По своему химическому строению ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота ) является биополимером , мономерами которого являются нуклеотиды . То есть ДНК - это полинуклеотид . Причем молекула ДНК обычно состоит из двух цепей, закрученных друг относительно друга по винтовой линии (часто говорят «спирально закрученных») и соединенных между собой водородными связями.
Цепочки могут быть закручены как в левую, так и в правую (чаще всего) сторону.
У некоторых вирусов ДНК состоит из одной цепи.
Каждый нуклеотид ДНК состоит из 1) азотистого основания, 2) дезоксирибозы, 3) остатка фосфорной кислоты.
Двойная правозакрученная спираль ДНК
В состав ДНК входят следующие: аденин , гуанин , тимин и цитозин . Аденин и гуанин относятся к пуринам , а тимин и цитозин - к пиримидинам . Иногда в состав ДНК входит урацил, который обычно характерен для РНК , где замещает тимин.
Азотистые основания одной цепи молекулы ДНК соединяются с азотистыми основаниями другой строго по принципу комплементарности: аденин только с тимином (образуют между собой две водородные связи), а гуанин только с цитозином (три связи).
Азотистое основание в самом нуклеотиде соединено с первым атомом углерода циклической формы дезоксирибозы , которая является пентозой (углеводом с пятью атомами углерода). Связь является ковалентной, гликозидной (C-N). В отличие от рибозы у дезоксирибозы отсутствует одна из гидроксильных групп. Кольцо дезоксирибозы формируют четыре атома углерода и один атом кислорода. Пятый атом углерода находится вне кольца и соединен через атом кислорода с остатком фосфорной кислоты. Также через атом кислорода у третьего атома углерода присоединяется остаток фосфорной кислоты соседнего нуклеотида.
Таким образом, в одной цепи ДНК соседние нуклеотиды связаны между собой ковалентными связями между дезоксирибозой и фосфорной кислотой (фосфодиэфирная связь). Образуется фосфат-дезоксирибозный остов. Перпендикулярно ему, навстречу другой цепочке ДНК, направлены азотистые основания, которые соединяются с основаниями второй цепочки водородными связями.
Строение ДНК таково, что остовы соединенных водородными связями цепочек направлены в разные стороны (говорят «разнонаправлены», «антипараллельны»). С той стороны, где одна заканчивается фосфорной кислотой, соединенной с пятым атомом углерода дезоксирибозы, другая заканчивается «свободным» третьим атомом углерода. То есть остов одной цепочки перевернут как бы с ног на голову относительно другой. Таким образом, в строении цепочек ДНК различают 5"-концы и 3"-концы.
При репликации (удвоении) ДНК синтез новых цепочек всегда идет от их 5-го конца к третьему, так как новые нуклеотиды могут присоединяться только к свободному третьему концу.
В конечном итоге (опосредованно через РНК) каждые идущие подряд три нуклеотида в цепи ДНК кодируют одну аминокислоту белка.
Открытие строения молекулы ДНК произошло в 1953 году благодаря работам Ф. Крика и Д. Уотсона (чему также способствовали ранние работы других ученых). Хотя как химическое вещество ДНК было известно еще в XIX веке. В 40-х годах XX века стало ясно, что именно ДНК является носителем генетической информации.
Двойная спираль считается вторичной структурой молекулы ДНК. У клетках эукариот подавляющее количество ДНК находится в хромосомах , где связана с белками и другими веществами, а также подвергается более плотной упаковке.
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
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.
- ДНК является носителем генетической информации, что обеспечивается фактом существования генетического кода.
- Воспроизведение и передана генетической информации в поколениях клеток и организмов. Эта функция обеспечивается процессом репликации.
- 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 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:
- параллельные тройные спирали, в которых полярность третьей цепи совпадает с полярностью гомопуриновой цепи Уотсон-криковского дуплекса
- антипараллельные тройные спирали, в которых полярности третьей и гомопуриновой цепей противоположны.
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.
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
- хранение наследственной информации
- использование этой информации для создания и поддержания клеточной организации
- регуляцию считывания наследственной информации
- самоудвоение генетического материала
- 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.
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:
- ∑Т + Ц = ∑А + Г (то есть число пиримидиновых оснований равно числу пуриновых).
- Всегда количество остатков аденина равно количеству остатков тимина, а количество гуанина равно цитозину.
- Коэффициент специфичности имеет формулу: Г+Ц/А+Т. Например, у человека он равен 1,5, у быка - 1,3.
- 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:
- 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.
- 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.
- 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?
- Стабильность. Это возможно благодаря гликозидным, водородным и фосфодиэфирным связям, а также механизму репарации индуцированных и спонтанных повреждений.
- Возможность репликации. Этот механизм позволяет в соматических клетках сохранять диплоидное число хромосом.
- Существование генетического кода. При помощи процессов трансляции и транскрипции последовательность оснований, находящихся в ДНК, преобразуется в последовательность аминокислот, находящихся в полипептидной цепи.
- 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.
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.
К нуклеиновым кислотам относят высокополимерные соединения, распадающиеся при гидролизе на пуриновые и пиримидиновые основания, пентозу и фосфорную кислоту. Нуклеиновые кислоты содержат углерод, водород, фосфор, кислород и азот. Различают два класса нуклеиновых кислот: рибонуклеиновые кислоты (РНК) и дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК) .
Строение и функции ДНК
ДНК — полимер, мономерами которой являются дезоксирибонуклеотиды. Модель пространственного строения молекулы ДНК в виде двойной спирали была предложена в 1953 г. Дж. Уотсоном и Ф. Криком (для построения этой модели они использовали работы М. Уилкинса, Р. Франклин, Э. Чаргаффа).
Молекула ДНК образована двумя полинуклеотидными цепями, спирально закрученными друг около друга и вместе вокруг воображаемой оси, т.е. представляет собой двойную спираль (исключение — некоторые ДНК-содержащие вирусы имеют одноцепочечную ДНК). Диаметр двойной спирали ДНК — 2 нм, расстояние между соседними нуклеотидами — 0,34 нм, на один оборот спирали приходится 10 пар нуклеотидов. Длина молекулы может достигать нескольких сантиметров. Молекулярный вес — десятки и сотни миллионов. Суммарная длина ДНК ядра клетки человека — около 2 м. В эукариотических клетках ДНК образует комплексы с белками и имеет специфическую пространственную конформацию.
Мономер ДНК — нуклеотид (дезоксирибонуклеотид) — состоит из остатков трех веществ: 1) азотистого основания, 2) пятиуглеродного моносахарида (пентозы) и 3) фосфорной кислоты. Азотистые основания нуклеиновых кислот относятся к классам пиримидинов и пуринов. Пиримидиновые основания ДНК (имеют в составе своей молекулы одно кольцо) — тимин, цитозин. Пуриновые основания (имеют два кольца) — аденин и гуанин.
Моносахарид нуклеотида ДНК представлен дезоксирибозой.
Название нуклеотида является производным от названия соответствующего основания. Нуклеотиды и азотистые основания обозначаются заглавными буквами.
Полинуклеотидная цепь образуется в результате реакций конденсации нуклеотидов. При этом между 3"-углеродом остатка дезоксирибозы одного нуклеотида и остатком фосфорной кислоты другого возникает фосфоэфирная связь (относится к категории прочных ковалентных связей). Один конец полинуклеотидной цепи заканчивается 5"-углеродом (его называют 5"-концом), другой — 3"-углеродом (3"-концом).
Против одной цепи нуклеотидов располагается вторая цепь. Расположение нуклеотидов в этих двух цепях не случайное, а строго определенное: против аденина одной цепи в другой цепи всегда располагается тимин, а против гуанина — всегда цитозин, между аденином и тимином возникают две водородные связи, между гуанином и цитозином — три водородные связи. Закономерность, согласно которой нуклеотиды разных цепей ДНК строго упорядоченно располагаются (аденин — тимин, гуанин — цитозин) и избирательно соединяются друг с другом, называется принципом комплементарности . Следует отметить, что Дж. Уотсон и Ф. Крик пришли к пониманию принципа комплементарности после ознакомления с работами Э. Чаргаффа. Э. Чаргафф, изучив огромное количество образцов тканей и органов различных организмов, установил, что в любом фрагменте ДНК содержание остатков гуанина всегда точно соответствует содержанию цитозина, а аденина — тимину («правило Чаргаффа» ), но объяснить этот факт он не смог.
Из принципа комплементарности следует, что последовательность нуклеотидов одной цепи определяет последовательность нуклеотидов другой.
Цепи ДНК антипараллельны (разнонаправлены), т.е. нуклеотиды разных цепей располагаются в противоположных направлениях, и, следовательно, напротив 3"-конца одной цепи находится 5"-конец другой. Молекулу ДНК иногда сравнивают с винтовой лестницей. «Перила» этой лестницы — сахарофосфатный остов (чередующиеся остатки дезоксирибозы и фосфорной кислоты); «ступени» — комплементарные азотистые основания.
Функция ДНК — хранение и передача наследственной информации.
Репликация (редупликация) ДНК
— процесс самоудвоения, главное свойство молекулы ДНК. Репликация относится к категории реакций матричного синтеза, идет с участием ферментов. Под действием ферментов молекула ДНК раскручивается, и около каждой цепи, выступающей в роли матрицы, по принципам комплементарности и антипараллельности достраивается новая цепь. Таким образом, в каждой дочерней ДНК одна цепь является материнской, а вторая — вновь синтезированной. Такой способ синтеза называется полуконсервативным .
«Строительным материалом» и источником энергии для репликации являются дезоксирибонуклеозидтрифосфаты (АТФ, ТТФ, ГТФ, ЦТФ), содержащие три остатка фосфорной кислоты. При включении дезоксирибонуклеозидтрифосфатов в полинуклеотидную цепь два концевых остатка фосфорной кислоты отщепляются, и освободившаяся энергия используется на образование фосфодиэфирной связи между нуклеотидами.
В репликации участвуют следующие ферменты:
- геликазы («расплетают» ДНК);
- дестабилизирующие белки;
- ДНК-топоизомеразы (разрезают ДНК);
- ДНК-полимеразы (подбирают дезоксирибонуклеозидтрифосфаты и комплементарно присоединяют их к матричной цепи ДНК);
- РНК-праймазы (образуют РНК-затравки, праймеры);
- ДНК-лигазы (сшивают фрагменты ДНК).
С помощью геликаз в определенных участках ДНК расплетается, одноцепочечные участки ДНК связываются дестабилизирующими белками, образуется репликационная вилка . При расхождении 10 пар нуклеотидов (один виток спирали) молекула ДНК должна совершить полный оборот вокруг своей оси. Чтобы предотвратить это вращение ДНК-топоизомераза разрезает одну цепь ДНК, что дает ей возможность вращаться вокруг второй цепи.
ДНК-полимераза может присоединять нуклеотид только к 3"-углероду дезоксирибозы предыдущего нуклеотида, поэтому данный фермент способен передвигаться по матричной ДНК только в одном направлении: от 3"-конца к 5"-концу этой матричной ДНК. Так как в материнской ДНК цепи антипараллельны, то на ее разных цепях сборка дочерних полинуклеотидных цепей происходит по-разному и в противоположных направлениях. На цепи 3"-5" синтез дочерней полинуклеотидной цепи идет без перерывов; эта дочерняя цепь будет называться лидирующей . На цепи 5"-3" — прерывисто, фрагментами (фрагменты Оказаки ), которые после завершения репликации ДНК-лигазами сшиваются в одну цепь; эта дочерняя цепь будет называться запаздывающей (отстающей ).
Особенностью ДНК-полимеразы является то, что она может начинать свою работу только с «затравки» (праймера ). Роль «затравок» выполняют короткие последовательности РНК, образуемые при участи фермента РНК-праймазы и спаренные с матричной ДНК. РНК-затравки после окончания сборки полинуклеотидных цепочек удаляются.
Репликация протекает сходно у прокариот и эукариот. Скорость синтеза ДНК у прокариот на порядок выше (1000 нуклеотидов в секунду), чем у эукариот (100 нуклеотидов в секунду). Репликация начинается одновременно в нескольких участках молекулы ДНК. Фрагмент ДНК от одной точки начала репликации до другой образует единицу репликации — репликон .
Репликация происходит перед делением клетки. Благодаря этой способности ДНК осуществляется передача наследственной информации от материнской клетки дочерним.
Репарация («ремонт»)
Репарацией называется процесс устранения повреждений нуклеотидной последовательности ДНК. Осуществляется особыми ферментными системами клетки (ферменты репарации ). В процессе восстановления структуры ДНК можно выделить следующие этапы: 1) ДНК-репарирующие нуклеазы распознают и удаляют поврежденный участок, в результате чего в цепи ДНК образуется брешь; 2) ДНК-полимераза заполняет эту брешь, копируя информацию со второй («хорошей») цепи; 3) ДНК-лигаза «сшивает» нуклеотиды, завершая репарацию.
Наиболее изучены три механизма репарации: 1) фоторепарация, 2) эксцизная, или дорепликативная, репарация, 3) пострепликативная репарация.
Изменения структуры ДНК происходят в клетке постоянно под действием реакционно-способных метаболитов, ультрафиолетового излучения, тяжелых металлов и их солей и др. Поэтому дефекты систем репарации повышают скорость мутационных процессов, являются причиной наследственных заболеваний (пигментная ксеродерма, прогерия и др.).
Строение и функции РНК
— полимер, мономерами которой являются рибонуклеотиды . В отличие от ДНК, РНК образована не двумя, а одной полинуклеотидной цепочкой (исключение — некоторые РНК-содержащие вирусы имеют двухцепочечную РНК). Нуклеотиды РНК способны образовывать водородные связи между собой. Цепи РНК значительно короче цепей ДНК.
Мономер РНК — нуклеотид (рибонуклеотид) — состоит из остатков трех веществ: 1) азотистого основания, 2) пятиуглеродного моносахарида (пентозы) и 3) фосфорной кислоты. Азотистые основания РНК также относятся к классам пиримидинов и пуринов.
Пиримидиновые основания РНК — урацил, цитозин, пуриновые основания — аденин и гуанин. Моносахарид нуклеотида РНК представлен рибозой.
Выделяют три вида РНК : 1) информационная (матричная) РНК — иРНК (мРНК), 2) транспортная РНК — тРНК, 3) рибосомная РНК — рРНК.
Все виды РНК представляют собой неразветвленные полинуклеотиды, имеют специфическую пространственную конформацию и принимают участие в процессах синтеза белка. Информация о строении всех видов РНК хранится в ДНК. Процесс синтеза РНК на матрице ДНК называется транскрипцией.
Транспортные РНК содержат обычно 76 (от 75 до 95) нуклеотидов; молекулярная масса — 25 000-30 000. На долю тРНК приходится около 10% от общего содержания РНК в клетке. Функции тРНК: 1) транспорт аминокислот к месту синтеза белка, к рибосомам, 2) трансляционный посредник. В клетке встречается около 40 видов тРНК, каждый из них имеет характерную только для него последовательность нуклеотидов. Однако у всех тРНК имеется несколько внутримолекулярных комплементарных участков, из-за которых тРНК приобретают конформацию, напоминающую по форме лист клевера. У любой тРНК есть петля для контакта с рибосомой (1), антикодоновая петля (2), петля для контакта с ферментом (3), акцепторный стебель (4), антикодон (5). Аминокислота присоединяется к 3"-концу акцепторного стебля. Антикодон — три нуклеотида, «опознающие» кодон иРНК. Следует подчеркнуть, что конкретная тРНК может транспортировать строго определенную аминокислоту, соответствующую ее антикодону. Специфичность соединения аминокислоты и тРНК достигается благодаря свойствам фермента аминоацил-тРНК-синтетаза.
Рибосомные РНК содержат 3000-5000 нуклеотидов; молекулярная масса — 1 000 000-1 500 000. На долю рРНК приходится 80-85% от общего содержания РНК в клетке. В комплексе с рибосомными белками рРНК образует рибосомы — органоиды, осуществляющие синтез белка. В эукариотических клетках синтез рРНК происходит в ядрышках. Функции рРНК : 1) необходимый структурный компонент рибосом и, таким образом, обеспечение функционирования рибосом; 2) обеспечение взаимодействия рибосомы и тРНК; 3) первоначальное связывание рибосомы и кодона-инициатора иРНК и определение рамки считывания, 4) формирование активного центра рибосомы.
Информационные РНК разнообразны по содержанию нуклеотидов и молекулярной массе (от 50 000 до 4 000 000). На долю иРНК приходится до 5% от общего содержания РНК в клетке. Функции иРНК : 1) перенос генетической информации от ДНК к рибосомам, 2) матрица для синтеза молекулы белка, 3) определение аминокислотной последовательности первичной структуры белковой молекулы.
Строение и функции АТФ
Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) — универсальный источник и основной аккумулятор энергии в живых клетках. АТФ содержится во всех клетках растений и животных. Количество АТФ в среднем составляет 0,04% (от сырой массы клетки), наибольшее количество АТФ (0,2-0,5%) содержится в скелетных мышцах.
АТФ состоит из остатков: 1) азотистого основания (аденина), 2) моносахарида (рибозы), 3) трех фосфорных кислот. Поскольку АТФ содержит не один, а три остатка фосфорной кислоты, она относится к рибонуклеозидтрифосфатам.
Для большинства видов работ, происходящих в клетках, используется энергия гидролиза АТФ. При этом при отщеплении концевого остатка фосфорной кислоты АТФ переходит в АДФ (аденозиндифосфорную кислоту), при отщеплении второго остатка фосфорной кислоты — в АМФ (аденозинмонофосфорную кислоту). Выход свободной энергии при отщеплении как концевого, так и второго остатков фосфорной кислоты составляет по 30,6 кДж. Отщепление третьей фосфатной группы сопровождается выделением только 13,8 кДж. Связи между концевым и вторым, вторым и первым остатками фосфорной кислоты называются макроэргическими (высокоэнергетическими).
Запасы АТФ постоянно пополняются. В клетках всех организмов синтез АТФ происходит в процессе фосфорилирования, т.е. присоединения фосфорной кислоты к АДФ. Фосфорилирование происходит с разной интенсивностью при дыхании (митохондрии), гликолизе (цитоплазма), фотосинтезе (хлоропласты).
АТФ является основным связующим звеном между процессами, сопровождающимися выделением и накоплением энергии, и процессами, протекающими с затратами энергии. Кроме этого, АТФ наряду с другими рибонуклеозидтрифосфатами (ГТФ, ЦТФ, УТФ) является субстратом для синтеза РНК.
Перейти к лекции №3 «Строение и функции белков. Ферменты»
Перейти к лекции №5 «Клеточная теория. Типы клеточной организации»
