasalukuyang tamang modelo ng dobleng-helix ng istrakturang DNA sa hornal na Natural. Ang kanilang molekular na modelo ng dobleng-helix ng DNA ay ibinatay sa isang larawang dipraksiyong X-ray(na tinawag na "Photo 51") na kinunan nina Rosalind Franklin at Raymond Gosling noong Mayo 1952 gayundin sa impormasyong ang mga baseng DNA ay magkapares na nakuha sa pamamagitan ng pribadong pakikipagtalastasan kay Erwin Chargaff sa mga nakaraang taon. Ang mga patakaran ni Chargaff ay gumampan ng napakahalagang papel sa pagpapatunay ng mga konpigurasyong dobleng-helix para sa B-DNA gayundin sa A-DNA. Ang eksperimental na ebidensiyang sumusuporta sa modelo nina Watson at Crick ay inilimbag sa sunod sunod na limang mga artikulo sa parehong isyu ng Nature. Sa mga ito, ang papel nina Franklin at Gosling ang unang publikasyon ng kanilang data ng X-ray dipraksiyon at original na paraang pagsisiyasat na parsiyal na sumuporta sa modelo nina Watson at Crick. Ang isyung ito ay naglaman rin ng artikulo ng istraktura ng DNA ni Maurice Wilkins at mga kasama nito na ang analisis at in viv nba mga paterno ng B-DNA X-ray ay sumusuporta rin sa presensiya in vivo ng dobleng-helikal na mga konpigurasyong DNA gaya ng iminungkahi nina Crick at Watson para sa kanilang modelong molekular ng dobleng-helix ng DNA sa nakaraang dalawang mga pahina ng Nature. Noong 1962, pagkatapos ng kamatayan ni Franklin, sina Watson, Crick at Wilkins ay magkakasamang tumanggap ng Gantimpalang Nobel sa Physiolohiya o Medisina. Gayumpaman, ang mga patakaran ng Nobel sa panahong ito ay pumapayag lamang ng mga resipiyenteng nabubuhay ngunit ang isang buhay na debate ay nagpapatuloy kung sino ang dapat tumanggap ng kredito para sa pagkakatuklas na ito.

Sa isang maimpluwensiya (influential) na presentasyon noong 1957, inilatag ni Crick ang sentral na dogma ng molekular na biolohiya na humula ng ugnayan sa pagitan ng DNA, RNA at mga protina at umartikula ng hypotesis na adaptor. Ang huling kompirmasyon ng mekanismong replikasyon na ipinahiwatig ng dobleng-helikal na istraktura ay sumunod noong 1958 sa pamamagitan ng eksperimentong Meselson–Stahl. Ang karagdagang akda ni Crick at mga kamangmanggawa ay nagpakitang ang henetikong kodigo ay batay sa hindi magkakasanib na mga triplet ng base na tinatawag na mga codon na pumayag kina Gobind Khorana, Robert W. Holley at Marshall Warren Nirenberg na i-desiper(decipher) ang henetikong kodigo. Ang pagkakatuklas na ito ay kumakatawan sa kapanganakan ng molekular na biolohiya.