Химический состав хромосом и строение нуклеиновых кислот

Изучение химической организации хромосом эукариотических клеток показало, что они состоят в основном из ДНК и белков, которые образуют нуклеопротеиновый комплекс – хроматин, получивший свое название за способность окрашиваться основными красителями. Как было доказано многочисленными исследованиями, ДНК является материальным носителем свойств наследственности и изменчивости и заключает в себе биологическую информацию – программу развития клетки, организма, записанную с помощью особого кода. Количество ДНК в ядрах клеток организма данного вида постоянно и пропорционально их плоидности. Белки составляют значительную часть вещества хромосом. На их долю приходится около 60-65% массы этих структур. Все хромосомные белки разделяются на две группы: гистоны (основные) – 70% и негистоновые (кислые) белки – 30%.

Гистоны представлены пятью фракциями: HI, Н2А, Н2В, НЗ, Н4. Являясь положительно заряженными основными белками, они достаточно прочно соединяются с молекулами ДНК, чем препятствуют считыванию заключенной в ней биологической информации. В этом состоит их регуляторная роль. Кроме того, эти белки выполняют структурную функцию, обеспечивая пространственную организацию ДНК в хромосомах.

Число фракций негистоновых белков превышает 100. Среди них ферменты синтеза и процессинга РНК, редупликации и репарации ДНК. Кислые белки хромосом выполняют также структурную и регуляторную роль. Помимо ДНК и белков в составе хромосом обнаруживаются также РНК, липиды, полисахариды, ионы металлов.

РНК хромосом представлена отчасти продуктами транскрипции, еще не покинувшими место синтеза. Некоторым фракциям свойственна регуляторная функция. Регуляторная роль компонентов хромосом заключается в «запрещении» или «разрешении» списывания информации с молекулы ДНК.

Массовые соотношения компонентов хромосом представлены: ДНК (1): гистоны (1): негистоновые белки (0,2—0,5): РНК (0,1—0,15): липиды (0,01—0,03). Другие компоненты встречаются в незначительном количестве.

ДНК– полимерная молекула, состоящая из повторяющихся мономерных звеньев, называемых нуклеотидами. Нуклеотид – структурно-функциональная единица ДНК, состоящая из азотистого основания, сахара – дезоксирибозы и остатка фосфорной кислоты. Азотистые основания в ДНК подразделяются на пуриновые (аденин и гуанин) и пиримидиновые (тимин и цитозин). К первому атому углерода в молекуле пентозы С-1’ присоединяется азотистое основание, к пятому атому С-5’ с помощью эфирной связи – фосфат, у третьего атома С-3’ всегда имеется гидроксильная группа – ОН. Соединение нуклеотидов в макромолекулу происходит путем взаимодействия фосфата одного нуклеотида с гидроксилом другого так, что между ними устанавливается фосфодиэфирная связь.

Правило Э. Чаргаффа: 1) У всякого организма число адениновых нуклеотидов равно числу тиминовых, а число гуаниновых — числу цитозиновых: А=Т, Г=Ц; 2) Число пуриновых оснований равно числу пиримидиновых оснований: А+Г=Т+Ц; 3) Соотношение А+Т/Г+Ц = видовому индексу (у человека 1,53); 4) Количество нуклеотидов в молекуле ДНК равно 100% или 1: А+Г+Т+Ц = 100%

При помощи рентгеноструктурного анализа было доказано, что молекула ДНК представляет собой не одну цепь нуклеотидов, а две, соединённые друг с другом водородными связями между их азотистыми основаниями по принципу комплементарности: аденин одной цепи соединяется двумя водородными связями с тимином другой цепи, а между гуанином и цитозином разных цепей образуются три водородные связи. Полинуклеотидные цепи в молекуле ДНК антипараллельны, т.е. взаимнопротивоположны: 5’- конец одной цепи соединяется с 3’ – концом другой, и наоборот. На 5’- конце цепи ДНК всегда расположен свободный фосфат у 5’-атома углерода, на противоположном 3’- конце – свободная ОН-группа у 3’ атома углерода.

Подводя итог, можно суммировать всесвойства ДНК:двухцепочечная, правозакрученная спираль, гены в которой располагаются линейно, обладающая антипараллельностью цепей, прерывистостью (интроны и экзоны). Ген – участок ДНК (реже РНК), состоящий из нуклеотидов от нескольких десятков до тысяч, кодирующий какой-либо признак. К функциям ДНК относится: хранение и воспроизводство генетической информации.

Пространственная модель ДНК была предложена Френсисом Криком и Джеймсом Уотсоном в 1953 году на основаниирентгеноструктурных данных, полученных Морисом Уилкинсом и Розалинд Франклин, правил Эрвина Чаргаффа. Диаметр спирали составляет 2 нм, длина шага – 3,4 нм. В каждый виток входит 10 пар нуклеотидов. В структурной организации молекулы ДНК можно выделить первичную структуру – полинуклеотидную цепь, вторичную – две комплементарные друг другу и антипараллельные полинуклеотидные цепи, соединенные водородными связами, и третичную – трехмерную спираль.