Структура и функции ДНК.

У эукариот ДНК локализована преимущественно в ядрах клеток, у прокариот она образует компактный нуклеоид, в котором содержится вся хромосома бактериальной клетки. Митохондрии и хлоропласты содержат свою собственную ДНК. Кроме того, в цитоплазме многих прокариот и низших эукариот обнаруживаются внехромосомные ДНК – плазмиды.

ДНК относится к классу биополимеров мономерами которой являются остатки нуклеотидов. Нуклеотиды – это фосфорные эфиры нуклеозидов. Нуклеозиды состоят из остатка углевода – пентозы и гетероциклического азотистого основания. Связь между углеводным остатком и гетероциклическим основанием в нуклеозиде осуществляется через атом азота в основании, т.е. с помощью N-гликозидной связи. В качестве гетероциклического основания ДНК содержат два пурина: аденин и гуанин – и два пиримидина: тимин и цитозин. Мономерные остатки связаны между собой фосфодиэфирными связями. Связь осуществляется только за счет 3'-ОН одного нуклеотидного остатка и 5'-ОН другого. Поэтому межнуклеотидную связь называют 3' 5' – фосфодиэфирной. Следовательно, цепи ДНК полярны и их концевые остатки неравноценны. Эти концы называют 5'- и 3'- концами цепи. ДНК – это неразветвленный полимер.

С помощью физико-химических, электронно-микроскопических и рентгено-структурных методов показано, что большинство молекул ДНК представляют собой протяженные, гибкие, нитевидные структуры. Молекула ДНК имеет почти постоянный диаметр и состоит из регулярно расположенных повторяющихся звеньев, причем ее структура не зависит от нуклеотидного состава. Молекула ДНК обычно находится в форме двойной спирали, образуемой двумя полинуклеотидными цепями, обвивающимися одна вокруг другой. Два дезоксирибофосфатных остова, расположенные по периферии молекулы, имеют антипараллельную ориентацию. В наиболее часто встречающейся структурной форме пуриновые и пиримидиновые основания в каждой цепи уложены в стопки с интервалом 0,34 нм и направлены

внутрь спирали; плоскости колец примерно перпендикулярны оптической оси спирали. Спираль делает полный оборот каждые 3,4 нм, т.е. через каждые 10 оснований. На наружной ее поверхности имеются два желобка – большой и малый.

Пуриновый и пиримидиновые нуклеотиды спарены, и двойная спираль стабилизируется с помощью водородных связей между пуринами одной цепи ДНК и пиримидинами другой. Имеется два типа пар оснований – АТ и GC, которые называют комплементарными парами. В АТ – паре основания соединены двумя водородными связями, в GC – паре имеются три водородные связи.

Дополнительная стабилизация двойной спирали обеспечивается межплоскостными взаимодействиями ароматических колец соседних оснований. Размеры комплементарных пар оснований практически одинаковы; примерно одинаковы также угол и направление связи дезоксирибоза – основание. Расстояние между соседними основаниями 0,34 нм, а угол, на который они повернуты друг относительно друга, - 36^о. Из всех этих данных следует, что диаметр спирали постоянен, а число пар оснований на виток спирали равно 10.

Водородные связи и межплоскостные взаимодействия, стабилизирующие двойную спираль, достаточно слабы, и при относительно небольших воздействиях происходит разделение цепей – процесс, называемый денатурацией или плавлением. Двухцепочечная спиральная ДНК в растворе легко разрушается при нагревании до 100^оС, при увеличении рН раствора. Денатурация – процесс обратимый, восстановление двухцепочечной структуры ДНК называется ренатурацией или отжигом.

2. Упаковка ДНК в хромосомах.

В клетках или вирусах ДНК, по-видимому, никогда не находится в свободной вытянутой форме. Она связана с низкомолекулярными катионами – ионами двухвалентных металлов либо с ди- и полиаминами или с белками, а возможно, с теми и с другими. Взаимодействие осуществляется с помощью электростатических сил – отрицательно заряженные фосфатные группы частично нейтрализуются положительно заряженными ионами металлов и полиаминами или основными аминокислотными остатками белков. В результате таких взаимодействий происходит конденсация ДНК с уменьшением объема, занимаемого молекулой, иногда в тысячу раз.

Хромосомы эукариотических клеток состоят в основном из хроматина – комплекса двухцепочечной ДНК и пяти гистоновых белков, обозначаемых Н1, Н2А, Н2В, Н3 и Н4. Все они содержат необычно большое количество положительно заряженной аминокислоты лизина; Н3 и Н4 отличаются от других тем, что у них достаточно высок уровень положительно заряженной аминокислоты аргинина. Соотношение между Н2А, Н2В, Н3 и Н4, содержащимися в хроматине низших эукариот такое же, как в хроматине млекопитающих.

На электронно-микроскопических фотографиях хроматин выглядит либо как длинное волокно диаметром 10 нм, либо чаще как более вытянутое волокно с утолщениями – «бусинками» диаметром 10 нм, нанизанными по всей длине волокна с определенными интервалами. Каждая из этих бусинок представляет собой нуклеосомный кор, на который намотан сегмент хромосомной ДНК длиной 145 пар оснований. Кор – это гистоновый октамер, состоящий из гистонов Н2А, Н2В, Н3 и Н4, по две молекулы каждого вида. Молекула ДНК обвиваясь 1¾ раза вокруг нуклеосомного кора, образует сверхспираль.

Пятый гистон, Н1, не входит в состав нуклеосомного кора и не участвует в процессе наматывания ДНК на гистоновый октамер. Онконтактируетс с ДНК в тех местах, где двойная спираль входит и выходит из нуклеосомного кора. В такой структуре с одним гистоновым октамером и молекулой гистона Н1 ассоциированы 168 пар оснований спиральной ДНК. Далее подобная структура конденсируется в 10 нм фибриллы, в которой нуклеосомы упакованы бок о бок. Волокно диаметром 10 нм может подвергаться дальнейшей конденсации с образованием структур более высокого порядка. При этом нуклеосомы, по всей видимости, образуют соленоид – структуру диаметром 30 нм.

В результате взаимодействия ДНК с гистонами сегмент двойной спирали ДНК из 168 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 в шесть раз. Таким образом, упаковка ДНК с гистонами приводит к 50-кратной конденсации ДНК. Однако столь высокая степень конденсации не может объяснить почти 5000-кратное уплотнение ДНК в метафазной хромосоме.

Представление о доменной организации хромосом эукариот было первоначальной гипотезой, выдвинутой по аналогии с хорошо установленной доменной структурой бактериального нуклеотида. Доменная организация хроматина проявляется на уровне метафазных хромосом, где ДНК присоединяется в виде петель (доменов) к белковому остову хромосомы (рис.3). Размер одной петли для млекопитающих составляет в среднем обычно 40 – 50 тысяч пар нуклеотидов (т.п.н.). Возможно, что такой структурный домен является функциональной единицей. Доменная организация ДНК сохраняется, по всей видимости, также в интерфазном хроматине. Каждая петля имеет свое постоянное место прикрепления к остову хромосомы. Места прикрепления обрамляют транскрипционные единицы или группы (кластеры) генов.

В конденсированном состоянии каждый домен хроматина представляет собой, вероятно, компактную глобулу, которая занимает в метафазной хромосоме четко определенное положение для каждого участка ДНК. При локализации определенных генов в метафазной хромосоме они всегда обнаруживаются в одном и том же участке. Регулярная организация метафазных хромосом подтверждается также тем, что окрашивание их различными красителями дает стандартную картину в виде чередующихся полос более или менее интенсивной окраски. Полученная при окрашивании характерная исчерченность является надежным тестом для идентификации отдельных хромосом.

Благодаря последовательной конденсации хроматина метафазная хромосома, имеющая длину около 5 мкм, содержит ДНК длиной до 5 см, т.е. линейные размеры ДНК уменьшаются примерно в 10 тыс. раз.

3. Структура и функции РНК.

РНК, также как и ДНК является биополимером, состоящим из мономеров – нуклеотидов. В РНК углеводные остатки представлены рибозой, вместо тимина содержится урацил. Мономерные остатки также, как и в ДНК, связаны фосфодиэфирными связями. Концы молекулы также называют 3'- и 5'-концами цепи. На свойствах фосфодиэфирных связей сильно сказывается наличие или отсутствие ОН-группы при С2'-атоме рибозы. Так, межнуклеотидные связи в РНК значительно лабильнее, чем в ДНК

Большинство клеточных РНК – одноцепочечные молекулы, хотя некоторые вирусные геномы (в том числе геномы ретровирусов) представлены двухцепочечными РНК. В одиночных цепях все время образуются короткие внутримолекулярные двухцепочечные участки. Это связано с тем, что в большинстве РНК имеются небольшие комплементарные последовательности, которые спариваются, образуя петли. В этих двухцепочечных участках аденин спаривается с урацилом, а гуанин с цитозином; гуанин может образовать пару и с урацилом, но эта пара менее стабильна, чем стандартная пара GC, поскольку ее компоненты соединены двумя водородными связями, а не тремя. Двухцепочечные участки, образованные подобным образом, обычно непротяженны и прерывисты, поскольку спаривающиеся участки редко бывают абсолютно комплементарными. Укладка большинства РНК может происходить более чем одним способом, однако биологическое значение образующихся при этом изомеров установлено только в некоторых случаях. Например, известно, что адекватная укладка некоторых вирусных РНК чрезвычайно важна для экспрессии генов, поскольку ответ на ключевые регуляторные сигналы зависит от конфигурации молекулы.

Уже в ранних исследованиях макромолекулярной организации однотяжевых РНК было установлено, что в физиологических условиях они характеризуются компактной и упорядоченной третичной структурой, которая возникает за счет взаимодействия шпилькообразных элементов вторичной структуры. тРНК единственные представители природных РНК, которые удалось изучить методом рентгено-структурного анализа. Их вторичная структура в форме «клеверного листа» переходит в третичную L-структуру. Нет сомнения в том, что аналогичные принципы лежат в основе организации структуры всех однотяжевых РНК.

Литература.

1. Коничев А.С., Севастьянов Г.А. Молекулярная биология. М. ACADEMIA. 2003. Стр. 73-110.

2. Льюин Б. Гены. М. Мир. 1987. Стр.21-42, 343-393.

3. Мушкамбаров Н.Н., Кузнецов С.Л. Молекулярная биология. М. Медицинское информационное агентство. 2003. Стр. 6-11, 117-124.

4. Сингер М., Берг П. Гены и геномы.М. Мир. 1998. Т.1. Стр.38-56.

5. Спирин В.С. Молекулярная биология. М. Высшая школа. 1990. Стр. 5-9.