náhled|upright=1.5|Struktura dvoušroubovice DNA. V této formě se vyskytuje většina DNA například v lidských buňkách. Dvoušroubovice je tvořena dvěma řetězci nukleotidů Deoxyribonukleová kyselina, běžně označovaná DNA (z anglického deoxyribonucleic acid, česky zřídka i DNK), je nukleová kyselina, nositelka genetické informace všech organismů s výjimkou některých nebuněčných, u nichž hraje tuto úlohu RNA (např. RNA viry). DNA je tedy pro život velmi důležitou látkou, která ve své struktuře kóduje a buňkám zadává jejich program, a tím předurčuje vývoj a vlastnosti celého organismu. U eukaryotických organismů (jako jsou např. rostliny a živočichové) je DNA hlavní složkou chromatinu, směsi nukleových kyselin a proteinů, a je uložena zejména uvnitř buněčného jádra, zatímco u prokaryot (jako jsou např. bakterie a archea) se DNA nachází volně v cytoplazmě.
DNA je biologická makromolekula – polymer v podobě řetězce nukleotidů. Nukleotidy jsou vždy složeny z cukru deoxyribózy, fosfátové skupiny a jedné ze čtyř nukleových bází. Informační funkci mají právě báze, jimiž může být adenin A, guanin G, cytosin C nebo thymin T. První dvě patří mezi puriny, zbylé mezi tzv. pyrimidiny. Dvě vlákna DNA se často spojují a vytvářejí dvoušroubovici, jejíž tvar je tak slavný, že se stal kulturní ikonou moderní doby. Dvoušroubovici DNA tvoří dvě navzájem spletené šroubovice, každá mířící opačným směrem (jsou antiparalelní). Mezi protilehlými bázemi obou vláken se vytvářejí vodíkové můstky, a to tři mezi guaninem a cytosinem nebo dva mezi adeninem a thyminem. Existují i jiné způsoby uspořádání řetězců, vymykající se tradiční představě dvoušroubovice.
Deoxyribonukleová kyselina je středem zájmu vědců nejen z biologických oborů a byly vyvinuty promyšlené techniky její izolace, separace, barvení, sekvenování, umělé syntézy a manipulace s ní pomocí metod genového inženýrství. Všechny tyto postupy jsou důležité i pro lékaře, kriminalisty či evoluční biology – DNA je zásadním materiálem v diagnostice nemocí, testech otcovství, při vyšetřování zločinů, přípravě plodin s novými vlastnostmi či třeba hledání příbuzenských vztahů mezi organismy.
Historie výzkumu náhled|upright=1.2|vlevo|James D. Watson a Francis Crick (vpravo), podávající si ruce s Maclynem McCartym (vlevo)
Deoxyribonukleová kyselina byla popsána roku 1869, kdy švýcarský lékař Friedrich Miescher zkoumal složení hnisu z nemocničních obvazů. Z jader bílých krvinek přítomných v tomto hnisu získal jisté množství nukleových kyselin, které souhrnně nazýval nuklein. Na počátku 20. století Phoebus Levene rozpoznal, že DNA se skládá z cukrů, fosfátů a bází.
O funkci DNA toho dlouho nebylo moc známo. První důkaz o roli DNA v přenosu genetické informace přinesl v roce 1944 Averyho–MacLeodův–McCartyho experiment, který provedli Oswald Avery společně s Colinem MacLeodem a Maclynem McCartym. Sérií pokusů s transformací pneumokoků zjistili, že DNA je genetickým materiálem buněk. Další důkaz přinesl v roce 1952 Hersheyho–Chaseové experiment.
Patrně nejslavnějším milníkem ve výzkumu DNA bylo odhalení její trojrozměrné struktury. Správný dvoušroubovicový model poprvé představili v roce 1953 v časopise Nature James D. Watson a Francis Crick, pozdější laureáti Nobelovy ceny. Vycházeli přitom z rentgenové difrakční analýzy, kterou o rok dříve provedli Rosalind Franklinová a Raymond Gosling a publikovali ve stejném čísle Nature. Další článek v tomto vydání předložil i Maurice Wilkins. V roce 1957 předložil v té době již slavný Crick sérii pravidel, které se označují jako centrální dogma molekulární biologie a popisují vztahy mezi DNA, RNA a proteiny. O rok později slavný Meselsonův–Stahlův experiment umožnil poznat způsob replikace DNA v buňkách. Genetický kód rozluštili na počátku 60. let Har Gobind Khorana, Robert W. Holley a Marshall Warren Nirenberg.
Původ Přítomnost nukleových kyselin, tedy DNA a RNA, je společnou vlastností všech známých pozemských organismů. Veškerý život je založen na koexistenci těchto nukleových kyselin s bílkovinami, nicméně není zcela jasné, jak se vztah mezi DNA a bílkovinami vyvinul. Podle některých hypotéz nejprve existovaly bílkoviny a až následně vznikly nukleové kyseliny, nicméně nejvíce příznivců má zřejmě v současnosti představa, že prapůvodní látkou byla nukleová kyselina, která byla schopna biologické evoluce. Podle teorie RNA světa však hlavní roli hrála nejprve spíše RNA a teprve posléze přejala hlavní roli DNA. Doklady ve prospěch takových hypotéz jsou však vždy nepřímé, protože nejsou k dispozici dostatečně staré vzorky DNA. Život vznikl již před několika miliardami let, jenže už po několika desítkách tisíců let klesá množství DNA na setinu původního stavu. Studie v časopise Nature z let 2000 a 2002 nicméně popisují nález až 450 milionů let starých vzorků bakteriální DNA uchovaných v solných krystalech, dále existuje i řada dalších, více nebo méně spolehlivých studií.
Stavba náhled|upright=1.3|Chemická struktura krátkého úseku DNA: v každém ze čtyř nukleotidů je deoxyribóza, fosfátová skupina a dále jedna náhodná nukleová báze (ze čtyř možných) Stavbu DNA je možno zkoumat na několika úrovních. Pořadí nukleotidů v lineárním dvouvlákně je záležitostí tzv. primární struktury. Stáčení vlákna do dvoušroubovice se označuje jako sekundární struktura DNA. Konečně pod tzv. terciární strukturou se rozumí obvykle nadšroubovicové vinutí, které usnadňuje kondenzaci DNA.
Chemická struktura
DNA vlastně není nic jiného než velmi dlouhý lineární řetězec nukleotidů. Například uvnitř každého virionu planých neštovic se nachází DNA o délce 193 mikrometrů, kruhová DNA u Escherichia coli má délku 1 600 µm (1,6 mm), lidský genom je rozložen do 23 lineárních molekul DNA (v haploidním stavu) o celkové délce 1 metru. Nukleotid je základní stavební jednotkou všech molekul DNA; existují přitom čtyři základní typy nukleotidů, jež se v DNA přirozeně vyskytují. Tyto čtyři nukleotidy (dATP, dGTP, dCTP, dTTP) se navzájem liší typem přivěšené nukleové báze, jíž může být především adenin, guanin, cytosin či thymin. Důležité je, že každý nukleotid má tři důležité stavební součásti: deoxyribóza – pětiuhlíkový cukr (pentóza), který se v DNA vyskytuje v cyklické furanózové formě. Jeho uhlíky se po směru pohybu hodinových ručiček označují 1', 2', 3', 4' a 5', přičemž na 1' uhlíku je navěšena nukleová báze, na 3' a 5' uhlíku jsou přes OH skupinu připevněny fosfátové skupiny; fosfát – vazebný zbytek kyseliny ortofosforečné, který je navázán na 5' uhlíku každého nukleotidu. Záporný náboj na fosforečnanu je důvodem celkového negativního náboje DNA. Fosfátová skupina je můstek propojující 5' uhlík každé deoxyribózy s 3' uhlíkem předchozí deoxyribózy. Výsledkem je tzv. cukr-fosfátová kostra DNA. nukleová báze – dusíkatá heterocyklická sloučenina. V DNA se v různých kombinacích vyskytují především čtyři základní nukleové báze, dvě purinové (adenin A a guanin G) a dvě pyrimidinové (thymin T a cytosin C). Jedna z těchto čtyř nukleových bází je připojena na 1' uhlíku deoxyribózy pomocí N-glykosidové vazby. Právě existence čtyř nukleových bází je zásadní pro informační vlastnosti DNA. Důležitá je také schopnost nukleových bází vytvářet celou řadu vodíkových můstků.
Primární struktura DNA se dá znázornit jako lineární řada nukleotidů nebo třeba jako řada písmen, které odpovídají dusíkatým bázím v těchto nukleotidech. Dále je důležité, že DNA je směrovaná (direkcionalizovaná), tzn. dají se jednoznačně odlišit oba konce. Směr vláken se označuje právě podle orientace deoxyribózy v něm, tedy: směr 3'→5' a opačný směr 5'→3'. Podle konvence se pořadí nukleotidů zapisuje směrem 5'→3' (např. TACGGACGGG AGAAGCGCGC GGGCGGGCCG je prvních 30 z 3 675 nukleotidů tvořících přepisovanou část genu pro lidský alfa-tubulin).
V roce 2011 se objevila zpráva o existenci bakterií GFAJ-1, která údajně ve své DNA obsahuje místo fosfátových skupin arseničnany. Hypotéza byla definitivně vyvrácena v r. 2012.
Uspořádání řetězců
Deoxyribonukleová kyselina (DNA) může existovat jako samostatná jednovláknová molekula (tzv. ssDNA), nicméně velmi často vytváří vícevláknové struktury, které jsou složené z několika řetězců spojených vodíkovými můstky. Vodíkové můstky jsou jedním z typů poměrně slabých vazebných interakcí, mezi dvěma či více vlákny DNA jich však může vzniknout obrovské množství; výsledná vícevláknová struktura tak je poměrně stabilní. Typickou formou takového vícevláknového uspořádání DNA je dvoušroubovice, notoricky známá molekula DNA (připomínající „stočený žebřík“) tvořená dvěma lineárními řetězci. Aby vznikla pravidelná struktura s velkým množstvím vodíkových můstků, je žádoucí, aby se vedle sebe „v příčli žebříku“ vyskytovaly vždy určité nukleové báze, které spolu ve správném prostorovém uspořádání vytváří několik vodíkových můstků. V typickém případě (ne však vždy) se nukleové báze spojují navzájem s odpovídající bází podle jednoduchého klíče: A se páruje s T (vzájemně jsou spojeny dvěma vodíkovými vazbami) G se páruje s C (vzájemně jsou spojeny třemi vodíkovými vazbami) Jedná se o komplementaritu bází, z ní vychází vzájemná komplementarita obou vláken DNA. Vždy je na určité pozici v molekule jeden nukleotid z dvojice a v protějším vlákně druhý z nich. Takto se uchovává v každém z vláken tatáž informace, i když jedno z vláken je „negativem“ vlákna druhého – podle jednoho vlákna je možné přiřazením komplementárních bází vytvořit vlákno druhé. Poměr AT a GC párů v molekule DNA je velmi různý: tzv. obsah GC se pohybuje u bakterií od 25 do 75 %, u savců v rozmezí 39–46 %.
Existuje celá řada dalších možností, jak pomocí vodíkových můstků spárovat báze, neboť atomů schopných podílet se na vzniku vodíkových vazeb je na molekulách purinů i pyrimidinů celá řada. Samostatnou kapitolou je tzv. hoogsteenovské párování pojmenované podle Karsta Hoogsteena, který je v 60. letech 20. století jako první popsal. Jinou možností je tzv. wobble párování, které umožňuje úsporné rozeznávání kodonů pomocí tRNA molekul. Při wobble párování může například guanin vytvářet vazbu s uracilem; někdy je rekrutován inosin, jenž má velmi obecné vazebné schopnosti a je schopen vázat se na C, A a U.
Kromě vodíkových můstků se uplatňuje hydrofobie.
Dvoušroubovice náhled|vlevo|upright=0.8|Animace otáčejícího se prostorového modelu dvoušroubovice B-DNA
V drtivém procentu případů se DNA za běžných podmínek uchovává ve formě pravotočivé dvoušroubovice. Dvoušroubovice DNA je tvořena dvěma vlákny DNA, které se obtáčí kolem společné osy a interagují spolu. Vlákna jsou tzv. antiparalelní, tzn. směřují opačnými směry – zatímco jedno vlákno můžeme jedním směrem popsat jako 5'-3', druhé je ve stejném směru 3'-5'. Čísla 3' a 5' označují čísla uhlíku na deoxyribóze, na které se upínají fosfátové skupiny v cukr-fosfátové kostře DNA. Mezi bázemi v rámci jednoho „patra“ dvoušroubovice platí pravidla Watson-Crickovské komplementarity.
Existuje několik tzv. helikálních forem (konformací) DNA, které se liší celou řadou parametrů. Typická Watson-Crickovská pravotočivá dvoušroubovice (tzv. B-DNA) je nicméně zcela převažující a ostatní formy (zejména pravotočivá A-DNA a levotočivá Z-DNA) se sice mohou vyskytovat i v podmínkách živé buňky, nicméně spíše vzácně a jen za specifických okolností.
Jiná uspořádání řetězců náhled|G-kvartet je jednou ze známých alternativních struktur DNA, jež se vyskytují v buňkách V obecném povědomí DNA tvoří dvoušroubovici, nicméně existují i jiné způsoby uspořádání. Některé se vyskytují i v buňkách (in vivo), jiné jsou spíše laboratorní záležitost. Mnohdy se využívá neobvyklých párovacích míst na molekulách bází. To je případ tzv. G-kvartetů, čtyřvláknových úseků DNA v telomerických oblastech chromozomů, v nichž do kruhu párují čtyři guaninové báze. Co se týče trojšroubovice DNA, možná dočasně vzniká při tzv. crossing-overu; laboratorně může být trojvláknová struktura připravena např. z vláken poly(A) a polydeoxy(U).