Меню

Уровни структурной организации ДНК

Уровни структурной организации ДНК

Текст для презентации

Цель модуля –ознакомление с историей открытия нуклеиновых кислот, уровнями структурной организации и функциями ДНК; молекулярным строением и функциями различных видов РНК

Нуклеиновые кислоты были открыты в 1868 г. швейцарским биологом Фридрихом Мишером. Он выделил из ядер клеток гноя вещество, которое назвал нуклеином (от лат. «nucleus» — ядро). Клетки гноя – это лейкоциты. Мишер обнаружил, что нуклеин содержит кислый компонент, который известен теперь как ДНК. Мишер выделил фракцию нуклеиновой кислоты и изучал ее свойства. Однако структура ДНК, оставалась невыясненной до конца 40-х годов.

В настоящее время установлено, что ДНК– это чрезвычайно длинные полимерные цепи. Их молекулярный вес от нескольких до сотен тысяч миллионов. ДНК обычно состоит из 2-х цепей. Цепи ДНК состоят из соединенных друг с другом мономерных единиц – дезоксирибонуклеотидов четырех разных типов.

Нуклеотид состоит из 3 компонентов:

1. пуриновое или пиримидиновое основание;

2. моносахарид: рибоза (в РНК) или дезоксирибоза (в ДНК);

3. остаток фосфорной кислоты.

Нуклеиновые кислоты имеют различающийся состав. В частности, дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК) содержат дезоксирибозу, а рибонуклеиновые кислоты (РНК) — рибозу. Эти и другие отличия в составе нуклеиновых кислот приведены ниже:

Уровни структурной организации ДНК

Нуклеозиды— соединения азотистого основания и углеводов (рибозы и дезоксирибозы). Нуклеозиды образуются за счет N-гликозидной связи между ДЕВЯТЫМ атомом азота у ПУРИНОВЫХ (первым атомом азота- у ПИРИМИДИНОВЫХ) оснований и гидроксилом ПЕРВОГО атома углерода рибозы или дезоксирибозы (таблица 1). Во избежание путаницы, нумерация атомов азотистых оснований осуществляется арабскими цифрами, а у атомов углерода рибоз — арабскими цифрами со “штрихом”.

Таблица 1 Нуклеозиды

Нуклеотиды отличаются от нуклеозидов наличием остатков фосфорной кислоты (от одного до трех), связанных простой эфирной связью с гидроксилом 5’ атома углерода рибоз. Остатки фосфорных кислот между собой также связаны простой эфирной связью. В зависимости от числа остатков фосфорной кислоты в нуклеотидах различают МОНО-, ДИ- и ТРИФОСФОНУКЛЕОТИДЫ. Их номенклатура приведена ниже:

азотистые основания нуклеозиды Нуклеотиды
полное название Сокращенное
аденин аденозин Аденозинмонофосфат АМФ
гуанин гуанозин Гуанозинмонофосфат ГМФ
цитозин цитидин Цитидинмонофосфат ЦМФ
урацил уридин Уридинмонофосфат УМФ
тимин тимидин тимидинмонофосфат ТМФ

ДНК и РНК обладают первичной, вторичной, третичной структурами.

Первичная структура ДНК– последовательность нуклеотидов в молекуле ДНК.

Нуклеотиды связываются между собой за счет остатков фосфорной кислоты.

Нуклеотидные единицы соединяются между собой фосфодиэфирными мостиками. Фосфодиэфирные мостики соединяют 3¢ — гидроксильную группу одного нуклеотида с 5¢ — гидроксильной группой другого.

Поскольку основой нуклеиновых кислот является САХАРОФОСФАТНЫЙ ОСТОВ, в сокращенных написаниях участков цепи используют лишь ОДНОБУКВЕННЫЕ СИМВОЛЫ соответствующего азотистого основания. Полное и схематичное обозначение участка полинуклеотидной цепи приведены ниже:

Вследствие наличия сильно-диссоциирующих фосфатных групп, нуклеиновые кислоты (НК) легко образуют связи с основными белками с образованием НУКЛЕОПРОТЕИНОВ. Протеины отделяются от НК детергентами. После расщепления белков протеиназами НК осаждаются спиртом.

В ДНК содержатся минорные основания обычно – это метилированные формы главных оснований, например, 5-метилцитозин и 6-метиладенин. Метилирование оснований происходит уже после репликации ДНК. Эти метилированные основания защищают «свои» ДНК от расщепления ферментами – ДНКазами. В ряде вирусных ДНК некоторые основания могут быть гидроксиметилированы или глюкозилированы. Такие минорные основания в ДНК служат специфическими сигналами, которые играют важную роль в реализации генетической информации или в обеспечении ее сохранности. Минорные основания были обнаружены также в РНК, в основном в т-РНК.

Итак, ДНК была открыта в клеточном ядре в 1868 году, но ее генетическая функция оставалась невыясненной до 1943.

В 1943 г. Эвери и его сотрудники из Рокфеллеровского института обнаружили, что непатогенный (неболезнетворный) штамм бактерии пневмококка может быть трансформирован в патогенной простым добавлением ДНК, выделенной из патогенных пневмококков (свойство патогенности наследуется).

Вывод: ДНК может содержать генетическую информацию.

Было установлено, что:

1. Содержание ДНК в любой клетке или организме строго постоянно;

2. Содержание ДНК в клетке увеличивается с возрастанием сложности клетки, следовательно, с возрастанием генетической информации в клетке. Чем сложнее организм, тем больше ДНК в его клетках;

3. Гаплоидные половые клетки высших организмов (содержащие одинарный набор хромосом) содержат точно половину количества ДНК, которое обнаружено в диплоидных клетках того же организма;

4. ДНК-содержащие вирусы бактерий (бактериофаги) и вирусы животных, имеющие лишь несколько генов, содержат очень мало ДНК.

Это указывает на генетическую функцию ДНК: ДНК хранит генетическую информацию.

В настоящее время установлено, что функция ДНК состоит в том, что она хранит генетическую информацию, необходимую для кодирования структуры всех белков и всех РНК каждого вида организма, регулирует во времени и пространстве биосинтез компонентов клеток и тканей, определяет деятельность организма в течение его жизненного цикла и обеспечивает индивидуальность данного организма.

Самым важным ключом к разгадке структуры ДНК стало открытие, сделанное в конце 40-х годов Чаргаффом и его коллегами из Колумбийского университета. Они обнаружили, что 4 основания встречаются в ДНК разных организмов в различных соотношениях и что между основаниями существует определенная количественная связь. Такого рода результаты, полученные для препаратов ДНК, выделенных из огромного множества различных видов, привели Чаргаффа и более поздних исследователей к следующим выводам.

Вторичная структура ДНК

1. Препараты ДНК, выделенные из разных тканей одного и того же организма, имеют одинаковый нуклеотидный состав.

2. Нуклеотидный состав ДНК у разных видов различен.

3. Число адениновых остатков в любой ДНК независимо от вида организма равно числу тиминовых остатков (А=Т), а число гуаниновых остатков всегда равно числу цитозиновых остатков (Г=Ц).

Следовательно, сумма пуриновых остатков равно сумме пиримидиновых, т.е. А + Г = Т + Ц

Было установлено, что ДНК близких видов имеют сходный нуклеотидный состав, а эволюционно отдаленные организмы заметно отличаются по нуклеотидному составу.

Молекула ДНК компактна. Компактность создает вторичная и третичная структура ДНК.

В 1953 году американский генетик Джеймс Уотсон и английский физик Френсис Крик как результат своих работ в Кембриджском университете (Англия) предложили трехмерную модель двойной спирали ДНК. Их модель была основана на данных рентгеноструктурного анализа ДНК и объясняла характерную для ДНК парность оснований. Модель состоит из двух цепей ДНК, закрученных в спираль вправо вокруг одной и той же оси с образованием двойной спирали. Две цепи в этой спирали антипараллельны, т.е. их 5¢, 3¢ — межнуклеотидные фосфороэфирные мостики направлены в противоположные стороны

Гидрофильные остовы цепей, состоящие из чередующихся остатков дезоксирибозы и отрицательно заряженных фосфатных групп, расположены на внешней стороне двойной спирали и обращены в сторону окружающей ее воды. Гидрофобные пуриновые и пиримидиновые основания обеих цепей уложены стопкой внутри двойной спирали, так что практически плоские молекулы оснований сближены между собой и расположены перпендикулярно длинной оси двойной спирали. Пространственное взаиморасположение цепей приводят к возникновению большой и малой бороздок. Основания одной цепи спарены с находящимися в той же плоскости основаниями другой цепи, т.е. две цепи в молекуле ДНК стабилизированы водородными связями: между А и Т возникают две водородные связи (А = Т), а между Г и Ц три водородные связи (Г =Ц).

С помощью данных рентгеноструктурного анализа установлено, что:

1. Молекула ДНК имеет постоянный диаметр 2 нм (1 нм =10 -9 м)

молекула пурина 1,2 нм

молекула пиримидина 0,8 нм

Количество пуриновых оснований равно количеству пиримидиновых оснований.

2. Основания уложенных стопкой внутри двойной спирали ДНК и располагаются на расстояниях 0,34 нм друг от друга.

3. На каждый полный оборот двойной спирали приходится 10 пар оснований. Следовательно, молекула ДНК имеет периодичность в структуре равную 3,4 нм.

Стабилизация двойной спирали происходит:

1. за счет водородных связей между комплементарными основаниями

2. за счет гидрофобных взаимодействий между основаниями, благодаря чему основания оказываются спрятанными внутрь двойной спирали и защищены от соприкосновения с водой.

Таким образом, вторичная структура ДНК представляет собой свернутые в спираль две комплементарно взаимодействующие и антипараллельные полинуклеотидные цепи. Образование вторичной структуры нуклеиновых кислот возможно вследствие проявления эффектов комплементарности и стэкинг-взаимодействий.

Комплементарность — последовательность нуклеотидов в одной цепи автоматически определяет строго соответствующую ей последовательность нуклеотидов в КОМПЛЕМЕНТАРНОЙ ей цепи. Так, азотистое основание Аденин (А) всегда взаимодействует только с комплементарным ему азотистым основанием Тимин (Т) в молекулах ДНК. Одновременно азотистое основание Гуанин (Г) одной цепи взаимодействует только с комплементарным азотистым основанием Цитозин (Ц) другой цепи (как в ДНК, так и в РНК). Комплементарность оснований обеспечивается системой водородных связей. В молекулах РНК, имеющих, в основном, однонитевую структуру, на отдельных участках, азотистые основания А взаимодействуют с комплементарными им азотистыми основаниями Урацил (У).

Читайте также:  Сельское хозяйство земледелие животноводство рыболовство природные ресурсы

Аналогично происходит взаимодействие в процессах транскрипции, когда на матрице ДНК синтезируется молекула РНК (матричная, транспортная и т.д.), и наоборот, когда при участии РЕВЕРС-ТРАНСКРИПТАЗЫ происходит синтез кДНК на матрице РНК.

Стэкинг-взаимодействия— особого рода (Ван-дер-Ваальсовы) взаимодействия между выложенными в стопку (как монеты) друг над другом азотистыми основаниями.

Имеются А, В, С и Z-формы ДНК, отличающиеся диаметром и шагом спирали, числом пар оснований в витке, углом наклона плоскости азотистых оснований по отношению к оси молекулы (рис. 1).

В форме В, описанной моделью Дж.Уотсона и Ф.Крика, на 1 виток спирали приходится 10 пар оснований, шаг спирали 3,4 нм, диаметр 1,8 нм, угол наклона к оси 0º. Форма В, по-видимому, благоприятна для процесса репликации. В форме А на 1 виток приходится 11 пар оснований, шаг спирали 2,8 нм, угол наклона плоскости оснований к оси составляет 20º. Форма А является предпочтительной для процессов транскрипции. Форма С, выявленная у ряда вирусов и в составе надмолекулярных структур хроматина, имеет 9,3 пары оснований в витке с углом наклона 5º. Z-форма ДНК – наименее скрученная (12 пар оснований на виток). Она представляет собой левозакрученную двойную спираль, в которой фосфоэфирный остов расположен зигзагообразно вдоль оси. Z-форма обладает только одной бороздкой. Z-форма возникает, как правило, при высоких концентрациях солей, спермина, спермидина, при метилировании остатков дезоксицитидина, при высоком содержании отрицательных супервитков в молекуле ДНК, может участвовать в регуляции экспрессии генов. Описанные формы ДНК способны к взаимно обратимым переходам в зависимости от условий среды.

В желобах вдоль всей молекулы ДНК располагаются белки: гистоны, негистоновые. Гистоны – это небольшие щелочные белки. Преобладают в хроматине соматических клеток эукариот. В них преобладают аминокислоты аргинин, лизин (до

25 %), имеющие положительный заряд на радикале. Существует 5 основных фракций гистонов Н1, Н2А, Н2В, Н3, Н4. Они отличаются содержанием аргинина и лизина.

Радикалы аминокислот, входящих в состав гистонов, могут быть метилированы, фосфорилированы или ацетилированы.

Так как гистоновые белки положительно заряжены, а ДНК имеет отрицательный заряд (из-за остатков фосфорной кислоты), то образуется ДНК-гистоновый комплекс. Гистоны образуют с молекулами ДНК прочные электростатические связи.

Негистоновые белки – это кислые белки, в них много глутаминовой и аспарагиновой аминокислот. Белки находятся в большой и малой бороздке молекулы ДНК

Третичная структура ДНК

Различают следующие формы ДНК: ЛИНЕЙНАЯ, КОЛЬЦЕВАЯ, одно- и двух-ЦЕПОЧЕЧНАЯ (рис. 2). Двуцепочечные ДНК с «липкими» концами могут образовывать кольцо, которое далее ковалентно сшивается по сахарофосфатной цепи при помощи ДНК-лигазы.

В прокариотических клетках ДНК представляет собой замкнутое двухцепочечное кольцо. ДНК является сверхскрученной – сверхспирализованной. Суперспирализация создает третичную структуру ДНК. Сверхспиральная ДНК более компактна, чем раскрученное кольцо. Анализ ДНК, выделенной из Е.coli, показал, что она образует множество петель, поддерживаемых вместе с помощью белков. Каждая из этих петель в свою очередь сверхспирализована. Образование петель и сверхспиральность помогает обеспечить упаковку очень больших кольцевых молекул ДНК в малых объемах. Например, ДНК Е.coli имеет длину более 1 мм, в то время как длина клетки не превышает 5 мкм.

Кроме очень большой кольцевой хромосомы, расположенной в ядерной зоне, большинство бактерий содержит одну или несколько небольших кольцевых молекул ДНК, которые находятся в свободном состоянии в цитоплазме клетки. Это плазмиды. Они малы и содержат лишь несколько генов (в хромосоме тысячи генов). Некоторые плазмиды несут гены, которые обеспечивают устойчивость бактерии к антибиотикам (например, к тетрациклину, стрептомицину). Плазмиды могут переноситься из устойчивых к антибиотику клеток в чувствительные клетки того же или другого вида, делая эти клетки устойчивыми.

Плазмиды можно легко выделить из бактериальных клеток. В выделенную плазмиду встраивают новые гены из других видов и такую модифицированную плазмиду вводят обратно в обычную для нее клетку-хозяина. Плазмида, несущая чужеродный ген будет реплицироваться (удваиваться с образованием дочерних плазмид) и транскрибироваться и может заставить клетку-хозяина синтезировать белки, кодируемые искусственно встроенным геном. Молекула ДНК с искусственно встроенным геном называется рекомбинантной. С помощью рекомбинантных ДНК сейчас получают белковый гормон – инсулин, защитный белок интерферон и др.

Эукариоты имеют оформленное ядро, содержащее ДНК. Размер типичной эукариотической клетки, например, клетки печени человека, составляет в поперечнике

25 мкм. Ее ядро, размером

5 мкм в диаметре, содержит 46 хромосом, суммарная длина ДНК которых равна 2 м. Эукариоты содержат значительно больше ДНК, чем прокариоты. Так, клетки человека и других млекопитающих содержат в 600 раз больше ДНК, чем Е.coli. Общая длина всей ДНК, выделенной из клеток организма взрослого человека, составляет

2 х 10 13 м или 2 х 10 10 км, что превышает окружность земного шара (4 х 10 4 км) и расстояние от Земли до Солнца (1,44 х 10 8 км).

У эукариот ДНК находится в хромосомах. В клетках человека 46 хромосом (хроматид), которые организованы в 23 пары. Каждая хромосома эукариотической клетки содержит одну очень большую молекулу двухцепочечной ДНК, несущую набор генов. Совокупность генов клетки составляет ее геном. Гены – это участки ДНК, которые кодируют полипептидные цепи и РНК.

Молекулы ДНК в 46 хромосомах человека не одинаковы по размеру. Средняя длина хромосомы составляет 130 млн. пар оснований и имеет длину 5 см. Понятно, что уместить такую ДНК в ядре возможно только путем ее определенной упаковки. При образовании третичной структуры ДНК человека происходит в среднем уменьшение ее размеров в 100 тысяч раз.

Упаковка ДНК в эукариотических хромосомах отличается от ее упаковки в прокариотических хромосомах. Эукариотические ДНК имеют не кольцевую, а линейную двухцепочечную структуру. Кроме того, третичная структура ДНК у эукариотических клеток отличается тем, что многократная спирализация ДНК сопровождается образованием комплексов с белками. ДНК эукариот содержит экзоны — участки, кодирующие полипептидные цепи, и интроны– некодирующие участки (выполняют регуляторную функцию).

Эукариотические хромосомы состоят из хроматиновых волокон. Эукариотические хромосомы выглядят как резко очерченные структуры только непосредственно до и во время митоза- процесса деления ядра в соматических клетках. В покоящихся, неделящихся эукариотических клетках хромосомный материал, называемый хроматином, выглядит нечетко и как бы беспорядочно распределен по всему ядру. Однако, когда клетка готовится к делению, хроматин уплотняется и собирается в хромосомы.

Хроматин состоит из очень тонких волокон, которые содержат

35 % ДНК, и, вероятно,

5 % РНК. Хроматиновые волокна в хромосоме свернуты и образуют множество узелков и петель. ДНК в хроматине прочно связана с белками-гистонами, функция которых состоит в упаковке и упорядочении ДНК в структурные единицы – нуклеосомы. В хроматине содержится также ряд негистоновых белков. Хроматиновые волокна напоминают по внешнему виду нитки бус. Бусинки – это нуклеосомы .

Нуклеосома состоит из белков-гистонов. Каждая нуклеосома содержит 8 молекул гистонов – по 2 молекулы Н2А. Н2В, Н3, Н4. Двухцепочечная ДНК обвивает нуклеосому дважды (рис. 3).

Нить ДНК намотана на гистоновое ядро нуклеосомы снаружи. В промежутках между нуклеосомами расположена соединительная нить ДНК, с которой связывается гистон Н1. Таким образом, нуклеосомы – это структурные единицы хроматина, выполняют функцию плотной упаковки ДНК. ДНК укорачивается за счет того, что она обвивает гистоны. Хроматин связан также с негистоновыми белками ядра, которые образуют ядерный матрикс (рис. 4).

Эукариотические клетки содержат также цитоплазматическую ДНК.

Кроме ДНК в ядре у эукариот есть ДНК в митохондриях. Хлоропласты фотосинтезирующих клеток также содержат ДНК. Обычно ДНК в цитоплазме составляет » 0, 1 % всей клеточной ДНК.

Митохондриальные ДНК – это двухцепочечные кольцевые молекулы малого размера. Молекулы ДНК в хлоропластах значительно больше, чем в митохондриях. ДНК митохондрий и хлоропластов не связана с гистонами.

Источник

Особенности строения и уровни организации ДНК.

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. Азотистые основания не принимают участия в соединении нуклеотидов одной цепи.

Читайте также:  Зависимость скорости воды от температуры таблица

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

1. Количество аденина (А) равно количеству тимина (Т), а ко- личество гуанина (Г) – количеству цитозина (Ц): А = Т, Г = Ц;

2. Количество пуринов равно количеству пиримидинов: А+Г = Т+Ц.

Нуклеотидный состав РНК подобным правилам не подчиняется.

На основании этих правил в том числе, в 1953 г. Уотсон и Крик предложили модель вторичной структуры ДНК, получившую название двойной спирали.

Вторичная структура ДНК

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

Вторичная структура ДНК представляет собой двухцепочечную спираль, из двух длинных полинуклеотидных цепей, закрученных относительно общей оси. Сахарофосфатный скелет обеих цепей обращён наружу от оси спирали, а азотистые основания обращены внутрь спирали.

Две цепи удерживаются вместе с помощью водородных связей между азотистыми основаниями (аденин образует две связи с тимином, а гуанин — три связи с цитозином), гидрофобных связей,стэкинг-взаимодействий и ионных связей. Одна цепь ДНК комплементарна другой, при этом цепи антипараллельны.

ДНК обладает структурной гибкостью и существует в нескольких формах:

В-форма- основная форма ДНК (10 комплементарных пар). Плоскости азотистых оснований в В-форме перпендикулярны оси симметрии. Соседние комплемнтарные пары в В-форме повернуты, друг относительно друга на 36 градусов.

А-форма 11 пар оснований на один виток. Плоскости азотистых оснований отклонены от оси на 20 градусов, есть пустоты.

С-форма 9,3 пар оснований.

А, В, С-формы правозакрученные.

Z-форма левозакрученная-шаг спирали больше 12 пар.

В двойной спирали различают большую и малую бороздки — это расстояния между сахарофосфатными остовами обеих цепей в двойной спирали.

Химические связи, стабилизирующие вторичную структуру ДНК:

1.Стэкинг-взаимодействия:пары оснований, уложенные в спирали «стопками» удерживаются силамиВан-дер-Ваальса. И несмотря на то, что связи между 2 парами оснований крайне слабые, их большое количество во всей молекуле ДНК является важным фактором её стабилизации.

2.Гидрофобные связи: гидрофобные азотистые основания «погружены» внутрь спирали и взаимодействуют друг с другом, это придаёт спирали дополнительную стабильность.

3.Водородные связи образуются между азотистыми основаниями цепей. Между аденином и тимином — 2 водородных связи, а между гуанином и цитозином — 3.

4.Электростатические взаимодействия: электростатическое отталкива-

ние между отрицательно заряженными остатками фосфорной кислоты дестабилизирует спираль ДНК, однако эти эффекты минимизированы присутствием ионов Mg2+ и катионных белков (богатых лизином и аргинином).

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 ДНК:

1)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).

2)Релаксированное состояние ДНК — наблюдается при одиночном разрыве (разрыве одной нити). При этом супервитки исчезают и ДНК принимает форму замкнутого кольца.

3)Линейная форма ДНК — наблюдается при разрыве двух нитей двойной спирали.

Третичная структура

Каждая молекула ДНК упакована в отдельную хромосому. В диплоидных клетках человека содержится 46 хромосом. Общая длина ДНК всех хромосом клетки составляет 1,74 м, но она упакована в ядре, диаметр которого в миллионы раз меньше. Чтобы расположить ДНК в ядре клетки, должна быть сформирована очень компактная структура. Компактизация и суперспирализация ДНК осуществляются с помощью разнообразных белков, взаимодействующих с определёнными последовательностями в структуре ДНК. Все связывающиеся с ДНК эукариотов белки можно разделить на 2 группы: гистоновые и негистоновые белки. Комплекс белков с ядерной ДНК клеток называют хроматином.

Гистоны — белки с молекулярной массой 11-21 кД, содержащие много остатков аргинина и лизина. Благодаря положительному заряду гистоны образуют ионные связи с отрицательно заряженными фосфатными группами, расположенными на внешней стороне двойной спирали ДНК.

Существует 5 типов гистонов. Четыре гистона Н2А, Н2В, НЗ и Н4 образуют октамерный белковый комплекс (Н2А, Н2В, НЗ, Н4)2, который называют «нуклеосомный кор». Молекула ДНК «накручивается» на поверхность гистонового октамера, совершая 1,75 оборота (около 146 пар нуклеоти-дов). Такой комплекс гистоновых белков с ДНК служит основной структурной единицей хроматина, её называют «нуклеосома». ДНК, связывающую нуклеосомные частицы, называют линкерной ДНК. В среднем линкерная ДНК составляет 60 пар нуклеотидных остатков. Молекулы гистона H1 связываются с ДНК в межнуклеосомных участках (линкерных последовательностях) и защищают эти участки от действия нуклеаз.

В ядре каждой клетки присутствует около 60 млн молекул каждого типа гистонов, а общая масса гистонов примерно равна содержанию

ДНК. Аминокислотные остатки лизина, аргинина и концевые аминогруппы гистонов могут модифицироваться: ацетилироваться, фосфорилироваться, метилироваться или взаимодействовать с белком убиквитином (неги-стоновый белок). Модификации бывают обратимыми и необратимыми, они изменяют заряд и конформацию гистонов, а это влияет на взаимодействие гистонов между собой и с ДНК. Активность ферментов, ответственных за модификации, регулируется и зависит от стадии клеточного цикла. Модификации делают возможными конформационные перестройки хроматина.

Негистоновые белки хроматина

В ядре эукариотической клетки присутствуют сотни самых разнообразных ДНК-связывающих негистоновых белков. Каждый белок комплементарен определённой последовательности нуклеотидов ДНК. К негистоновым белкам принадлежат 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.

Дата добавления: 2019-09-13 ; просмотров: 297 ; Мы поможем в написании вашей работы!

Источник



Формы ДНК, структура и синтез

Содержание

  1. Уровни организации молекулы ДНК
  2. Первичная структура: компоненты ДНК
  3. Образование вторичной структуры
  4. А-ДНК – сухая молекула
  5. Влажная B-ДНК
  6. Неканоническая Z-ДНК
  7. Репликация ДНК и ее строение
  8. Суперскрученная молекула
  9. Окончательная компактизация ДНК

Дезоксирибонуклеиновая кислота – ДНК – служит носителем наследственной информации, передаваемой живыми организмами следующим поколениям, и матрицей для строительства белков и различных регуляторных факторов, потребных организму в процессах роста и жизнедеятельности. В этой статье мы остановимся на том, какими бывают наиболее распространенные формы структуры ДНК. Также мы обратим внимание на то, как строятся эти формы и в каком виде ДНК пребывает внутри живой клетки.

Уровни организации молекулы ДНК

Различают четыре уровня, определяющих строение и морфологию этой гигантской молекулы:

  • Первичный уровень, или структура – это порядок нуклеотидов в цепи.
  • Вторичная структура представляет собой знаменитую «двойную спираль». Устоялось именно это словосочетание, хотя на самом деле подобная структура напоминает винт.
  • Третичная структура образуется вследствие того, что между отдельными участками двухцепочечной закрученной нити ДНК возникают слабые водородные связи, придающие молекуле сложную пространственную конформацию.
  • Четвертичная структура – это уже сложный комплекс ДНК с некоторыми белками и РНК. В такой конфигурации ДНК упакована в хромосомы в ядре клетки.

Первичная структура: компоненты ДНК

Блоками, из которых строится макромолекула дезоксирибонуклеиновой кислоты, являются нуклеотиды, представляющие собой соединения, в состав каждого из которых входят:

  • азотистое основание – аденин, гуанин, тимин или цитозин. Аденин и гуанин относятся к группе пуриновых оснований, цитозин и тимин – пиримидиновых;
  • пятиуглеродный моносахарид дезоксирибоза;
  • остаток ортофосфорной кислоты.

При образовании полинуклеотидной цепочки важную роль играет порядок групп, образуемых атомами углерода в кольцевой молекуле сахара. Фосфатный остаток в нуклеотиде соединен с 5’-группой (читается «пять прайм») дезоксирибозы, то есть с пятым атомом углерода. Наращивание цепочки происходит путем присоединения к свободной 3’-группе дезоксирибозы фосфатного остатка следующего нуклеотида.

Читайте также:  Металл размеры таблица вес

Таким образом, первичная структура ДНК в форме полинуклеотидной цепи – имеет 3’- и 5’-концы. Это свойство молекулы ДНК называется полярностью: синтез цепи может идти только в одном направлении.

Образование вторичной структуры

Следующий шаг в структурной организации ДНК базируется на принципе комплементарности азотистых оснований – их способности попарно соединяться друг с другом посредством водородных связей. Комплементарность – взаимное соответствие – возникает по той причине, что аденин и тимин образуют двойную связь, а гуанин и цитозин – тройную. Поэтому при формировании двойной цепи эти основания встают друг напротив друга, образуя соответствующие пары.

Полинуклеотидные последовательности располагаются во вторичной структуре антипараллельно. Так, если одна из цепочек имеет вид 3’ – АГГЦАТАА – 5’, то противоположная будет выглядеть следующим образом: 3’ – ТТАТГЦЦТ – 5’.

При образовании молекулы ДНК происходит закручивание сдвоенной полинуклеотидной цепи, причем от концентрации солей, от водонасыщенности, от строения самой макромолекулы зависит, какие формы может принимать ДНК на данной структурной ступени. Известно несколько таких форм, обозначаемых латинскими буквами A, B, C, D, E, Z.

Конфигурации C, D и E не встречены в живой природе и наблюдались только в лабораторных условиях. Мы рассмотрим основные формы ДНК: так называемые канонические A и B, а также конфигурацию Z.

А-ДНК – сухая молекула

А-форма – это правый винт с 11 комплементарными парами оснований в каждом витке. Диаметр его составляет 2,3 нм, а длина одного витка спирали – 2,5 нм. Плоскости, образуемые спаренными основаниями, имеют наклон 20° по отношению к оси молекулы. Соседние нуклеотиды расположены в цепочках компактно – между ними всего 0,23 нм.

Такая форма ДНК возникает при низкой гидратации и при повышенной ионной концентрации натрия и калия. Она характерна для процессов, в которых ДНК образует комплекс с РНК, поскольку последняя не способна принимать иные формы. Кроме того, А-форма весьма устойчива к ультрафиолетовому облучению. В этой конфигурации дезоксирибонуклеиновая кислота содержится в грибных спорах.

Влажная B-ДНК

При малом содержании солей и высокой степени гидратации, то есть в нормальных физиологических условиях, ДНК принимает свою главную форму B. Природные молекулы существуют, как правило, в В-форме. Именно она лежит в основе классической модели Уотсона-Крика и чаще всего изображается на иллюстрациях.

Источник

ДНК (Дезоксирибонуклеиновая кислота)

ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) — это линейный органический полимер, мономерными звеньями которого являются нуклиатиды.

Что такое ДНК?

Вся информация о строении и функционировании любого живого организма содержится в закодированном виде в его генетическом материале. Основу генетического материала организма составляет дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК).

ДНК большинства организмов – это длинная двухцепочечная полимерная молекула. Последовательность мономерных звеньев (дезоксирибонуклеотидов) в одной ее цепи соответствует (комплементарна) последовательности дезоксирибонуклеотидов в другой. Принцип комплементарности обеспечивает синтез новых молекул ДНК, идентичных исходным, при их удвоении (репликации).

Участок молекулы ДНК, кодирующий определенный признак, – ген.

Гены – это индивидуальные генетические элементы, имеющие строго специфичную нуклеотидную последовательность, и кодирующие определенные признаки организма. Одни из них кодируют белки, другие — только молекулы РНК.

Информация, которая содержится в генах, кодирующих белки (структурных генах), расшифровывается в ходе двух последовательных процессов:

  • синтеза РНК (транскрипции): на определенном участке ДНК как на матрице синтезируется матричная РНК (мРНК).
  • синтеза белка (трансляции): В ходе согласованной работы многокомпонентной системы при участии транспортных РНК (тРНК), мРНК, ферментов и различных белковых факторов осуществляется синтез белковой молекулы.

Все эти процессы обеспечивают правильный перевод зашифрованной в ДНК генетической информации с языка нуклеотидов на язык аминокислот. Аминокислотная последовательность белковой молекулы определяет ее структуру и функции.

Строение ДНК

ДНК – это линейный органический полимер. Его мономерные звенья – нуклеотиды, которые, в свою очередь, состоят из:

  • азотистого основания;
  • пятиуглеродного сахара (пентозы);
  • фосфатной группы (рисунок 1).

ДНК строение одной цепочки нуклеотидов

Рисунок 1 : ДНК – строение одной цепочки нуклеотидов

При этом, фосфатная группа присоединена к 5′-атому углерода моносахаридного остатка, а органическое основание — к 1′-атому.

Основания в ДНК бывают двух типов:

  • Пуриновые: аденин ( А ) и гуанин (G);
  • Пиримидиновые: цитозин (С) и тимин (Т);(рисунок 2),

Азотистые основания пуриновые и пиримидиновые

Рисунок 2: Азотистые основания- пуриновые и пиримидиновые

Строение нуклеотидов в молекуле ДНК

В ДНК моносахарид представлен 2′-дезоксирибозой, содержащей только 1 гидроксильную группу (ОН), а в РНКрибозой, имеющей 2 гидроксильные группы (OH).

Нуклеотиды соединены друг с другом фосфодиэфирными связями, при этом фосфатная группа 5′-углеродного атома одного нуклеотида связана с З’-ОН-группой дезоксирибозы соседнего нуклеотида (рисунок 1). На одном конце полинуклеотидной цепи находится З’-ОН-группа (З’-конец), а на другом — 5′-фосфатная группа (5′-конец).

Уровни структуры ДНК

Принято выделять 3 уровня структуры ДНК:

  • первичную;
  • вторичную;
  • третичную.

Первичная структура ДНК – это последовательность расположения нуклеотидов в полинуклеотидной цепи ДНК.

Вторичная структура ДНК стабилизируется водородными связями между комплементарными парами оснований и представляет собой двойную спираль из двух антипараллелных цепочек, закрученных вправо вокруг одной оси.

Общий виток спирали- 3,4нм, расстояние между цепочками 2нм.

Третичная структура ДНК – суперсперализация ДНК. Двойная спираль ДНК на некоторых участках может подвергаться дальнейшей спирализации с образованием суперспирали или открытой кольцевой формы, что часто вызвано ковалентным соединением их открытых концов. Суперспиральная структура ДНК обеспечивает экономную упаковку очень длинной молекулы ДНК в хромосоме. Так, в вытянутой форме длина молекулы ДНК составляет 8 см, а в форме суперспирали укладывается в 5 нм.

Правило Чаргаффа

Правило Э. Чаргаффа – это закономерность количественного содержания азотистых оснований в молекуле ДНК:

  1. У ДНК молярные доли пуриновых и пиримидиновых оснований равны: А+G=C+ Т или (А +G)/(C+ Т)=1 .
  2. В ДНК количество оснований с аминогруппами (А +C) равно количеству оснований с кетогруппами (G+ Т):А +C=G+ Т или (А +C)/(G+ Т)= 1
  3. Правило эквивалентности, то есть : А=Т, Г=Ц; А/Т = 1; Г/Ц=1.
  4. Нуклеотидный состав ДНК у организмов различных групп специфичен и характеризуется коэффициентом специфичности: (Г+Ц)/(А+Т). У высших растений и животных коэффициент специфичности меньше 1, и колеблется незначительно: от 0,54 до 0,98, у микроорганизмов он больше 1.

Модель ДНК Уотсона-Крика

Б 1953 г. Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик, основываясь на данных рентгеноструктурного анализа кристаллов ДНК, пришли к выводу, что нативная ДНК состоит из двух полимерных цепей, образующих двойную спираль (рисунок 3).

Навитые одна на другую полинуклеотидные цепи удерживаются вместе водородными связями, образующимися между комплементарными основаниями противоположных цепей (рисунок 3). При этом аденин образует пару только с тимином, а гуанин — с цитозином. Пара оснований А—Т стабилизируется двумя водородными связями, а пара G—Стремя.

Длина двухцепочечной ДНК обычно измеряется числом пар комплементарных нуклеотидов (п.н.). Для молекул ДНК, состоящих из тысяч или миллионов пар нуклеотидов, приняты единицы т.п.н. и м.п.н. соответственно. Например, ДНК хромосомы 1 человека представляет собой одну двойную спираль длиной 263 м.п.н.

Сахарофосфатный остов молекулы, который состоит из фосфатных групп и дезоксирибозных остатков, соединенных 5’—З’-фосфодиэфирными связями, образует «боковины винтовой лестницы», а пары оснований А—Т и G—С — ее ступеньки (рисунок 3).

ДНК модель Уотсона-Крика

Рисунок 3: Модель ДНК Уотсона-Крика

Цепи молекулы ДНК антипараллельны: одна из них имеет направление 3’→5′, другая 5’→3′. В соответствии с принципом комплементарности, если в одной из цепей имеется нуклеотидная последовательность 5-TAGGCAT-3′, то в комплементарной цепи в этом месте должна находиться последовательность 3′-ATCCGTA-5′. В этом случае двухцепочечная форма будет выглядеть следующим образом:

  • 5′-TAGGCAT-3′
  • 3-ATCCGTA-5′.

В такой записи 5′-конец верхней цепи всегда располагают слева, а 3′-конец — справа.

Носитель генетической информации должен удовлетворять двум основным требованиям: воспроизводиться (реплицироваться) с высокой точностью и детерминировать (кодировать) синтез белковых молекул.

Модель ДНК Уотсона—Крика полностью отвечает этим требованиям, так как:

  • согласно принципу комплементарности каждая цепь ДНК может служить матрицей для образования новой комплементарной цепи. Следовательно, после одного раунда репликации образуются две дочерние молекулы, каждая из которых имеет такую же нуклеотидную последовательность, как исходная молекула ДНК.
  • нуклеотидная последовательность структурного гена однозначно задает аминокислотную последовательность кодируемого ею белка.

Источник