δεοξυριβονουκλεϊνικό οξύ

(DNA). Μακρομόριο που υπάρχει σε κάθε ζωντανό οργανισμό (συμπεριλαμβανομένων ορισμένων ιών) και έχει σπουδαίο βιολογικό ρόλο, γιατί διατηρεί και μεταφέρει γενετικές πληροφορίες σχετικά με τη δομή, την εξέλιξη και τα χαρακτηριστικά όλων των ζωντανών οργανισμών. Τo δ.ο. είναι μία πολυμερής ένωση υψηλού μοριακού βάρους, του οποίου η δομική μονάδα είναι το νουκλεοτίδιο, μία ένωση που αποτελείται από ένα σάκχαρο, τη 2-δεοξυριβόζη, μία αζωτούχα βάση, η οποία μπορεί να ανήκει στις πουρίνες ή στις πυριμιδίνες (οι πουρίνες που απαντούν στο DNA είναι η αδενίνη και η γουανίνη, ενώ από τις πυριμιδίνες συναντάμε την κυτοσίνη και τη θυμίνη) και ένα φωσφορικό οξύ. Το σάκχαρο συνδέεται, μέσω Ν-γλυκοζιτικού δεσμού, με μία βάση πουρίνης ή πυριμιδίνης, σχηματίζοντας μια ένωση που καλείται νουκλεοσίδιο. Τα νουκλεοσίδια ονομάζονται σύμφωνα με την αζωτούχα βάση που περιέχουν και την κατάληξη –οσινη, αν είναι παράγωγα πουρίνης, ή –ιδινη, αν είναι παράγωγα πυριμιδίνης. Έτσι σχηματίζονται οι: αδενοσίνη, γουανοσίνη, κυτιδίνη και θυμιδίνη. Ακολουθεί η ένωση του νουκλεοσιδίου με το φωσφορικό οξύ μέσω εστερικού δεσμού. Τα νουκλεοτίδια είναι οι 5’-φωσφορικοί εστέρες των νουκλεοσιδίων. Πολλά νουκλεοτίδια ενώνονται μεταξύ τους και σχηματίζουν ένα πολυνουκλεοτίδιο, με συνδυασμό του φωσφορικού οξέος του ενός νουκλεοτιδίου με μία υδροξυλομάδα της σακχαρούχας βάσης του γειτονικού νουκλεοτιδίου, δημιουργώντας φωσφοδιεστερικές γέφυρες μεταξύ των νουκλεοτιδίων. Το μήκος της αλυσίδας των δεοξυριβονουκλεοτιδίων μπορεί να είναι πολύ μεγάλο (στον άνθρωπο, για παράδειγμα, φθάνει περίπου τα 3x10⁹ νουκλεοτίδια). Γενικά χρησιμοποιούμε ως μονάδα μέτρησης τον αριθμό βάσεων ή τον αριθμό ζευγών βάσεων σε δίκλωνα μόρια (bp) ή εκφράζουμε το μήκος σε μονάδες χιλιάδων βάσεων (kb = κιλοβάσεις). Με ποσοτικές μελέτες βρέθηκε ότι η αδενίνη και η θυμίνη βρίσκονται στο δ.ο. (αλλά και στο RNA) σε αναλογία 1:1, δηλαδή στην ίδια ποσότητα. Το ίδιο συμβαίνει και με τη γουανίνη και την κυτοσίνη. Δηλαδή, στο δ.ο. ενός κυττάρου περιέχονται ίσες ποσότητες πουρίνης και πυριμιδίνης. Το 1953 οι βιοχημικοί Τζέιμς Γουότσον και Φράνσις Κρικ, στηριζόμενοι στην παραπάνω διαπίστωση καθώς και σε δεδομένα από πειράματα διάθλασης ακτίνων Χ, πρότειναν ένα μοντέλο για τη δομή του μορίου του δ.ο., σύμφωνα με το οποίο το δ.ο. είναι δίκλωνο μόριο, αποτελούμενο από δύο πολυνουκλεοτιδικές αλυσίδες τυλιγμένες η μία γύρω από την άλλη με τέτοιο τρόπο, ώστε η αδενίνη να συνδέεται μέσω υδρογονικών δεσμών με τη θυμίνη και η γουανίνη με την κυτοσίνη. Συγκεκριμένα, μεταξύ αδενίνης και θυμίνης αναπτύσσονται δύο υδρογονικοί δεσμοί, ενώ μεταξύ γουανίνης και κυτοσίνης τρεις. Οι δύο αλυσίδες περιστρέφονται δεξιόστροφα γύρω από τον ίδιο άξονα για να σχηματίσουν μία δίκλωνη αλυσίδα. Έως σήμερα δεν έχει βρεθεί στη φύση κανένα άλλο μόριο που να έχει αυτή την ασυνήθιστη δομή της περίφημης διπλής έλικας, όπως ονομάστηκε. Τα πρώτα σημαντικά συμπεράσματα σχετικά με τον ρόλο των νουκλεϊνικών οξέων ως φορέων της γενετικής πληροφορίας οφείλονται στον Αμερικανό χημικό-ανοσολόγο Όσβαλντ Έιβερι που, σε ένα από τα πιο σημαντικά πειράματα της σύγχρονης βιολογίας, κατέδειξε με τους συνεργάτες του, το 1944, ότι ο υπεύθυνος παράγοντας για τη μεταβολή των χαρακτηριστικών ορισμένων βακτηρίων ήταν το δ.ο. To δ.ο χρησιμεύει ως μήτρα για τη σύνθεση των ριβονουκλεϊνικών οξέων (RNA), καθορίζοντας την πρωτοταγή τους δομή μέσω της διαδικασίας της μεταγραφής. Η μεταφορά της πληροφορίας στηρίζεται στην αρχή της συμπληρωματικότητας των βάσεων. Η ίδια η αλληλουχία των βάσεων του δ.ο περιέχει τη γενετική πληροφορία και καθορίζει την αλληλουχία των αμινοξέων των πρωτεϊνών μέσω του γενετικού κώδικα, σύμφωνα με τον οποίο η ακολουθία τριών βάσεων δ.ο καθορίζει ένα αμινοξύ. Σημαντικό είναι το γεγονός ότι η ροή της πληροφορίας πηγαίνει από το δ.ο. προς την πρωτεΐνη και όχι αντίστροφα, στοιχείο που αποτελεί το βασικό δόγμα της μοριακής βιολογίας. Επίσης, η συμπληρωματικότητα των βάσεων εξασφαλίζει τον ακριβή αναδιπλασιασμό του δ.ο., κατά τον οποίο ο ένας κλώνος προσδιορίζει επακριβώς τον άλλο, καθώς και τη μεταβίβαση των γενετικών πληροφοριών στα θυγατρικά κύτταρα (ημισυντηρητικός διπλασιασμός του DNA). Κληρονομικές μεταβολές στους οργανισμούς (μεταλλάξεις) προκαλούνται από αλλαγές στην αλληλουχία των βάσεων στις πολυνουκλεοτιδικές αλυσίδες, που μπορεί να οφείλονται στην επίδραση φυσικών (π.χ. ακτινοβολία) ή χημικών (π.χ. ακριδίνη, νιτρώδες οξύ) μεταλλαξογόνων παραγόντων. Ο προσδιορισμός της αλληλουχίας του δ.ο. έχει ιδιαίτερη σημασία, γιατί, όπως αναφέρθηκε, σε αυτό εμπεριέχονται οι γενετικές πληροφορίες, καθώς και η πληροφορία για την πρωτοταγή δομή των πρωτεϊνών. Όμως το μεγάλο μέγεθος του μορίου του δ.ο. ήταν αποτρεπτικό στοιχείο στον χειρισμό του. Έτσι, σημαντικό ρόλο στην εξακρίβωση της αλληλουχίας του δ.ο. έπαιξε η ανακάλυψη ειδικών ενζύμων, των δεοξυριβονουκλεασών, που έχουν την ιδιότητα να καταλύουν την υδρόλυση των φωσφοδιεστερικών δεσμών. Πολύ σημαντικές για τη μελέτη της δομής του δ.ο. είναι και οι περιοριστικές ενδονουκλεάσες, βακτηριακά ένζυμα που παρουσιάζουν εξειδίκευση για ορισμένες αλληλουχίες βάσεων, οι οποίες συνήθως είναι συμμετρικές και χαρακτηρίζονται ως παλινδρομικές. Με την επίδραση περιοριστικών ενδονουκλεασών, λαμβάνεται ένα μείγμα από κομμάτια δ.ο. διαφορετικών μεγεθών, τα οποία μπορούν να διαχωριστούν με ηλεκτροφόρηση και να αναλυθούν ξεχωριστά. Μέχρι σήμερα έχουν περιγραφεί περισσότερες από 500 διαφορετικές περιοριστικές ενδονουκλεάσες.