ДНК является универсальным источником и хранителем наследственной информации, которая записана с помощью специальной последовательности нуклеотидов, она определяет свойства всех живых организмов.

Средняя молекулярная масса нуклеотида принимается равной 345, а количество нуклеотидных остатков может достигать нескольких сот, тысяч и даже миллионов. ДНК в основной своей массе находится в ядрах клеток. Немного содержится в хлоропластах и митохондриях. Однако ДНК ядра клетки - это не одна молекула. Она состоит из множества молекул, которые распределены по разным хромосомам, их количество меняется в зависимости от организма. Это и есть особенности строения ДНК.

История открытия ДНК

Строение и функции ДНК были открыты Джеймсом Уотсоном и Френсисом Криком, им даже была вручена Нобелевская премия в 1962 году.

Но впервые обнаружил нуклеиновые кислоты швейцарский ученый Фридрих Иоганн Мишер, работавший в Германии. В 1869 году он изучал животные клетки - лейкоциты. Для их получения использовал повязки с гноем, достававшиеся ему из больниц. Из гноя Мишер вымывал лейкоциты, а из них выделял белок. В ходе этих исследований ученому удалось установить, что в лейкоцитах кроме белков имеется еще что-то, какое-то неизвестное на тот момент вещество. Оно представляло собой нитевидный или хлопьевидный осадок, который выделялся, если создать кислую среду. Осадок сразу растворялся при добавлении щелочи.

Ученый с помощью микроскопа обнаружил, что при отмывании лейкоцитов с помощью соляной кислоты от клеток остаются ядра. Тогда он сделал заключение, что в ядре есть неизвестное вещество, названное им нуклеином (слово nucleus в переводе означает ядро).

Проведя химический анализ, Мишер выяснил, что новое вещество в своем составе имеет углерод, водород, кислород и фосфор. В то время фосфорорганических соединений было известно немного, поэтому Фридрих решил, что обнаружил новый класс соединений, находящихся в ядре клетки.

Таким образом, в XIX веке было открыто существование нуклеиновых кислот. Однако в то время никто не мог даже подумать о том, какая важная роль им принадлежит.

Вещество наследственности

Строение ДНК продолжали исследовать, и в 1944 году группа бактериологов под руководством Освальда Эвери получила доказательства того, что эта молекула заслуживает серьезного внимания. Ученый на протяжении многих лет занимался изучением пневмококков, организмов, которые вызывали пневмонию или заболевание легких. Эвери проводил опыты, смешивая пневмококки, вызывающие заболевание, с теми, которые безопасны для живых организмов. Сначала болезнетворные клетки убивали, а после добавляли к ним те, которые заболеваний не вызывают.

Результаты исследований поразили всех. Были такие живые клетки, которые после взаимодействия с мертвыми научались вызывать болезнь. Ученый выяснил природу вещества, которое участвует в процессе передачи информации живым клеткам от мертвых. Молекула ДНК и оказалась этим веществом.

Строение

Итак, необходимо разобраться с тем, какое строение имеет молекула ДНК. Открытие ее структуры стало значимым событием, это привело к образованию молекулярной биологии - новой отрасли биохимии. ДНК в больших количествах находится в ядрах клеток, однако размеры и количество молекул зависят от вида организма. Установлено, что ядра клеток млекопитающих содержат много этих клеток, они распределены по хромосомам, их насчитывается 46.

Изучая строение ДНК, в 1924 году Фельген впервые установил ее локализацию. Доказательства, полученные в ходе экспериментов, показали, что ДНК находится в митохондриях (1-2%). В других местах эти молекулы могут находиться при вирусной инфекции, в базальных тельцах, а также в яйцеклетках некоторых животных. Известно, что чем сложнее организм, тем масса ДНК больше. Количество молекул, находящихся в клетке, зависит от функции и составляет обычно 1-10%. Меньше всего их находится в миоцитах (0,2%), больше - в половых клетках (60%).

Строение ДНК показало, что в хромосомах высших организмов они связаны с простыми белками - альбуминами, гистонами и прочими, которые все вместе образуют ДНП (дезоксирибонуклеопротеид). Обычно большая молекула нестойкая, и для того чтобы она оставалась целой и неизменной в ходе эволюции, создана так называемая репарирующая система, которая состоит из ферментов - лигаз и нуклеаз, отвечающих за «ремонт» молекулы.

Химическое строение ДНК

ДНК является полимером, полинуклеотидом, состоящим из огромного числа (до десятков тысяч миллионов) мононуклеотидов. Строение ДНК имеет следующий вид: мононуклеотиды содержат азотистые основания - цитозин (Ц) и тимин (Т) - из производных пиримидинов, аденин (А) и гуанин (Г) - из производных пурина. Кроме азотистых оснований, в составе молекулы человека и животных имеется 5-метилцитозин — минорное пиримидиновое основание. С фосфорной кислотой и дезоксирибозой связываются азотистые основания. Схема строения ДНК продемонстрирована ниже.

Правила Чаргаффа

Строение и биологическая роль ДНК изучались Э. Чаргаффом в 1949 году. В ходе исследований он выявил закономерности, которые наблюдаются в количественном распределении азотистых оснований:

1. ∑Т + Ц = ∑А + Г (то есть число пиримидиновых оснований равно числу пуриновых).
2. Всегда количество остатков аденина равно количеству остатков тимина, а количество гуанина равно цитозину.
3. Коэффициент специфичности имеет формулу: Г+Ц/А+Т. Например, у человека он равен 1,5, у быка - 1,3.
4. Сумма "А + Ц" равна сумме "Г + Т", то есть аденина и цитозина имеется столько же, сколько гуанина и тимина.

Модель строения ДНК

Ее создали Уотсон и Крик. Остатки фосфатов и дезоксирибоз располагаются по хребту двух закрученных спиралеобразным образом полинуклеотидных цепей. Определено, что плоскостные структуры пиримидиновых и пуриновых оснований располагаются перпендикулярно оси цепи и образуют как бы ступени лестницы в виде спирали. Установлено также, что А всегда соединяется с Т при помощи двух водородных связей, а Г прикреплено к Ц уже тремя такими же связями. Этому явлению дали название "принцип избирательности и комплементарности".

Уровни структурной организации

Изогнутая как спираль полинуклеотидная цепь - это первичная структура, которая имеет определенный качественный и количественный набор мононуклеотидов, связанных 3’,5’-фосфодиэфирной связью. Таким образом, каждая из цепей имеет 3’-конец (дезоксирибоза) и 5’-конец (фосфатный). Участки, которые содержат в себе генетическую информацию, названы структурными генами.

Двухспиральная молекула - это вторичная структура. Причем ее полинуклеотидные цепи антипараллельны и связываются водородными связями между комплементарными основаниями цепей. Установлено, что в каждом витке этой спирали содержится 10 нуклеотидных остатков, длина ее равняется 3,4 нм. Эту структуру поддерживают также Ван-дер-Ваальсовы силы взаимодействия, которые наблюдаются между основаниями одной цепи, включающие отталкивающие и притягивающие компоненты. Эти силы объясняются взаимодействием электронов в соседних атомах. Электростатическое взаимодействие также стабилизирует вторичную структуру. Оно возникает между заряженными положительно молекулами гистонов и заряженной отрицательно нитью ДНК.

Третичная структура - это намотка цепей ДНК на гистоны или суперспирализация. Описано пять видов гистонов: Н1, Н2А, Н2В, Н3, Н4.

Укладка нуклеосом в хроматин - это четвертичная структура, поэтому молекула ДНК, имеющая длину несколько сантиметров, может складываться до 5 нм.

Функции ДНК

Основными функциями ДНК являются:

1. Хранение наследственной информации. Последовательность аминокислот, находящихся в молекуле белка, определяется порядком, в котором расположены нуклеотидные остатки в молекуле ДНК. Также в ней зашифрована вся информация о свойствах и признаках организма.
2. ДНК способна передавать наследственную информацию следующему поколению. Это возможно из-за способности к репликации - самоудвоению. ДНК способна распадаться на две комплементарные цепочки, и на каждой из них (в соответствии с принципом комплементарности) восстанавливается исходная последовательность нуклеотидов.
3. При помощи ДНК происходит биосинтез белков, ферментов и гормонов.

Заключение

Строение ДНК позволяет ей являться хранителем генетической информации, а также передавать ее следующим поколениям. Какие есть особенности у этой молекулы?

1. Стабильность. Это возможно благодаря гликозидным, водородным и фосфодиэфирным связям, а также механизму репарации индуцированных и спонтанных повреждений.
2. Возможность репликации. Этот механизм позволяет в соматических клетках сохранять диплоидное число хромосом.
3. Существование генетического кода. При помощи процессов трансляции и транскрипции последовательность оснований, находящихся в ДНК, преобразуется в последовательность аминокислот, находящихся в полипептидной цепи.
4. Способность к генетической рекомбинации. При этом образуются новые сочетания генов, которые сцеплены между собой.

Таким образом, строение и функции ДНК позволяют ей играть неоценимую роль в организмах живых существ. Известно, что длина 46-ти молекул ДНК, находящихся в каждой клетке человека, равна почти 2 м, а число нуклеотидных пар составляет 3,2 млрд.

МОСКВА, 25 апр — РИА Новости, Татьяна Пичугина. Ровно 65 лет назад британские ученые Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик опубликовали статью о расшифровке структуры ДНК, заложив основы новой науки — молекулярной биологии. Это открытие изменило очень многое в жизни человечества. РИА Новости рассказывает о свойствах молекулы ДНК и о том, почему она так важна.

Во второй половине XIX века биология была совсем молодой наукой. Ученые только приступали к исследованию клетки, а представления о наследственности, хотя и были уже сформулированы Грегором Менделем, не получили широкого признания.

Весной 1868 года молодой швейцарский врач Фридрих Мишер приехал в Университет города Тюбингена (Германия), чтобы заняться научной работой. Он намеревался узнать, из каких веществ состоит клетка. Для экспериментов выбрал лейкоциты, которые легко получить из гноя.

Отделяя ядро от протоплазмы, белков и жиров, Мишер обнаружил соединение с большим содержанием фосфора. Он назвал эту молекулу нуклеином ("нуклеус" на латыни — ядро).

Это соединение проявляло кислотные свойства, поэтому возник термин "нуклеиновая кислота". Его приставка "дезоксирибо" означает, что молекула содержит H-группы и сахара. Потом выяснилось, что на самом деле это соль, но название менять не стали.

В начале XX века ученые уже знали, что нуклеин представляет собой полимер (то есть очень длинную гибкую молекулу из повторяющихся звеньев), звенья сложены четырьмя азотистыми основаниями (аденином, тимином, гуанином и цитозином), а нуклеин содержится в хромосомах — компактных структурах, которые возникают в делящихся клетках. Их способность передавать наследственные признаки продемонстрировал американский генетик Томас Морган в опытах на дрозофилах.

Модель, объяснившая гены

А вот что делает в ядре клетки дезоксирибонуклеиновая кислота, сокращенно ДНК, долго не понимали. Считалось, что она играет какую-то структурную роль в хромосомах. Единицам наследственности — генам — приписывали белковую природу. Прорыв совершил американский исследователь Освальд Эвери, опытным путем доказавший, что генетический материал передается от бактерии к бактерии посредством ДНК.

Стало ясно, что ДНК нужно изучать. Но как? В то время ученым был доступен только рентген. Чтобы просвечивать им биологические молекулы, их приходилось кристаллизовать, а это сложно. Расшифровкой структуры белковых молекул по рентгенограммам занимались в Кавендишской лаборатории (Кембридж, Великобритания). Работавшие там молодые исследователи Джеймс Уотсон и Френсис Крик не располагали собственными экспериментальными данными по ДНК, поэтому они воспользовались рентгенограммами коллег из Королевского колледжа Мориса Уилкинса и Розалинды Франклин.

Уотсон и Крик предложили модель структуры ДНК, точно соответствующую рентгенограммам: две параллельные цепочки закручены в правую спираль. Каждая цепочка складывается произвольным набором азотистых оснований, нанизанных на остов их сахаров и фосфатов, и удерживается водородными связями, протянутыми между основаниями. Причем аденин соединяется только с тимином, а гуанин — с цитозином. Это правило называют принципом комплементарности.

Модель Уотсона и Крика объясняла четыре главных функции ДНК: репликацию генетического материала, его специфику, хранение информации в молекуле и ее способность мутировать.

Ученые опубликовали свое открытие в журнале Nature 25 апреля 1953 года. Через десять лет им вместе с Морисом Уилкинсом присудили Нобелевскую премию по биологии (Розалинда Франклин скончалась в 1958 году от рака в возрасте 37 лет).

"Теперь, более полувека спустя, можно констатировать, что открытие структуры ДНК сыграло в развитии биологии такую же роль, как в физике — открытие атомного ядра. Выяснение строения атома привело к рождению новой, квантовой физики, а открытие строения ДНК привело к рождению новой, молекулярной биологии", — пишет Максим Франк-Каменецкий, выдающийся генетик, исследователь ДНК, автор книги "Самая главная молекула".

Генетический код

Теперь оставалось узнать, как эта молекула действует. Было известно, что ДНК содержит инструкции для синтеза клеточных белков, которые выполняют всю работу в клетке. Белки — это полимеры, состоящие из повторяющихся наборов (последовательностей) аминокислот. Причем аминокислот — всего двадцать. Виды животных отличаются друг от друга набором белков в клетках, то есть разными последовательностями аминокислот. Генетика утверждала, что эти последовательности задаются генами, которые, как тогда считали, служат первокирпичиками жизни. Но что такое гены, никто в точности не представлял.

Ясность внес автор теории Большого взрыва физик Георгий Гамов, сотрудник Университета Джорджа Вашингтона (США). Основываясь на модели двухцепочечной спирали ДНК Уотсона и Крика, он предположил, что ген — это участок ДНК, то есть некая последовательность звеньев — нуклеотидов. Поскольку каждый нуклеотид — это одно из четырех азотистых оснований, то нужно просто выяснить, как четыре элемента кодируют двадцать. В этом состояла идея генетического кода.

К началу 1960-х установили, что белки синтезируются из аминокислот в рибосомах — своего рода "фабриках" внутри клетки. Чтобы приступить к синтезу белка, к ДНК приближается фермент, распознает определенный участок в начале гена, синтезирует копию гена в виде маленькой РНК (ее называют матричной), затем уже в рибосоме из аминокислот выращивается белок.

Выяснили также, что генетический код — трехбуквенный. Это значит, что одной аминокислоте соответствуют три нуклеотида. Единицу кода назвали кодоном. В рибосоме информация с мРНК считывается кодон за кодоном, последовательно. И каждому из них соответствует несколько аминокислот. Как же выглядит шифр?

На этот вопрос ответили Маршалл Ниренберг и Генрих Маттеи из США. В 1961 году они впервые доложили свои результаты на биохимическом конгрессе в Москве. К 1967-му генетический код полностью расшифровали. Он оказался универсальным для всех клеток всех организмов, что имело далеко идущие последствия для науки.

Открытие структуры ДНК и генетического кода полностью переориентировало биологические исследования. То, что у каждого индивида уникальная последовательность ДНК, кардинально изменило криминалистику. Расшифровка генома человека дала антропологам совершенно новый метод изучения эволюции нашего вида. Недавно изобретенный редактор ДНК CRISPR-Cas позволил сильно продвинуть вперед генную инженерию. По всей видимости, в этой молекуле хранится решение и самых злободневных проблем человечества: рака, генетических заболеваний, старения.

Молекулы нуклеиновых кислот всех ти­пов живых организмов - это длинные неразветвленные полимеры мононуклеотидов. Роль мостика между нуклеотидами выпол­няет 3",5"-фосфодиэфирная связь, соединяю­щая 5"-фосфат одного нуклеотида и 3"-гидроксильный остаток рибозы (или дезоксирибозы) следующего. В связи с этим полинуклеотидная цепь оказывается полярной. На одном ее конце остается свободной 5"-фосфатная группа, на другом 3"-ОН-группа.

ДНК, подобно белкам , имеет первич­ную, вторичную и третичную структуры.

Первичная структура ДНК . Данная структура определяет закодированную в ней информацию, представляя собой последова­тельность чередования дезоксирибонуклеотидов в полинуклеотидной цепи.

Молекула ДНК состоит из двух спиралей , имеющих одну и ту же ось, и противоположные направления. Сахарофосфатный остов располагается по периферии двойной спирали, а азотистые основания находятся внутри. Остов содержит ковалентные фосфодиэфирные связи , а обе спирали между основаниями соединены водородными связями и гидрофобными взаимодействиями.

Эти связи впервые были открыты и изучены Э.Чаргаффом в 1945 г. и получили название принципа комплементарности , а особенности образования водородных свзей между основаниями называются правилами Чаргаффа :

• пуриновое основание всегда связывается с пиримидиновым: аденин - с тимином (А®Т), гуанин – с цитозином (Г®Ц);
• молярное соотношение аденина к тимину и гуанина к цитозину равно 1 (А=Т, или А/Т=1 и Г=Ц, или Г/Ц=1);
• сумма остатков А и Г равно сумме остатков Т и Ц, т.е. А+Г=Т+Ц;
• в ДНК, выделенных из разных источников, отношение (Г+Ц)/(А+Т), называемое коэффициентом специфичности, неодинаково.

Правила Чаргаффа основаны на том, что аденин образует две связи с тимином, а гуанин образует три связи с цитозином:

На основании правил Чаргаффа можно представить двуспиральную структуру ДНК, которая приведена на рисунке.

А-форма В-форма

A-аденин, G-гуанин, C-цитозин, T-тимин

Схематическое изображение двуспиральной

молекулы ДНК

Вторичная структура ДНК . В соответствии с моделью, предложенной в 1953 г. Дж. Уотсоном и Ф. Криком, вторичная структура ДНК представляет собой двухцепочечную правозакрученную спираль из комплементарных друг другу антипараллельных полинуклеотидных цепей.

Для вторичной структуры ДНК решающим являются две особенности строения азотистых оснований нуклеотидов. Первая заключается в наличии групп, способных образовывать водородные связи. Вторая особенность заключается в том, что пары комплементарных оснований А-Т и Г-Ц оказываются одинаковы­ми не только по размеру, но и по форме.

Благодаря способности нуклеотидов к спариванию, образуется жесткая, хорошо стабилизированная двухцепочечная структура. Основные элементы и параметрические характеристики такой структуры наглядно изображены на рисунке.

На основе тщательного анализа рентгенограмм выделенных ДНК установ­лено, что двойная спираль ДНК может существовать в виде нескольких форм (А, В, С, Z и др.). Указанные формы ДНК различаются диаметром и шагом спирали, числом пар оснований в витке, углом наклона плоскости оснований по отношению к оси молекулы.

Третичная структура ДНК. У всех живых организмов двухспиральные молекулы ДНК плотно упакованы с образованием сложных трехмерных структур. Двухцепочечные ДНК прокариот, имеющие кольцевую ковалентно-замкнутую форму, образуют левые (-) суперспирали . Третичная структура ДНК эукариотических клеток также образуется пу­тем суперспирализации, но не свободной ДНК, а ее комплексов с белками хромосом (белки-гистоны классов Н1, Н2, Н3, Н4 и Н5).

В пространственной организации хромосом можно выделить несколько уровней. Первый уровень – нуклеосомный. В результате нуклеосомной организации хроматина двойная спираль ДНК диаметром 2 нм приобретает диаметр 10-11 нм и укорачивается примерно в 7 раз.

Вторым уровнем пространственной организации хромосом является обра­зование из нуклеосомной нити хроматиновой фибриллы диаметром 20- 30 нм (уменьшение линейных размеров ДНК еще в 6-7 раз).

Третичный уровень организации хромосом обусловлен укладкой хромати­новой фибриллы в петли. В образовании петель принимают участие негистоновые белки. Участок ДНК, со­ответствующий одной петле, содержит от 20 000 до 80 000 пар нуклеотидов. В результате такой упаковки линейные размеры ДНК уменьшаются при­мерно в 200 раз. Петлеобразная доменная организация ДНК, называемая ин­терфазной хромонемой, может подвергаться дальнейшей компактизации, сте­пень которой меняется в зависимости от фазы клеточного цикла.

Молекулярная генетика – раздел генетики, который занимается изучением наследственности на молекулярном уровне.

Нуклеиновые кислоты. Репликация ДНК. Реакции матричного синтеза

Нуклеиновые кислоты (ДНК, РНК) были открыты в 1868 году швейцарским биохимиком И.Ф. Мишером. Нуклеиновые кислоты – линейные биополимеры, состоящие из мономеров – нуклеотидов.

ДНК – структура и функции

Химическую структуру ДНК расшифровали в 1953 г. американский биохимик Дж. Уотсон и английский физик Ф. Крик.

Общая структура ДНК. Молекула ДНК состоит из 2 цепей, которые закручены в спираль (рис. 11) одна вокруг другой и вокруг общей оси. Молекулы ДНК могут содержать от 200 до 2х10 8 пар нуклеотидов. Вдоль спирали молекулы ДНК соседние нуклеотиды располагаются на расстоянии 0,34 нм друг от друга. Полный оборот спирали включает 10 пар нуклеотидов. Его длина составляет 3,4 нм.

Рис . 11 . Схема строения ДНК (двойная спираль)

Полимерность молекулы ДНК. Молекула ДНК – биоплоимер состоит из сложных соединений – нуклеотидов.

Строение нуклеотида ДНК. Нуклеотид ДНК состоит из 3 звеньев: одно из азотистых оснований (аденин, гуанин, цитозин, тимин); дезокисирибоза (моносахарид); остаток фосфорной кислоты (рис. 12).

Различают 2 группы азотистых оснований:

пуриновые – аденин (А), гуанин (Г), содержащие два бензольных кольца;

пиримидиновые – тимин (Т), цитозин (Ц), содержащие одно бензольное кольцо.

В состав ДНК входят следующие виды нуклеотидов: адениновый (А); гуаниновый (Г); цитозиновый (Ц); тиминовый (Т). Названия нуклеотидов соответствуют названиям азотистых оснований, входящих в их состав: адениновый нуклеотид азотистое основание аденин; гуаниновый нуклеотид азотистое основание гуанин; цитозиновый нуклеотид азотистое основание цитозин; тиминовый нуклеотид азотистое основание тимин.

Соединение двух цепей ДНК в одну молекулу

Нуклеотиды А, Г, Ц и Т одной цепи соединены соответственно с нуклеотидами Т, Ц, Г и А другой цепи водородными связями . Между А и Т формируется две водородные связи, а между Г и Ц – три водородные связи (А=Т, Г≡Ц).

Пары оснований (нуклеотидов) А – Т и Г – Ц называют комплементарными, т. е. взаимно соответствующими. Комплементарность – это химическое и морфологическое соответствие нуклеотидов друг другу в парных цепочках ДНК.

5 ’ 3 ’

1 2 3

3’ 5’

Рис. 12 Участок двойной спирали ДНК. Строение нуклеотида (1– остаток фосфорной кислоты; 2– дезоксирибоза; 3– азотистое основание). Соединение нуклеотидов с помощью водородных связей.

Цепи в молекуле ДНК антипараллельны, т. е. направлены в противоположные стороны, так что 3’- конец одной цепи располагается напротив 5’- конца другой цепи. Генетическая информация в ДНК записана в направлении от 5’ конца к 3’ концу. Эта нить называется смысловой ДНК,

поскольку здесь расположены гены. Вторая нить – 3’–5’ служит эталоном хранения генетической информации.

Cоотношение между числом разных оснований в ДНК установлено Э. Чаргаффом в 1949 г. Чаргафф выявил, что у ДНК различных видов количество аденина равно количеству тимина, а количество гуанина – количеству цитозина.

Правило Э. Чаргаффа :

в молекуле ДНК количество A (адениновых) нуклеотидов всегда равно количеству Т (тиминовых) нуклеотидов или отношение ∑ А к ∑ Т=1. Сумма Г (гуаниновых) нуклеотидов равна сумме Ц (цитозиновых) нуклеотидов или отношение ∑ Г к ∑ Ц=1;

сумма пуриновых оснований (А+Г) равна сумме пиримидиновых оснований (Т+Ц) или отношение ∑ (А+Г) к ∑ (Т+Ц)=1;

Способ синтеза ДНК – репликация . Репликация – это процесс самоудвоения молекулы ДНК, осуществляемый в ядре под контролем ферментов. Самоудовоение молекулы ДНК происходит на основе комплементарности – строгого соответствия нуклеотидов друг другу в парных цепочках ДНК. В начале процесса репликации молекула ДНК раскручивается (деспирализуется) на определенном участке (рис. 13), при этом освобождаются водородные связи. На каждой из цепей, образовавшихся после разрыва водородных связей, при участии фермента ДНК-полимиразы, синтезируется дочерняя цепь ДНК. Материалом для синтеза служат свободные нуклеотиды, содержащиеся в цитоплазме клеток. Эти нуклеотиды выстраиваются комплементарно нуклеотидам двух материнских цепей ДНК. Фермент ДНК-полимераза присоединяет комплементарные нуклеотиды к матричной цепи ДНК. Например, к нуклеотиду А матричной цепи полимераза присоединяет нуклеотид Т и, соответственно, к нуклеотиду Г – нуклеотид Ц (рис. 14). Сшивание комплементарных нуклеотидов происходит с помощью фермента ДНК-лигазы . Так путем самоудвоения синтезируются две дочерние цепи ДНК.

Образовавшиеся две молекулы ДНК из одной молекулы ДНК представляют собой полуконсервативную модель , поскольку состоят из старой материнской и новой дочерней цепей и являются точной копией материнской молекулы (рис. 14). Биологический смысл репликации заключается в точной передаче наследственной информации от материнской молекулы к дочерней.

Рис . 13 . Деспирализация молекулы ДНК с помощью фермента

1

Рис . 14 . Репликация – образование двух молекул ДНК из одной молекулы ДНК: 1 – дочерняя молекула ДНК; 2 – материнская (родительская) молекула ДНК.

Фермент ДНК-полимераза может двигаться вдоль цепи ДНК только в направлении 3’ –> 5’. Поскольку комплементарные цепи в молекуле ДНК направлены в противоположные стороны, и фермент ДНК-полимераза может двигаться вдоль цепи ДНК только в направлении 3’–>5’, то и синтез новых цепей идет антипараллельно (по принципу антипараллельности ).

Место локализации ДНК . ДНК содержится в ядре клетки, в матриксе митохондрий и хлоропластов.

Количество ДНК в клетке постоянно и составляет 6,6х10 -12 г.

Функции ДНК:

Хранение и передача в ряду поколений генетической информации молекулам и - РНК;

Структурная. ДНК является структурной основой хромосом (хромосома на 40% состоит из ДНК).

Видоспецифичность ДНК . Нуклеотидный состав ДНК служит критерием вида.

РНК, строение и функции.

Общая структура .

РНК – линейный биополимер, состоящий из одной полинуклеотидной цепи. Различают первичную и вторичную структуры РНК. Первичная структура РНК представляет собой одноцепочечную молекулу, а вторичная структура имеет форму креста и характерна для т- РНК.

Полимерность молекулы РНК . Молекула РНК может включать от 70 нуклеотидов до 30 000 нуклеотидов. Нуклеотиды, входящие в состав РНК, следующие: адениловый (А), гуаниловый (Г), цитидиловый (Ц), урациловый (У). В составе РНК тиминовый нуклеотид замещен на урациловый (У).

Строение нуклеотида РНК.

Нуклеотид РНК включает 3 звена:

азотистое основание (аденин, гуанин, цитозин, урацил);

моносахарид – рибоза (в рибозе присутствует кислород при каждом атоме углерода);

остаток фосфорной кислоты.

Способ синтеза РНК – транскрипция . Транскрипция, как и репликация, – реакция матричного синтеза. Матрицей является молекула ДНК. Реакция протекает по принципу комплементарности на одной из цепей ДНК (рис. 15). Процесс транскрипции начинается с деспирализации молекулы ДНК на определенном участке. На транскрибируемой цепи ДНК имеется промотор – группа нуклеотидов ДНК, с которой начинается синтез молекулы РНК. К промотору присоединяется фермент РНК-полимераза . Фермент активизирует процесс транскрипции. По принципу комплементарности достраиваются нуклеотиды, поступающие из цитоплазмы клетки к транскрибируемой цепи ДНК. РНК-полимераза активизирует выстраивание нуклеотидов в одну цепь и формирование молекулы РНК.

В процессе транскрипции выделяют четыре стадии: 1) связывание РНК-полимеразы с промотором; 2) начало синтеза (инициация); 3) элонгация – рост цепи РНК, т. е. происходит последовательное присоединение нуклеотидов друг к другу; 4) терминация – завершение синтеза и-РНК.

Рис . 15 . Схема транскрипции

1 – молекула ДНК (двойная цепочка); 2 – молекула РНК; 3–кодоны; 4– промотор.

В 1972 г. американские ученые – вирусолог Х.М. Темин и молекулярный биолог Д. Балтимор на вирусах в опухолевых клетках открыли обратную транскрипцию. Обратная транскрипция – переписывание генетической информации с РНК на ДНК. Процесс протекает с помощью фермента обратной транскриптазы .

Виды РНК по функции

Информационная, или матричная РНК (и-РНК, или м-РНК) переносит генетическую информацию с молекулы ДНК к месту синтеза белка – в рибосому. Синтезируется в ядре при участии фермента РНК-полимеразы. Она составляет 5% от всех видов РНК клетки. и- РНК включает от 300 нуклеотидов до 30 000 нуклеотидов (самая длинная цепь среди РНК).

Транспортная РНК (т-РНК) транспортирует аминокислоты к месту синтеза белка,– в рибосому. Имеет форму креста (рис. 16) и состоит из 70 – 85 нуклеотидов. Ее количество в клетке составляет 10-15 % РНК клетки.

Рис. 16. Схема строения т-РНК: А–Г – пары нуклеотидов, соединенные с помощью водородных связей; Д – место прикрепления аминокислоты (акцепторный участок); Е – антикодон.

3. Рибосомная РНК (р-РНК) синтезируется в ядрышке и входит в состав рибосом. Включает примерно 3000 нуклеотидов. Составляет 85% РНК клетки. Этот вид РНК содержатся в ядре, в рибосомах, на эндоплазматической сети, в хромосомах, в матриксе митохондрий, а также в пластидах.

Основы цитологии. Решение типовых задач

Задача 1

Сколько тиминовых и адениновых нуклеотидов содержится в ДНК, если в ней обнаружено 50 цитозиновых нуклеотидов, что составляет 10% от всех нуклеотидов.

Решение. По правилу комплементарности в двойной цепи ДНК цитозин всегда комплемпентарен гуанину. 50 цитозиновых нуклеотидов составляют 10%, следовательно, согласно правилу Чаргаффа, 50 гуаниновых нуклеотидов также составляют 10%, или (если ∑Ц =10%, то и ∑Г =10%).

Сумма пары нуклеотидов Ц + Г равна 20%

Сумма пары нуклеотидов Т + А = 100% – 20 % (Ц + Г) = 80 %

Для того, чтобы узнать, сколько тиминовых и адениновых нуклеотидов содержится в ДНК, нужно составить следующую пропорцию:

50 цитозиновых нуклеотидов → 10 %

Х (Т + А) →80 %

Х = 50х80:10=400 штук

Согласно правилу Чаргаффа ∑А= ∑Т, следовательно ∑А=200 и ∑Т=200.

Ответ: количество тиминовых, как и адениновых нуклеотидов в ДНК, равно 200.

Задача 2

Тиминовые нуклеотиды в ДНК составляют 18% от общего количества нуклеотидов. Определите процент остальных видов нуклеотидов, содержащихся в ДНК.

Решение. ∑Т=18%. Согласно правилу Чаргаффа ∑Т=∑А, следовательно на долю адениновых нуклеотидов также приходится 18 % (∑А=18%).

Сумма пары нуклеотидов Т+А равна 36 % (18 % + 18 % = 36 %). На пару нуклеотидов Ги Ц приходится: Г+Ц=100 % –36 %=64 %. Поскольку гуанин всегда комплементарен цитозину, то их содержание в ДНК будет равным,

т. е. ∑ Г= ∑Ц=32%.

Ответ : содержание гуанина, как и цитозина, составляет 32 %.

Задача 3

20 цитозиновых нуклеотидов ДНК составляют 10% от общего количества нуклеотидов. Сколько адениновых нуклеотидов содержится в молекуле ДНК?

Решение. В двойной цепочке ДНК количество цитозина равно количеству гуанина, следовательно, их сумма составляет: Ц+Г=40 нуклеотидов. Находим общее количество нуклеотидов:

20 цитозиновых нуклеотидов → 10 %

Х (общее количество нуклеотидов) →100 %

Х=20х100:10=200 штук

А+Т=200 – 40=160 штук

Так как аденин комплементарен тимину, то их содержание будет равным,

т. е. 160 штук: 2=80 штук, или ∑А=∑Т=80.

Ответ : в молекуле ДНК содержится 80 адениновых нуклеотидов.

Задача 4

Допишите нуклеотиды правой цепи ДНК, если известны нуклеотиды ее левой цепи: АГА – ТАТ – ГТГ – ТЦТ

Решение. Построение правой цепи ДНК по заданной левой цепи производится по принципу комплементарности – строгого соответствия нуклеотидов друг другу: аденонивый – тиминовый (А–Т), гуаниновый – цитозиновый (Г–Ц). Поэтому нуклеотиды правой цепи ДНК должны быть следующие: ТЦТ – АТА – ЦАЦ – АГА.

Ответ : нуклеотиды правой цепи ДНК: ТЦТ – АТА – ЦАЦ – АГА.

Задача 5

Запишите транскрипцию, если транскрибируемая цепочка ДНК имеет следующий порядок нуклеотидов: АГА – ТАТ – ТГТ – ТЦТ.

Решение . Молекула и-РНК синтезируется по принципу комплеиентарности на одной из цепей молекулы ДНК. Нам известен порядок нуклеотидов в транскрибируемой цепи ДНК. Следовательно, надо построить комплементарную цепь и-РНК. Следует помнить, что вместо тимина в молекулу РНК входит урацил. Следовательно:

Цепь ДНК: АГА – ТАТ – ТГТ – ТЦТ

Цепь и-РНК: УЦУ – АУА –АЦА –АГА.

Ответ : последовательность нуклеотидов и-РНК следующая: УЦУ – АУА – АЦА –АГА.

Задача 6

Запишите обратную транскрипцию, т. е. постройте фрагмент двухцепочечной молекулы ДНК по предложенному фрагменту и-РНК, если цепочка и- РНК имеет следующую последовательность нуклеотидов:

ГЦГ – АЦА – УУУ – УЦГ – ЦГУ – АГУ – АГА

Решение. Обратная транскрипция – это синтез молекулы ДНК на основе генетического кода и-РНК. Кодирующая молекулу ДНК и-РНК имеет следующий порядок нуклеотидов: ГЦГ – АЦА – УУУ – УЦГ – ЦГУ – АГУ – АГА. Комплементарная ей цепочка ДНК: ЦГЦ – ТГТ – ААА – АГЦ – ГЦА – ТЦА – ТЦТ. Вторая цепочка ДНК: ГЦГ–АЦА–ТТТ–ТЦГ–ЦГТ–АГТ–АГА.

Ответ : в результате обратной транскрипции синтезированы две цепочки молекулы ДНК: ЦГЦ – ТГТ – ААА – АГЦ – ГЦА – ТЦА и ГЦГ–АЦА–ТТТ–ТЦГ–ЦГТ–АГТ–АГА.

Генетический код. Биосинтез белка.

Ген – участок молекулы ДНК, содержащий генетическую информацию о первичной структуре одного определенного белка.

Экзон-интронная структура гена эукариот

промотор – участок ДНК (длиной до 100 нуклеотидов), к которому присоединяется фермент РНК-полимераза , необходимый для осуществления транскрипции;

2) регуляторная зона – зона, влияющая на активность гена;

3) структурная часть гена – генетическая информация о первичной структуре белка.

Последовательность нуклеотидов ДНК, несущая генетическую информацию о первичной структуре белка – экзон . Они также входят в состав и-РНК. Последовательность нуклеотидов ДНК, не несущая генетическую информацию о первичной структуре белка – интрон . Они не входят в состав и-РНК. В ходе транскрипции с помощью специальных ферментов происходит вырезание копий интронов из и-РНК и сшивание копий экзонов при образовании молекулы и-РНК (рис. 20). Этот процесс называется сплайсинг .

Рис . 20 . Схема сплайсинга (формирование зрелой и-РНК у эукариот)

Генетический код – система последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК, или и-РНК, которая соответствует последовательности аминокислот в полипептидной цепи.

Свойства генетического кода:

Триплетность (АЦА – ГТГ – ГЦГ…)

Генетический код является триплетным, так как каждая из 20 аминокислот кодируется последовательностью трех нуклеотидов (триплетом , кодоном) .

Существует 64 вида триплетов нуклеотидов (4 3 =64).

Однозначность (специфичность)

Генетический код является однозначным, так как каждый отдельный триплет нуклеотидов (кодон) кодирует только одну аминокислоту, или один кодон всегда соответствует одной аминокислоте (таблица 3).

Множественность (избыточность, или вырожденность)

Одна и та же аминокислота может кодироваться несколькими триплетами (от 2 до 6), т. к. белокобразующих аминокислот –20, а триплетов – 64.

Непрерывность

Считывание генетической информации происходит в одном направлении, слева направо. Если произойдет выпадение одного нуклеотида, то при считывании его место займет ближайший нуклеотид из соседнего триплета, что приведет к изменению генетической информации.

Универсальность

Генетический код характерен для всех живых организмов, и одинаковые триплеты кодируют одну и ту же аминокислоту у всех живых организмов.

Имеет стартовые и терминальные триплеты (стартовый триплет – АУГ, терминальные триплеты УАА, УГА, УАГ). Эти виды триплетов не кодируют аминокислоты.

Неперекрываемость (дискретность)

Генетический код является неперекрывающимся, так как один и тот же нуклеотид не может входить одновременно в состав двух соседних триплетов. Нуклеотиды могут принадлежать только одному триплету, а если переставить их в другой триплет, то произойдет изменение генетической информации.

Таблица 3 – Таблица генетического кода

		Основания кодонов

Примечание: сокращенные названия аминокислот даны в соответствии с международной терминологией.

Биосинтез белка

Биосинтез белка – вид пластического обмена веществ в клетке, происходящий в живых организмах под действием ферментов. Биосинтезу белка предшествуют реакции матричного синтеза (репликация – синтез ДНК; транскрипция – синтез РНК; трансляция – сборка молекул белка на рибосомах). В процессе биосинтеза белка выделяют 2 этапа:

транскрипция

трансляция

В ходе транскрипции генетическая информация, заключенная в ДНК, находящейся в хромосомах ядра, передается молекуле РНК. По завершении процесса транскрипции и-РНК выходит в цитоплазму клетки через поры в мембране ядра, располагается между 2 субъединицами рибосомы и участвует в биосинтезе белка.

Трансляция – процесс перевода генетического кода в последовательность аминокислот. Трансляция осуществляется в цитоплазме клетки на рибосомах, которые располагаются на поверхности ЭПС (эндоплазматической сети). Рибосомы – сферические гранулы, диаметром, в среднем, 20 нм, состоящие из большой и малой субъединиц. Молекула и-РНК располагается между двумя субъединицами рибосомы. В процессе трансляции участвуют аминокислоты, АТФ, и-РНК, т-РНК, фермент амино-ацил т-РНК-синтетаза.

Кодон – участок молекулы ДНК, или и-РНК, состоящий из трех последовательно расположенных нуклеотидов, кодирующий одну аминокислоту.

Антикодон – участок молекулы т-РНК, состоящий из трех последовательно расположенных нуклеотидов и комплементарный кодону молекулы и-РНК. Кодоны комплементарны соответствующим антикодонам и соединяются с ними с помощью водородных связей (рис. 21).

Синтез белка начинается со стартового кодона АУГ . От него рибосома

перемещается по молекуле и-РНК, триплет за триплетом. Аминокислоты поступают по генетическому коду. Встраивание их в полипептидную цепь на рибосоме происходит с помощью т-РНК. Первичная структура т-РНК (цепочка) переходит во вторичную структуру, напоминающую по форме крест, и при этом в ней сохраняется комплементарность нуклеотидов. В нижней части т-РНК имеется акцепторный участок, к которому присоединяется аминокислота (рис.16). Активизация аминокислоты осуществляется при помощи фермента аминоацил т-РНК-синтетазы . Суть этого процесса состоит в том, что данный фермент взаимодействует с аминокислотой и с АТФ. При этом формируется тройной комплекс, представленный данным ферментом, аминокислотой и АТФ. Аминокислота обогащается энергией, активизируется, приобретает способность образовывать пептидные связи с соседней аминокислотой. Без процесса активизации аминокислоты полипептидная цепь из аминокислт сформироваться не может.

В противоположной, верхней части молекулы т-РНК содержится триплет нуклеотидов антикодон , с помощью которого т-РНК прикрепляется к комплементарному ему кодону (рис. 22).

Первая молекула т-РНК, с присоединенной к ней активизированной аминокислотой, своим антикодоном прикрепляется к кодону и-РНК, и в рибосоме оказывается одна аминокислота. Затем прикрепляется вторая т-РНК своим антикодоном к соответствующему кодону и-РНК. При этом в рибосоме оказываются уже 2 аминокислоты, между которыми формируется пептидная связь. Первая т-РНК покидает рибосому, как только отдаст аминокислоту в полипептидную цепь на рибосоме. Затем к дипептиду присоединяется 3-я аминокислота, ее приносит третья т-РНК и т. д. Синтез белка останавливается на одном из терминальных кодонов – УАА, УАГ, УГА (рис. 23).

1 – кодон и-РНК; кодоны UCG – УЦГ ; CUA – ЦУА ; CGU – ЦГУ ;

2– антикодон т-РНК; антикодон GAT – ГАТ

Рис . 21 . Фаза трансляции: кодон и-РНК притягивается к антикодону т-РНК соответствующими комплементарными нуклеотидами (основаниями)

Нуклеиновые кислоты - высокомолекулярные вещества, состоящие из мононуклеотидов, которые соединены друг с другом в полимерную цепочку с помощью 3",5"- фосфодиэфирных связей и упакованы в клетках определенным образом.

Нуклеиновые кислоты - биополимеры двух разновидностей: рибонуклеиновая кислота (РНК) и дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). Каждый биополимер состоит из нуклеотидов, различающихся по углеводному остатку (рибозе, дезоксирибозе) и одному из азотистых оснований (урацил, тимин). Соответственно этим различиям нуклеиновые кислоты и получили свое название.

Структура дезоксирибонуклеиновой кислоты

Нуклеиновые кислоты имеют первичную, вторичную и третичную структуру.

Первичная структура ДНК

Первичной структурой ДНК называют линейную полинуклеотидную цепь, в которой мононуклеотиды соединены 3", 5"-фосфодиэфирными связями. Исходным материалом при сборке цепи нуклеиновой кислоты в клетке является нуклеозид 5"-трифосфат, который в результате удаления β и γ остатков фосфорной кислоты способен присоединить 3"-атом углерода другого нуклеозида. Таким образом, 3"-атом углерода одной дезоксирибозы ковалентно связывается с 5"-атомом углерода другой дезоксирибозы посредством одного остатка фосфорной кислоты и образует линейную полинуклеотидную цепь нуклеиновой кислоты. Отсюда и название: 3", 5"-фосфодиэфирные связи. Азотистые основания не принимают участия в соединении нуклеотидов одной цепи (рис. 1.).

Такое соединение, между остатком молекулы фосфорной кислоты одного нуклеотида и углеводом другого, приводит к образованию пентозо-фосфатного скелета молекулы полинуклеотида, на котором сбоку один за другим присоединяются азотистые основания. Их последовательность расположения в цепях молекул нуклеиновых кислот строго специфична для клеток разных организмов, т.е. носит видовой характер (правило Чаргаффа).

Линейная цепь ДНК, длина которой зависит от числа входящих в цепь нуклеотидов, имеет два конца: один называется 3"-концом и содержит свободный гидроксил, а другой - 5"-концом, содержит остаток фосфорной кислоты. Цепь полярна и может иметь напрвление 5"->3" и 3"->5". Исключением являются кольцевые ДНК.

Генетический "текст" ДНК составлен с помощью кодовых "слов" - триплетов нуклеотидов, называемых кодонами. Участки ДНК, содержащие информацию о первичной структуре всех типов РНК, называют структурными генами.

Полинуклеодитные цепочки ДНК достигают гигантских размеров, поэтому в клетке они упакованы определенным образом.

Изучая состав ДНК, Чаргафф (1949) установил важные закономерности, касающиеся содержания отдельных оснований ДНК. Они помогли раскрыть вторичную структуру ДНК. Эти закономерности называют правилами Чаргаффа. Правила Чаргаффа сумма пуриновых нуклеотидов равна сумме пиримидиновых нуклеотидов, т. е. А+Г / Ц+Т = 1 содержание аденина равно содержанию тимина (А = Т, или А/Т=1); содержание гуанина равно содержанию цитозина (Г = Ц, или Г/Ц = 1); количество 6-аминогрупп равно количеству 6-кетогрупп оснований, содержащихся в ДНК: Г + Т = А + Ц; изменчива только сумма А + Т и Г + Ц. Если А+Т > Г-Ц, то это АТ-тип ДНК; если Г+Ц > А+Т, то это ГЦ-тип ДНК. Эти правила говорят о том, что при построении ДНК должно соблюдаться довольно строгое соответствие (спаривание) не пуриновых и пиримидиновых оснований вообще, а конкретно тимина с аденином и цитозина с гуанином. На основании этих правил в том числе, в 1953 г. Уотсон и Крик предложили модель вторичной структуры ДНК, получившую название двойной спирали (рис.).

Вторичная структура ДНК

Вторичная структура ДНК - это двойная спираль, модель которой была предложена Д.Уотсоном и Ф.Криком в 1953 году.

Предпосылки к созданию модели ДНК

В результате первоначальных анализов сложилось представление, что ДНК любого происхождения содержит все четыре нуклеотида в равных молярных количествах. Однако в 1940-х годах Э. Чаргафф и его сотрудники в результате анализа ДНК, выделенных из разнообразных организмов, ясно показали, что азотистые основания содержатся в них в различных количественных соотношениях. Чаргафф нашел, что, хотя эти соотношения одинаковы для ДНК из всех клеток одного и того же вида организмов, ДНК от разных видов могут заметно различаться по содержанию тех или иных нуклеотидов. Это наводило на мысль, что различия в соотношении азотистых оснований, возможно, связаны с каким-то биологическим кодом. Хотя соотношение отдельных пуриновых и пиримидиновых оснований в различных образцах ДНК оказалось неодинаковым, при сравнении результатов анализов выявилась определенная закономерность: во всех образцах общее количество пуринов было равно общему количеству пиримидинов (А + Г = Т + Ц), количество аденина - количеству тимина (А = Т), а количество гуанина - количеству цитозина (Г = Ц). ДНК, выделенная из клеток млекопитающих, была в целом богаче аденином и тимином и относительно беднее гуанином и цитозином, тогда как у бактерий ДНК была богаче гуанином и цитозином и относительно беднее аденином и тимином. Эти данные составили важную часть фактического материала, на основе которого позднее была построена модель структуры ДНК Уотсона - Крика.

Еще одним важным косвенным указанием на возможную структуру ДНК послужили данные Л. Полинга о строении белковых молекул. Полинг показал, что возможно несколько различных устойчивых конфигураций аминокислотной цепи в белковой молекуле. Одна из распространенных конфигураций пептидной цепи - α-спираль - представляет собой правильную винтообразную структуру. При такой структуре возможно образование водородных связей между аминокислотами, находящимися на смежных витках цепи. Полинг описал α-спиральную конфигурацию полипептидной цепи в 1950 году и высказал предположение, что и молекулы ДНК, вероятно, имеют спиральную структуру, закрепленную водородными связями.

Однако наиболее ценные сведения о строении молекулы ДНК дали результаты рентгеноструктурного анализа. Рентгеновские лучи, проходя сквозь кристалл ДНК, претерпевают дифракцию, т. е. отклоняются в определенных направлениях. Степень и характер отклонения лучей зависят от структуры самих молекул. Дифракционная рентгенограмма (рис. 3) дает опытному глазу ряд косвенных указаний относительно строения молекул исследуемого вещества. Анализ дифракционных рентгенограмм ДНК привел к заключению, что азотистые основания (имеющие плоскую форму) уложены наподобие стопки тарелок. Рентгенограммы позволили выявить в структуре кристаллической ДНК три главных периода: 0,34, 2 и 3,4 нм.

Модель ДНК Уотсона-Крика

Исходя из аналитических данных Чаргаффа, рентгенограмм, полученных Уилкинсом и исследований химиков, предоставивших сведения о точных расстояниях между атомами в молекуле, об углах между связями данного атома и о величине атомов, Уотсон и Крик начали строить физические модели отдельных составных частей молекулы ДНК в определенном масштабе и "подгонять" их друг к другу с таким расчетом, чтобы полученная система соответствовала различным экспериментальным данным [показать] .

Еще раньше было известно, что в цепи ДНК соседние нуклеотиды соединены фосфодиэфирными мостиками, связывающими 5"-углеродный атом дезоксирибозы одного нуклеотида с 3"-углеродным атомом дезоксирибозы следующего нуклеотида. Уотсон и Крик не сомневались в том, что период 0,34 нм соответствует расстоянию между последовательными нуклеотидами в цепи ДНК. Далее, можно было предполагать, что период 2 нм соответствует толщине цепи. А для того чтобы объяснить, какой реальной структуре соответствует период 3,4 нм, Уотсон и Крик, так же как ранее Полинг, предположили, что цепь закручена в виде спирали (или, точнее, образует винтовую линию, так как спираль в строгом смысле этого слова получается тогда, когда витки образуют в пространстве коническую, а не цилиндрическую поверхность). Тогда период 3,4 нм будет соответствовать расстоянию между последовательными витками этой спирали. Такая спираль может быть очень плотной или же несколько растянутой, т. е. витки ее могут быть пологими или крутыми. Поскольку период 3,4 нм ровно в 10 раз больше расстояния между последовательными нуклеотидами (0,34 нм), ясно, что каждый полный виток спирали содержит 10 нуклеотидов. По этим данным Уотсон и Крик смогли вычислить плотность полинуклеотидной цепи, закрученной в спираль диаметром 2 нм, с расстоянием между витками, равным 3,4 нм. Оказалось, что у такой цепи плотность была бы вдвое меньше фактической плотности ДНК, которая была уже известна. Пришлось предположить, что молекула ДНК состоит из двух цепей - что это двойная спираль из нуклеотидов.

Следующей задачей было, конечно, выяснение пространственных отношений между обеими цепями, образующими двойную спираль. Испробовав на своей физической модели ряд вариантов расположения цепей, Уотсон и Крик нашли, что всем имеющимся данным лучше всего соответствует такой вариант, в котором две полинуклеотидные спирали идут в противоположных направлениях; при этом цепи, состоящие из остатков сахара и фосфата, образуют поверхность двойной спирали, а пурины и пиримидины располагаются внутри. Расположенные друг против друга основания, принадлежащие двум цепям, попарно соединены водородными связями; именно эти водородные связи и удерживают цепи вместе, фиксируя таким образом общую конфигурацию молекулы.

Двойную спираль ДНК можно представить себе в виде винтообразно закрученной веревочной лестницы, так чтобы перекладины ее оставались в горизонтальном положении. Тогда две продольные веревки будут соответствовать цепям из остатков сахара и фосфата, а перекладины - парам азотистых оснований, соединенных водородными связями.

В результате дальнейшего изучения возможных моделей Уотсон и Крик пришли к выводу, что каждая "перекладина" должна состоять из одного пурина и одного пиримидина; при периоде 2 нм (что соответствует диаметру двойной спирали) для двух пуринов не хватило бы места, а два пиримидина не могли бы при этом располагаться достаточно близко друг к другу, чтобы образовать надлежащие водородные связи. Углубленное исследование детальной модели показало, что аденин и цитозин, составляя подходящую по размерам комбинацию, все же не могли бы располагаться таким образом, чтобы между ними образовались водородные связи. Аналогичные сообщения заставили исключить также комбинацию гуанин - тимин, тогда как сочетания аденин - тимин и гуанин - цитозин оказались вполне приемлемыми. Природа водородных связей такова, что аденин образует пару с тимином, а гуанин - с цитозином. Это представление о специфическом спаривании оснований позволяло объяснить "правило Чаргаффа", согласно которому в любой молекуле ДНК количество аденина всегда равно содержанию тимина, а количество гуанина - количеству цитозина. Между аденином и тимином образуются две водородные связи, а между гуанином и цитозином - три. Благодаря этой специфичности в образовании водородных связей против каждого аденина в одной цепи в другой оказывается тимин; точно так же против каждого гуанина может находиться только цитозин. Таким образом, цепи комплементарны друг другу, т. е. последовательность нуклеотидов в одной цепи однозначно определяет их последовательность в другой. Две цепи идут в противоположных направлениях, и их концевые фосфатные группы находятся на противоположных концах двойной спирали.

В результате своих исследований, в 1953 году Уотсон и Крик предложили модель строения молекулы ДНК (рис. 3), которая остается актуальной по настоящее время. Согласно модели молекула ДНК состоит из двух комплементарных полинуклеотидных цепей. Каждая цепь ДНК представляет полинуклеотид, состоящий из нескольких десятков тысяч нуклеотидов. В ней соседние нуклеотиды образуют регулярный пентозо-фосфатный остов за счет соединения остатка фосфорной кислоты и дезоксирибозы прочной ковалентной связью. Азотистые основания одной полинуклеотидной цепи при этом располагаются в строго определенном порядке против азотистых оснований другой. Чередование азотистых оснований в полинуклеотидной цепи нерегулярно.

Расположение азотистых оснований в цепи ДНК является комплементарным (от греч. "комплемент" - дополнение), т.е. против аденина (А) всегда оказывается тимин (Т), а против гуанина (Г) - только цитозин (Ц). Это объясняется тем, что А и Т, а также Г и Ц строго соответствуют друг другу, т.е. дополняют друг другу. Такое соответствие задается химической структурой оснований, позволяющей образовать водородные связи в паре пурина и пиримидина. Между А и Т возникают две связи, между Г и Ц - три. Эти связи обеспечивают частичную стабилизацию молекулы ДНК в пространстве. Устойчивость двойной спирали при этом прямо пропорциональна числу связей G≡С, являющихся более стабильными по сравнению со связями А=Т.

Известная последовательность расположения нуклеотидов в одной цепи ДНК позволяет по принципу комплементарности установить нуклеотиды другой цепи.

Кроме того, установлено, что азотистые основания, имеющие ароматическую структуру, в водном растворе располагаются один над другим, формируя как бы стопку монет. Такой процесс формирования стопок из органических молекул называется стекинг. Полинуклеотидные цепи молекулы ДНК рассматриваемой модели Уотсона-Крика имеют аналогичное физико-химическое состояние, их азотистые основания располагаются в виде стопки монет, между плоскостями которых возникают ван-дер-ваальсовы взаимодействия (стекинг-взаимодействия).

Водородные связи между комплементарными основаниями (по горизонтали) и стекинг-взаимодействие между плоскостями оснований в полинуклеотидной цепи за счет ван-дер-ваальсовых сил (по вертикали) обеспечивает молекуле ДНК дополнительную стабилизацию в пространстве.

Сахарофосфатные остовы обеих цепей обращены наружу, а основания внутрь, навстречу друг другу. Направление цепей в ДНК антипараллельно (одна из них имеет направление 5"->3", другая - 3"->5", т.е. 3"-конец одной цепи расположен напротив 5"-конца другой.). Цепи образуют правые спирали с общей осью. Один виток спирали составляет 10 нуклеотидов, размер витка 3,4 нм, высота каждого нуклеотида 0,34 нм, диаметр спирали – 2,0 нм. В результате вращения одной цепи вокруг другой, образуется большая борозда (диаметром около 20 Å) и малая борозда (около 12 Å) двойной спирали ДНК. Такая форма двойной спирали Уотсона-Крика в дальнейшем получила название В-формы. В клетках ДНК обычно существует в В-форме, которая является самой стабильной.

Функции ДНК

Предложенная модель объясняла многие биологические свойства дезоксирибонуклеиновой кислоты, в том числе хранение генетической информации и многообразие генов, обеспечиваемое большим разнообразием последовательных сочетаний 4-х нуклеотидов и фактом существования генетического кода, способность к самовоспроизведению и передаче генетической информации, обеспечиваемое процессом репликации, и реализацию генетической информации в виде белков, а также любых других соединений, образующихся с помощью белков-ферментов.

Oсновные функции ДНК.

1. ДНК является носителем генетической информации, что обеспечивается фактом существования генетического кода.
2. Воспроизведение и передана генетической информации в поколениях клеток и организмов. Эта функция обеспечивается процессом репликации.
3. Реализация генетической информации в виде белков, а также любых других соединений, образующихся с помощью белков-ферментов. Эта функция обеспечивается процессами транскрипции и трансляции.

Формы организации двухцепочечной ДНК

ДНК может формировать несколько типов двойных спиралей (рис.4). В настоящее время уже известно шесть форм (от А до Е и Z-форма).

Структурные формы ДНК, как установила Розалинда Франклин, зависят от насыщения водой молекулы нуклеиновой кислоты. В исследованиях волокон ДНК при помощи рентгеноструктурного анализа было показано, что рентгенограмма радикальным образом зависит от того, при какой относительной влажности, при какой степени насыщения водой этого волокна происходит эксперимент. Если волокно было достаточно насыщено водой, то получалась одна рентгенограмма. При высушивании возникала совершенно другая рентгенограмма, сильно отличающаяся от рентгенограммы волокна высокой влажности.

Молекула ДНК высокой влажности получила название В-формы . При физиологических условиях (низкая концентрация соли, высокая степерь гидратации) доминирующим структурным типом ДНК является В-форма (основная форма двухцепочечной ДНК - модель Уотсона-Крика). Шаг спирали такой молекулы равен 3,4 нм. На виток приходится 10 комплементарных пар в виде скрученных стопок "монет" - азотистых оснований. Стопки удерживаются водородными связями между двумя противолежащими "монетами" стопок, и "обмотаны" двумя лентами фосфодиэфирного остова, закрученными в правую спираль. Плоскости азотистых оснований перпендикулярны оси спирали. Соседние комплементарные пары повернуты друг относительно друга на 36°. Диаметр спирали 20Å, причем пуриновый нуклеотид занимает 12Å, а пиримидиновый - 8Å.

Молекула ДНК более низкой влажности получила название А-формы . А-форма образуется в условиях менее высокой гидратации и при более высоком содержании ионов Na + или К + . Эта более широкая правоспиральная конформация имеет 11 пар азотистых оснований на виток. Плоскости азотистых оснований имеют более сильный наклон к оси спирали, они отклонены от нормали к оси спирали на 20°. Отсюда следует наличие внутренней пустоты диаметром 5Å. Расстояние между соседними нуклеотидами составляет 0,23 нм, длина витка – 2,5 нм, диаметр спирали – 2,3 нм.

Первоначально считали, что А-форма ДНК менее важна. Однако в дальнейшем выяснилось, что А-форма ДНК, также как и В-форма, имеет огромное биологическое значение. А-форму имеет спираль РНК-ДНК в комплексе матрица-затравка, а также спираль РНК-РНК и шпилечные структуры РНК (2’-гидроксильная группа рибозы не позволяет молекулам РНК образовывать В-форму). А-форма ДНК обнаружена в спорах. Установлено, что А-форма ДНК в 10 раз устойчивее к действию УФ-лучей, чем В-форма.

А-форму и В-форму называют каноническими формами ДНК.

Формы С-Е также правоспиральные, их образование можно наблюдать только в специальных экспериментах, и, по-видимому, они не существуют in vivo. С-форма ДНК имеет структуру, сходную с В-ДНК. Число пар оснований на виток составляет 9,33, длина витка спирали равна 3,1 нм. Пары оснований наклонены на угол 8 градусов относительно перпендикулярного положения к оси. Желобки по размерам близки к желобкам В-ДНК. При этом главный желобок несколько мельче, а минорный желобок – глубже. В С-форму могут переходить природные и синтетические полинуклеотиды ДНК.

Таблица 1. Характеристика некоторых типов структур ДНК
Тип спирали	A	B	Z
Шаг спирали	0,32 нм	3,38 нм	4,46 нм
Закрученность спирали	Правая	Правая	Левая
Число пар оснований на виток	11	10	12
Расстояние между плоскостями оснований	0,256 нм	0,338 нм	0,371 нм
Конформация гликозидной связи	анти	анти	анти-С син-Г
Конформация фуранозного цикла	С3"-эндо	С2"-эндо	С3"-эндо-Г С2"-эндо-Ц
Ширина бороздки, малой/большой	1,11/0,22 нм	0,57/1,17 нм	0,2/0,88 нм
Глубина бороздки, малой/большой	0,26/1,30 нм	0,82/0,85 нм	1,38/0,37 нм
Диаметр спирали	2,3 нм	2,0 нм	1,8 нм

Структурные элементы ДНК
(неканонические структуры ДНК)

К структурным элементам ДНК можно отнести необычные структуры, ограниченные какими-то специальными последовательностями:

Z-форма ДНК - образуется в местах В-формы ДНК, где пурины чередуются с пиримидинами или в повторах, содержащих метилированный цитозин. Палиндромы - последовательности-перевертыши, инвертированные повторы последовательностей оснований, имеющие симметрию второго порядка относительно двух цепей ДНК и образующие "шпильки" и "кресты". H-форма ДНК и тройные спирали ДНК - образуются при наличии в одной цепи нормального Уотсон-Криковского дуплекса участка, содержащего только пурины, и во второй цепи, соответственно, комплементарные им пиримидины. G-квадруплекс (G-4) - четырехцепочечная спираль ДНК, где 4 гуаниновых основания из разных цепей образуют G-квартеты (G-тетрады), скрепленные водородными связами с образованием G-квадруплексов.

Z-форма ДНК была открыта в 1979 году при изучении гексануклеотида d(CG)3 - . Ее открыл профессор Массачусетского технологического института Александр Рич с сотрудниками. Z-форма стала одним из важнейших структурных элементов ДНК в связи с тем, что ее образование наблюдалось в участках ДНК, где пурины чередуются с пиримидинами (например, 5’-ГЦГЦГЦ-3’), или в повторах 5’-ЦГЦГЦГ-3’, содержащих метилированный цитозин. Существенным условием образования и стабилизации Z-ДНК являлось присутствие в ней пуриновых нуклеотидов в син-конформации, чередующихся с пиримидиновыми основаниями в анти-конформации.

Природные молекулы ДНК в основном существуют в правой В-форме, если они не содержат последовательностей типа (ЦГ)n. Однако, если такие последовательности входят в состав ДНК, то эти участки при изменении ионной силы раствора или катионов, нейтрализующих отрицательный заряд на фосфодиэфирном каркасе, могут переходить в Z-форму, при этом другие участки ДНК в цепи остаются в классической В-форме. Возможность такого перехода указывает на то, что две цепи в двойной спирали ДНК находятся в динамическом состоянии и могут раскручиваться друг относительно друга, переходя из правой формы в левую и наоборот. Биологические следствия такой лабильности, допускающей конформационные превращения структуры ДНК пока не вполне понятны. Полагают, что участки Z-ДНК играют определенную роль в регуляции экспрессии некоторых генов и принимают участие в генетической рекомбинации.

Z-форма ДНК - это левозакрученная двойная спираль, в которой фосфодиэфирный остов расположен зигзагообразно вдоль оси молекулы. Отсюда и название молекулы (zigzag)-ДHK. Z-ДНК - наименее скрученная (12 пар оснований на виток) и наиболее тонкая из известных в природе. Расстояние между соседними нуклеотидами составляет 0,38 нм, длина витка – 4,56 нм, диаметр Z-ДНК – 1,8 нм. Кроме того, внешний вид этой молекулы ДНК отличается наличием одной бороздки.

Z-форма ДНК была обнаружена в клетках прокариот и эукариот. В настоящее время получены антитела, способные отличать Z-форму от В-формы ДНК. Эти антитела связываются с определенными участками гигантских хромосом клеток слюнных желез дрозофилы (Dr. melanogaster). За реакцией связывания легко следить из-за необычного строения этих хромосом, у которых более плотные участки (диски) контрастируют с менее плотными (междисками). Участки Z-ДНК расположены в междисках. Из этого следует, что Z-форма реально существует в естественных условиях, хотя размеры индивидуальных участков Z-формы пока неизвестны.

(перевертыши) - наиболее известные и часто встречающиеся в ДНК последовательности оснований. Палиндромом называют слово или фразу, которое читается слева направо и наоборот одинаково. Примерами таких слов или фраз являются: ШАЛАШ, КАЗАК, ПОТОП, А РОЗА УПАЛА НА ЛАПУ АЗОРА. В применении к участкам ДНК данный термин (палиндром) означает одинаковое чередование нуклеотидов вдоль цепи справа налево и слева направо (подобно буквам в слове "шалаш" и пр.).

Палиндром характеризуется наличием инвертированных повторов последовательностей оснований имеющих симметрию второго порядка относительно двух цепей ДНК. Такие последовательности, по вполне понятной причине, являются самокомплементарными и имеют склонность к образованию шпилечных или крестообразных структур (рис.). Шпильки помогают регуляторным белкам узнавать место списывания генетического текста ДНК хромосом.

В тех случаях, когда инвертированный повтор присутствует в одной и той же цепи ДНК такая последовательность называется зеркальным повтором. Зеркальные повторы не обладают свойствами самокомплементарности и, поэтому не способны к формированию шпилечных или крестообразных структур. Последовательности такого типа обнаружены практически во всех крупных молекулах ДНК и могут включать от всего нескольких пар оснований до нескольких тысяч пар оснований.

Присутствие палиндромов в виде крестообразных структур в эукариотических клетках не доказано, хотя некоторое количество крестообразных структур обнаружено в условиях in vivo в клетках E. coli. Наличие в составе РНК или одноцепочечных ДНК самокомплементарных последовательностей служит основной причиной сворачивания в растворах нуклеиновой цепи в определенную пространственную структуру, отличающуюся формированием множества "шпилек".

Н-форма ДНК - это спираль, которую образуют три цепи ДНК - тройная спираль ДНК. Представляет собой комплекс уотсон-криковской двойной спирали с третьей одноцепочечной нитью ДНК, которая укладывается в ее большой желобок, с образованием так называемой хугстиновской пары.

Образование подобного триплекса происходит в результате сложения двойной спирали ДНК таким образом, что половина ее участка остается в виде двойной спирали, а вторая половина разъединяется. При этом одна из разъединенных спиралей образует новую структуру с первой половиной двойной спирали - тройную спираль, а вторая оказывается неструктурированной, в виде однонитевого участка. Особенностью этого структурного перехода является резкая зависимость от рН среды, протоны которой стабилизируют новую структуру. В силу этой особенности новая структура получила название Н-формы ДНК, образование которой было обнаружено в сверхспирализованных плазмидах, содержащих гомопурин-гомопиримидиновые участки, представляющие собой зеркальный повтор.

В дальнейших исследованиях была установлена возможность осуществления структурного перехода некоторых гомопурин-гомопиримидиновых двунитиевых полинуклеотидов с образованием трехнитиевой структуры, содержащей:

• одну гомопуриновую и две гомопиримидиновые нити (Py-Pu-Py триплекс ) [хугстиновское взаимодействие].

  Составляющие блоки Py-Pu-Py триплекса - канонические изоморфные CGC+ и TAT триады. Стабилизация триплекса требует протонирования триады CGC+, поэтому эти триплексы зависят от рН раствора.

• одну гомопиримидиновую и две гомопуриновые нити (Py-Pu-Pu триплекс ) [обратное хугстиновское взаимодействие].

  Составляющие блоки Py-Pu-Pu триплекса - канонические изоморфные CGG и TAA триад. Существенным свойством Py-Pu-Pu триплексов является зависимость их стабильности от присутствия двухзарядных ионов, причем для стабилизации триплексов разной последовательности необходимы различные ионы. Поскольку для образования Py-Pu-Pu триплексов не требуется протонирования входящих в их состав нуклеотидов, такие триплексы могут существовать при нейтральных pH.

  Прим.: прямое и обратное хугстиновское взаимодействие объясняется симметрией 1-метилтимина: поворот на 180° приводит к тому, что место атома О4 занимает атом О2, при этом система водородных связей сохраняется.

Известны два вида тройных спиралей:

1. параллельные тройные спирали, в которых полярность третьей цепи совпадает с полярностью гомопуриновой цепи Уотсон-криковского дуплекса
2. антипараллельные тройные спирали, в которых полярности третьей и гомопуриновой цепей противоположны.

Химически гомологичные цепи как в Py-Pu-Pu, так и в Py-Pu-Py триплексах, находятся в антипараллельной ориентации. Это в дальнейшем было подтверждено данными ЯМР спектроскопии.

G-квадруплекс - 4-х спиральная ДНК. Такая структура образуется в случае, если имеются четыри гуанина, которые образуют так называемый G-квадруплекс - хоровод из четырех гуанинов.

Первые намеки на возможность образования таких структур были получены задолго до прорывной работы Уотсона и Крика - еще в 1910 году. Тогда немецкий химик Ивар Банг обнаружил, что один из компонентов ДНК - гуанозиновая кислота - при высоких концентрациях образует гели, в то время как другие составные части ДНК таким свойством не обладают.

В 1962 году с помощью рентгеноструктурного метода удалось установить структуру ячейки этого геля. Она оказалась составлена из четырех остатков гуанина, связывающих друг друга по кругу и образующих характерный квадрат. В центре связь поддерживает ион металла (Na, K, Mg). Такие же структуры могут образовываться и в ДНК, если в ней много гуанина. Эти плоские квадраты (G-квартеты) складываются в стопки, и получаются довольно устойчивые, плотные структуры (G-квадруплексы).

В четырехспиральные комплексы могут сплетаться четыре отдельные цепочки ДНК, но это скорее является исключением. Чаще единственная нить нуклеиновой кислоты просто завязывается в узел, образуя характерные утолщения (например, на концах хромосом), либо двуцепочечная ДНК на каком-то богатом гуанином участке образует локальный квадруплекс.

Наиболее изучено существование квадруплексов на концах хромосом - на теломерах и в онкопромоторах. Однако до сих пор полное представление о локализации такой ДНК в человеческих хромосомах не известно.

Все эти необычные структуры ДНК в линейной форме нестабильны по сравнению с В-формой ДНК. Однако ДНК часто существует в кольцевой форме топологического напряжения, когда у нее имеется так называемая сверхспирализация. В этих условиях легко образуются неканонические структуры ДНК: Z-формы, "кресты" и "шпильки", H-формы, гуаниновые квадруплексы и i-мотив.

• Суперспирализированная форма - отмечается при выделении из ядра клетки без повреждения пентозо-фосфатного остова. Имеет форму сверхскрученных замкнутых колец. В сверхскрученном состоянии двойная спираль ДНК хотя бы один раз "перекручена сама на себя", т. е. содержит хотя бы один супервиток (принимает форму восьмерки).
• Релаксированное состояние ДНК - наблюдается при одиночном разрыве (разрыве одной нити). При этом супервитки исчезают и ДНК принимает форму замкнутого кольца.
• Линейная форма ДНК - наблюдается при разрыве двух нитей двойной спирали.

Все три перечисленные формы ДНК легко разделяются при гельэлекрофорезе.

Третичная структура ДНК

Третичная структура ДНК образуется в результате дополнительного скручивания в пространстве двуспиральной молекулы - ее суперспирализации. Суперспирализации молекулы ДНК в эукариотических клетках в отличие от прокариот осуществляется в форме комплексов с белками.

ДНК эукариот почти вся находится в хромосомах ядер, лишь небольшое количество ее содержится в митохондриях, а у растений и в пластидах. Основное вещество хромосом эукариотических клеток (в том числе и хромосом человека) - это хроматин, состоящий из двухцепочечной ДНК, гистоновых и негистоновых белков.

Гистоновые белки хроматина

Гистоны - простые белки, составляют до 50% хроматина. Во всех изученных клетках животных и растений обнаружено пять основных классов гистонов: H1, H2A, H2B, H3, H4, различающихся по размерам, аминокислотному составу и величине заряда (всегда положительный).

Гистон Н1 млекопитающих состоит из одной полипептидной цепи, содержащей примерно 215 аминокислот; размеры других же гистонов варьируют от 100 до 135 аминокислот. Все они спирализованы и скручены в глобулу диаметром около 2,5 нм, содержат необычно большое количество положительно заряженных аминокислот лизина и аргинина. Гистоны могут быть ацетилированы, метилированы, фосфорилированы, поли(АДФ)-рибозилированы, а гистоны Н2А и Н2В – ковалентно связаны с убиквитином. Какова роль таких модификаций в становлении структуры и выполнении функций гистонами до конца пока не выяснено. Предполагается, что в этом заключается их способность взаимодействовать с ДНК и обеспечивать один из механизмов регуляции действия генов.

Гистоны взаимодействуют с ДНК в основном через ионные связи (солевые мостики), образующиеся между отрицательно заряженными фосфатными группами ДНК и положительно заряженными лизиновыми и аргининовыми остатками гистонов.

Негистоновые белки хроматина

Негистоновые белки в отличие от гистонов очень разнообразны. Выделено до 590 разных фракций ДНК-связывающих негистоновых белков. Их еще называют кислыми белками, так как в их структуре преобладают кислые аминокислоты (они являются полианионами). С разнообразием негистоновых белков связывают специфическую регуляцию активности хроматина. Например ферменты, необходимые для репликации и экспрессии ДНК, могут связываться с хроматином временно. Другие белки, скажем, принимающие участие в различных процессах регуляции, связываются с ДНК только в специфических тканях или на определенных стадиях дифференциации. Каждый белок комплементарен определённой последовательности нуклеотидов ДНК (сайт ДНК). К этой группе относят:

• семейство сайт-специфических белков типа "цинковые пальцы". Каждый "цинковый палец" узнаёт определённый сайт, состоящий из 5 нуклеотидных пар.
• семейство сайт-специфических белков - гомодимеры. Фрагмент такого белка, контактирующий с ДНК, имеет структуру "спираль-поворот-спираль".
• белки высокой подвижности (HMG-белки - от англ, high mobility gel proteins) - группа структурных и регуляторных белков, которые постоянно ассоциированы с хроматином. Они имеют молекулярную массу менее 30 кД и характеризуются высоким содержанием заряженных аминокислот. Благодаря небольшой молекулярной массе HMG-белки обладают высокой подвижностью при электрофорезе в полиакриламидном геле.
• ферменты репликации, транскрипции и репарации.

При участии структурных, регуляторных белков и ферментов, участвующих в синтезе ДНК и РНК, нить нуклеосом преобразуется в высококонденсированный комплекс белков и ДНК. Образованная структура в 10 000 раз короче исходной молекулы ДНК.

Хроматин

Хроматин - это комплекс белков с ядерной ДНК и неорганическими веществами. Основная часть хроматина неактивна. Она содержит плотно упакованную, конденсированную ДНК. Это гетерохроматин. Различают конститутивный, генетически неактивный хроматин (сателлитная ДНК) состоящий из неэкспрессируемых областей, и факультативный - неактивный в ряду поколений, но при определенных обстоятельствах способный эспрессировать.

Активный хроматин (эухроматин) неконденсированный, т.е. упакован менее плотно. В разных клетках его содержание составляет от 2 до 11%. В клетках головного мозга его больше всего - 10-11%, в клетках печени - 3-4 и почек - 2-3%. Отмечается активная транскрипция эухроматина. При этом его структурная организация позволяет использовать одну и ту же генетическую информацию ДНК, присущую данному виду организма, по-разному в специализированных клетках.

В электронном микроскопе изображение хроматина напоминает бусы: шаровидные утолщения размером около 10 нм, разделенные нитевидными перемычками. Эти шаровидные утолщения названы нуклеосомами. Нуклеосома является структурной единицей хроматина. Каждая нуклеосома содержит сверхспиральный сегмент ДНК длиной 146 пар нуклеотидов, намотанный с образованием 1,75 левых витков на нуклеосомный кор. Нуклеосомный кор – это гистоновый октамер, состоящий из гистонов Н2А, Н2В, Н3 и Н4, по две молекулы каждого вида (рис. 9), который выглядит как диск диаметром 11 нм и толщиной 5,7 нм. Пятый гистон, Н1, не входит в состав нуклеосомного кора и не участвует в процессе наматывания ДНК на гистоновый октамер. Он контактирует с ДНК в тех местах, где двойная спираль входит и выходит из нуклеосомного кора. Это межкоровые (линкерные) участки ДНК, длина которых варьирует в зависимости от типа клеток от 40 до 50 нуклеотидных пар. В результате этого варьирует и длина фрагмента ДНК, входящего в состав нуклеосом (от 186 до 196 нуклеотидных пар).

В состав нуклеосом входит примерно 90% ДНК, остальная ее часть приходится на линкер. Считается, что нуклеосомы - это фрагменты "молчащего" хроматина, а линкер - активного. Однако нуклеосомы могут развертываться и переходить в линейную форму. Развернутые нуклеосомы являются уже активным хроматином. Так наглядно проявляется зависимость функции от структуры. Можно считать, что чем больше хроматина находится в составе глобулярных нуклеосом, тем менее он активен. Очевидно, в разных клетках неодинаковая доля покоящегося хроматина связана с количеством таких нуклеосом.

На электронно-микроскопических фотографиях в зависимости от условий выделения и степени растяжения хроматин может выглядеть не только как длинная нить с утолщениями – "бусинками" нуклеосом, но и как более короткая и более плотная фибрилла (волокно) диаметром 30 нм, образование которой наблюдается при взаимодействии гистона Н1, связанного с линкерным участком ДНК и гистона Н3, что приводит к дополнительному скручиванию спирали из шести нуклеосом на виток с образованием соленоида диаметром 30 нм. При этом гистоновый белок может препятствовать транскрипции ряда генов и таким образом регулировать их активность.

В результате описанных выше взаимодействий ДНК с гистонами сегмент двойной спирали ДНК из 186 пар оснований со средним диаметром 2 нм и длиной 57 нм превращается в спираль диаметром 10 нм и длиной 5 нм. При последующем сжатии этой спирали до волокна диаметром 30 нм степень конденсации увеличивается еще в шесть раз.

В конечном итоге упаковка дуплекса ДНК с пятью гистонами приводит к 50-кратной конденсации ДНК. Однако даже столь высокая степень конденсации не может объяснить почти 50 000 - 100 000-кратное уплотнение ДНК в метафазной хромосоме. К сожалению детали дальнейшей упаковки хроматина вплоть до метафазной хромосомы пока не известны, поэтому можно рассматривать лишь общие особенности этого процесса.

Уровни компактизации ДНК в хромосомах

Каждая молекула ДНК упакована в отдельную хромосому. В диплоидных клетках человека содержится 46 хромосом, которые располагаются в ядре клетки. Общая длина ДНК всех хромосом клетки составляет 1,74 м, однако диаметр ядра, в которое упакованы хромосомы, в миллионы раз меньше. Такая компактная укладка ДНК в хромосомах и хромосом в ядре клетки обеспечивается разнообразными, гистоновыми и негистоновыми белками, взаимодействующими в определенной последовательности с ДНК (см выше). Компактизация ДНК в хромосомах позволяет уменьшить ее линейные размеры примерно в 10 000 раз - условно с 5 см до 5 мкм. Выделяют несколько уровней компактизации (рис. 10).

• двойная спираль ДНК - отрицательно заряженная молекула диаметром 2 нм и длиной несколько см.
• нуклеосомный уровень - хроматин выглядит в электронном микроскопе как цепочка "бусин" – нуклеосом - "на нити". Нуклеосома - это универсальная структурная единица, которая обнаруживается как в эухроматине, так и в гетерохроматине, в интерфазном ядре и метафазных хромосомах.

  Нуклеосомный уровень компактизации обеспечивается специальными белками - гистонами. Восемь положительно заряженных гистоновых доменов образуют кор (сердцевину) нуклеосомы на которую наматывается отрицательно заряженная молекула ДНК. Это дает укорочение в 7 раз, при этом диаметр увеличивается с 2 до 11 нм.

• соленоидный уровень

  Соленоидный уровень организации хромосом характеризуется скручиванием нуклеосомной нити и образованием из нее более толстых фибрилл 20-35 нм в диаметре - соленоидов или супербидов. Шаг соленоида равен 11 нм, на один виток приходится около 6-10 нуклеосом. Соленоидная упаковка считается наиболее вероятной, чем супербидная, согласно которой фибрилла хроматина диаметром 20-35 нм представляет собой цепь гранул, или супербидов, каждая из которых состоит из восьми нуклеосом. На соленоидном уровне линейный размер ДНК сокращается в 6-10 раз, диаметр увеличивается до 30 нм.

• петлевой уровень

  Петлевой уровень обеспечивается негистоновыми сайт-специфическими ДНК-связывающими белками, которые распознают определенные последовательности ДНК и связываются с ними, образуя петли примерно по 30-300 тысяч пар оснований. Петля обеспечивает экспрессию генов, т.е. петля является не только структурным, но и функциональным образованием. Укорочение на этом уровне происходит в 20-30 раз. Диаметр увеличивается до 300 нм. Петлеобразные структуры типа "ламповых щеток" в ооцитах земноводных можно видеть на цитологических препаратах. Эти петли, видимо, суперспирализованы и представляют собой домены ДНК, соответствующие, вероятно, единицам транскрипции и репликации хроматина. Специфические белки фиксируют основания петель и, возможно, некоторые их внутренние участки. Петлеобразная доменная организация способствует укладке хроматина в метафазных хромосомах в спиральные структуры более высоких порядков.

• доменный уровень

  Доменный уровень организации хромосом изучен недостаточно. На данном уровне отмечается образование петлевых доменов - структур из нитей (фибрилл) толщиной 25-30 нм, которые содержат 60% белка, 35% ДНК и 5% РНК, практически не видны во всех фазах клеточного цикла за исключением митоза и несколько беспорядочно распределены по клеточному ядру. Петлеобразные структуры типа "ламповых щеток" в ооцитах земноводных можно видеть на цитологических препаратах.

  Петлевые домены своим основанием прикрепляются к внутриядерному белковому матриксу в так называемых встроенных местах прикрепления, часто обозначаемых как MAR/SAR-последовательности (MAR, от англ. matrix associated region; SAR, от англ. scaffold attachment regions) – фрагментах ДНК протяженностью в несколько сотен пар оснований, которые характеризуются высоким содержанием (>65%) А/Т пар нуклеотидов. Каждый домен, по-видимому, имеет одну точку начала репликации и функционирует как автономная сверхспиральная единица. Любой петельный домен содержит множество единиц транскрипции, функционирование которых, вероятно, координируется – весь домен находиться либо в активном, либо в неактивном состоянии.

  На доменном уровне в результате последовательной упаковки хроматина присходит уменьшение линейных размеров ДНК примерно в 200 раз (700 нм).

• хромосомный уровень

  На хромосомном уровне происходит конденсация профазной хромосомы в метафазную с уплотнением петельных доменов вокруг осевого каркаса негистоновых белков. Эта суперспирализация сопровождается фосфорилированием в клетке всех молекул H1. В результате метафазную хромосому можно изобразить в виде плотно уложенных соленоидных петель, свернутых в тугую спираль. Типичная хромосома человека может содержать до 2600 петель. Толщина такой структуры достигает 1400 нм (две хроматиды), а молекула ДНК при этом укорачивается в 104 раз, т.е. с 5 см растянутой ДНК до 5 мкм.

Функции хромосом

Во взаимодействии с внехромосомными механизмами хромосомы обеспечивают

1. хранение наследственной информации
2. использование этой информации для создания и поддержания клеточной организации
3. регуляцию считывания наследственной информации
4. самоудвоение генетического материала
5. передачу генетического материала от материнской клетки дочерним.

Существуют данные, что при активировании участка хроматина, т.е. при транскрипции, с него обратимо удаляются сначала гистон H1, а затем и октет гистонов. Это вызывает деконденсацию хроматина, последовательный переход 30-нанометровой фибриллы хроматина в 10-нанометровую нить и ее дальнейшее разворачивание в участки свободной ДНК, т.е. утрату нуклеосомной структуры.