После открытия принципа молекулярной организации такого вещества, как ДНК в 1953 году, начала развиваться молекулярная биология. Далее в процессе исследований ученые выяснили как рекомбенируется ДНК, ее состав и как устроен наш человеческий геном.

Каждый день на молекулярном уровне происходят сложнейшие процессы. Как устроена молекула ДНК, из чего она состоит? И какую роль играют в клетке молекулы ДНК? Расскажем подробно обо всех процессах, происходящих внутри двойной цепи.

Что такое наследственная информация?

Итак, с чего все начиналось? Еще в 1868 нашли в ядрах бактерий. А в 1928 г. Н. Кольцов выдвинул теорию о том, что именно в ДНК зашифрована вся генетическая информация о живом организме. Затем Дж. Уотсон и Ф. Крик нашли модель всем теперь известной спирали ДНК в 1953 году, за что заслужено получили признание и награду — Нобелевскую премию.

Что такое вообще ДНК? Это вещество состоит из 2 объединенных нитей, точнее спиралей. Участок такой цепочки с определенной информацией называется геном.

В ДНК хранится вся информация о том, что за белки будут формироваться и в каком порядке. Макромолекула ДНК — это материальный носитель невероятно объемной информации, которая записана строгой последовательностью отдельных кирпичиков — нуклеотидов. Всего нуклеотидов 4, они дополняют друг друга химически и геометрически. Этот принцип дополнения, или комплементарности, в науке будет описан позже. Это правило играет ключевую роль в кодировке и декодировании генетической информации.

Так как нить ДНК невероятно длинная, повторений в этой последовательности не бывает. У каждого живого существа собственная уникальная цепочка ДНК.

Функции ДНК

К функциям относятся хранение наследственной информации и ее передача потомству. Без этой функции геном вида не мог бы сохраняться и развиваться на протяжении тысячелетий. Организмы, которые претерпели серьезные мутации генов, чаще не выживают или теряют способность производить потомство. Так происходит природная защита от вырождения вида.

Еще одна существенно важная функция — реализация хранимой информации. Клетка не может создать ни одного жизненно важного белка без тех инструкций, которые хранятся в двойной цепочке.

Состав нуклеиновых кислот

Сейчас уже достоверно известно, из чего состоят сами нуклеотиды — кирпичики ДНК. В их состав входят 3 вещества:

• Ортофосфорная кислота.
• Азотистое основание. Пиримидиновые основания — которые имеют только одно кольцо. К ним относят тимин и цитозин. Пуриновые основания, в составе которых присутствуют 2 кольца. Это гуанин и аденин.
• Сахароза. В составе ДНК — дезоксирибоза, В РНК — рибоза.

Число нуклеотидов всегда равно числу азотистых оснований. В специальных лабораториях расщепляют нуклеотид и выделяют из него азотистое основание. Так изучают отдельные свойства этих нуклеотидов и возможные мутации в них.

Уровни организации наследственной информации

Разделяют 3 уровня организации: генный, хромосомный и геномный. Вся информация, нужная для синтеза нового белка, содержится на небольшом участке цепочки — гене. То есть ген считается низший и самый простой уровень кодировки информации.

Гены, в свою очередь, собраны в хромосомы. Благодаря такой организации носителя наследственного материала группы признаков по определенным законам чередуются и передаются от одного поколения к другому. Надо заметить, генов в организме невероятно много, но информация не теряется, даже когда много раз рекомбенируется.

Разделяют несколько видов генов:

• по функциональному назначению выделяют 2 типа: структурные и регуляторные последовательности;
• по влиянию на процессы, протекающие в клетке, различают: супервитальные, летальные, условно летальные гены, а также гены мутаторы и антимутаторы.

Располагаются гены вдоль хромосомы в линейном порядке. В хромосомах информация сфокусирована не вразброс, существует определенный порядок. Существует даже карта, в которой отображены позиции, или локусы генов. Например, известно, что в хромосоме № 18 зашифрованы данные о цвете глаз ребенка .

А что же такое геном? Так называют всю совокупность нуклеотидных последовательностей в клетке организма. Геном характеризует целый вид, а не отдельную особь.

Каков генетический код человека?

Дело в том, что весь огромнейший потенциал человеческого развития заложен уже в период зачатия. Вся наследственная информация, которая необходима для развития зиготы и роста ребенка уже после рождения, зашифрована в генах. Участки ДНК и есть самые основные носители наследственной информации.

У человека 46 хромосом, или 22 соматические пары плюс по одной определяющей пол хромосоме от каждого родителя. Этот диплоидный набор хромосом кодирует весь физический облик человека, его умственные и физические способности и предрасположенность к заболеваниям. Соматические хромосомы внешне неразличимы, но несут они разную информацию, так как одна из них от отца, другая - от матери.

Мужской код отличается от женского последней парой хромосом — ХУ. Женский диплоидный набор — это последняя пара, ХХ. Мужчинам достается одна Х-хромосома от биологической матери, и затем она передается дочерям. Половая У-хромосома передается сыновьям.

Хромосомы человека значительно разнятся по размеру. Например, самая маленькая пара хромосом - №17. А самая большая пара - 1 и 3.

Диаметр двойной спирали у человека - всего 2 нм. ДНК настолько плотно закручена, что вмещается в маленьком ядре клетки, хотя ее длина будет достигать 2 метров, если ее раскрутить. Длина спирали — это сотни миллионов нуклеотидов.

Как передается генетический код?

Итак, какую роль играют в клетке молекулы ДНК при делении? Гены — носители наследственной информации - находятся внутри каждой клетки организма. Чтобы передать свой код дочернему организму, многие существа делят свое ДНК на 2 одинаковые спирали. Это называется репликацией. В процессе репликации ДНК расплетается и специальные «машины» дополняют каждую цепочку. После того как раздвоится генетическая спираль, начинает делиться ядро и все органеллы, а затем и вся клетка.

Но у человека другой процесс передачи генов - половой. Признаки отца и матери перемешиваются, в новом генетическом коде содержится информация от обоих родителей.

Хранение и передача наследственной информации возможны благодаря сложной организации спирали ДНК. Ведь как мы говорили, структура белков зашифрована именно в генах. Раз создавшись во время зачатия, этот код на протяжении всей жизни будет копировать сам себя. Кариотип (личный набор хромосом) не изменяется во время обновления клеток органов. Передача же информации осуществляется с помощью половых гамет — мужских и женских.

Передавать свою информацию потомству не способны только вирусы, содержащие одну цепочку РНК. Поэтому, чтобы воспроизводиться, им нужны клетки человека или животного.

Реализация наследственной информации

В ядре клетки постоянно происходят важные процессы. Вся информация, записанная в хромосомах, используется для построения белков из аминокислот. Но цепочка ДНК никогда не покидает ядро, поэтому здесь нужна помощь другого важного соединения = РНК. Как раз РНК способно проникнуть через мембрану ядра и взаимодействовать с цепочкой ДНК.

Посредством взаимодействия ДНК и 3 видов РНК происходит реализация всей закодированной информации. На каком уровне происходит реализация наследственной информации? Все взаимодействия происходят на уровне нуклеотидов. Информационная РНК копирует участок цепи ДНК и приносит эту копию в рибосому. Здесь начинается синтез из нуклеотидов новой молекулы.

Для того чтобы иРНК могла скопировать необходимую часть цепи, спираль разворачивается, а затем, по завершении процесса перекодировки, снова восстанавливается. Причем этот процесс может происходить одновременно на 2 сторонах 1 хромосомы.

Принцип комплементарности

Состоят из 4 нуклеотидов — это аденин (А), гуанин (G), цитозин (С), тимин (T). Соединены они водородными связями по правилу комплементарности. Работы Э. Чаргаффа помогли установить это правило, так как ученый заметил некоторые закономерности в поведении этих веществ. Э. Чаргафф открыл, что молярное отношение аденина к тимину равно единице. И точно так же отношение гуанина к цитозину всегда равно единице.

На основе его работ генетики сформировали правило взаимодействия нуклеотидов. Правило комплементарности гласит, что аденин соединяется только с тимином, а гуанин - с цитозином. Во время декодирования спирали и синтеза нового белка в рибосоме такое правило чередования помогает быстро найти необходимую аминокислоту, которая прикреплена к транспортной РНК.

РНК и его виды

Что такое наследственная информация? нуклеотидов в двойной цепи ДНК. А что такое РНК? В чем заключается ее работа? РНК, или рибонуклеиновая кислота, помогает извлекать информацию из ДНК, декодировать ее и на основе принципа комплементарности создавать необходимые клеткам белки.

Всего выделяют 3 вида РНК. Каждая из них выполняет строго свою функцию.

1. Информационная (иРНК) , или еще ее называют матричная. Она заходит прямо в центр клетки, в ядро. Находит в одной из хромосом необходимый генетический материал для постройки белка и копирует одну из сторон двойной цепи. Копирование происходит снова по принципу комплементарности.
2. Транспортная — это небольшая молекула, у которой на одной стороне декодеры-нуклеотиды, а на другой стороне соответствующие основному коду аминокислоты. Задача тРНК — доставить в «цех», то есть в рибосому, где синтезирует необходимую аминокислоту.
3. рРНК — рибосомная. Она контролирует количество белка, который продуцируется. Состоит из 2 частей — аминокислотного и пептидного участка.

Единственное отличие при декодировании — у РНК нет тимина. Вместо тимина тут присутствует урацил. Но потом, в процессе синтеза белка, при ТРНК все равно правильно устанавливает все аминокислоты. Если же происходят какие-то сбои в декодировании информации, то возникает мутация.

Репарация поврежденной молекулы ДНК

Процесс восстановления поврежденной двойной цепочки называется репарацией. В процессе репарации поврежденные гены удаляются.

Затем необходимая последовательность элементов в точности воспроизводиться и врезается обратно в то же место на цепи, откуда было извлечено. Все это происходит благодаря специальным химическим веществам — ферментам.

Почему происходят мутации?

Почему некоторые гены начинают мутировать и перестают выполнять свою функцию — хранение жизненно необходимой наследственной информации? Это происходит из-за ошибки при декодировании. Например, если аденин случайно заменен на тимин.

Существуют также хромосомные и геномные мутации. Хромосомные мутации случаются, если участки наследственной информации выпадают, удваиваются либо вообще переносятся и встраиваются в другую хромосому.

Геномные мутации наиболее серьезны . Их причина - это изменение числа хромосом. То есть когда вместо пары — диплоидного набора присутствует в кариотипе триплоидный набор.

Наиболее известный пример триплоидной мутации — это синдром Дауна, при котором личный набор хромосом 47. У таких детей образуется 3 хромосомы на месте 21-й пары.

Известна также такая мутация, как полиплодия. Но полиплодия встречается только у растений.

Пространственную модель молекулы ДНК в 1953 году предложили американские исследователи генетик Джеймс Уотсон (род. 1928) и физик Фрэнсис Крик (род. 1916). За выдающийся вклад в это открытие им была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине 1962 года.

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) представляет собой биополимер, мономером которого является нуклеотид. В состав каждого нуклеотида входят остаток фосфорной кислоты, соединенный с сахаром дезоксирибозой, который, в свою очередь, соединен с азотистым основанием. Азотистых оснований в молекуле ДНК четыре вида: аденин, тимин, гуанин и цитозин.

Молекула ДНК состоит из двух длинных цепей, сплетенных между собой в виде спирали, чаще всего, правозакрученной. Исключение составляют вирусы, которые содержат одноцепочную ДНК.

Фосфорная кислота и сахар, которые входят в состав нуклеотидов, образуют вертикальную основу спирали. Азотистые основания располагаются перпендикулярно и образуют «мостики» между спиралями. Азотистые основания одной цепи соединяются с азотистыми основаниями другой цепи согласно принципу комплементарности, или соответствия.

Принцип комплементарности. В молекуле ДНК аденин соединяется только с тимином, гуанин – только с цитозином.

Азотистые основания оптимально соответствуют друг другу. Аденин и тимин соединяется двумя водородными связями, гуанин и цитозин – тремя. Поэтому на разрыв связи гуанин-цитозин требуется больше энергии. Одинаковые по размеру тимин и цитозин гораздо меньше аденина и гуанина. Пара тимин-цитозин была бы слишком мала, пора аденин-гуанин – слишком велика, и спираль ДНК искривилась бы.

Водородные связи непрочны. Они легко разрываются и так же легко восстанавливаются. Цепи двойной спирали под действием ферментов или при высокой температуре могут расходиться, как замок-молния.

5. Молекула рнк Рибонуклеиновая кислота (рнк)

Молекула рибонуклеиновой кислоты (РНК) тоже является биополимером, который состоит из четырех типов мономеров – нуклеотидов. Каждый мономер молекулы РНК содержат остаток фосфорной кислоты, сахар рибозу и азотистое основание. Причем, три азотистых основания такие же, как в ДНК – аденин, гуанин и цитозин, но вместо тимина в РНК присутствует близкий ему по строению урацил. РНК – одноцепочечная молекула.

Количественное содержание молекул ДНК в клетках какого-либо вида практически постоянно, однако количество РНК может существенно меняться.

Виды рнк

В зависимости от строения и выполняемой функции различают три вида РНК.

1. Транспортная РНК (тРНК). Транспортные РНК в основном находятся в цитоплазме клетки. Они переносят аминокислоты к месту синтеза белка в рибосому.

2. Рибосомальная РНК (рРНК). Рибосомальная РНК связывается с определенными белками и образует рибосомы – органеллы, в которых происходит синтез белков.

3. Информационная РНК (иРНК), или матричная РНК (мРНК). Информационная РНК переносит информацию о структуре белка от ДНК рибосоме. Каждая молекула иРНК соответствует определенному участку ДНК, который кодирует структуру одной белковой молекулы. Поэтому для каждого из тысяч белков, которые синтезируются в клетке, имеется своя особенная иРНК.

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

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

Структура дезоксирибонуклеиновой кислоты

Нуклеиновые кислоты имеют первичную, вторичную и третичную структуру.

Первичная структура ДНК

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

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

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

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

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

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

Вторичная структура ДНК

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

Предпосылки к созданию модели ДНК

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

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

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

Модель ДНК Уотсона-Крика

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Функции ДНК

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

Oсновные функции ДНК.

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

Формы организации двухцепочечной ДНК

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

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

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

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

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

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

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

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

Структурные элементы ДНК
(неканонические структуры ДНК)

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Известны два вида тройных спиралей:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Все три перечисленные формы ДНК легко разделяются при гельэлекрофорезе.

Третичная структура ДНК

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

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

Гистоновые белки хроматина

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

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

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

Негистоновые белки хроматина

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

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

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

Хроматин

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

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

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

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

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

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

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

Уровни компактизации ДНК в хромосомах

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

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

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

• соленоидный уровень

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

• петлевой уровень

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

• доменный уровень

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

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

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

• хромосомный уровень

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

Функции хромосом

Во взаимодействии с внехромосомными механизмами хромосомы обеспечивают

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

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

Все мы знаем, что облик человека, некоторые привычки и, даже, заболевания передаются по наследству. Вся эта информация о живом существе закодирована в генах. Так как же эти пресловутые гены выглядят, как они функционируют и где находятся?

Итак, носителем всех генов любого человека или животного является ДНК. Данное соединение было открыто в 1869 году Иоганном Фридрихом Мишером.Химически ДНК – это дезоксирибонуклеиновая кислота. Что же это означает? Каким образом эта кислота несет в себе генетический код всего живого на нашей планете?

Начнем с того, что рассмотрим, где располагается ДНК. В клетке человека имеется множество органоидов, которые выполняют различные функции. ДНК располагается в ядре. Ядро – это маленькая органелла, которая окружена специальной мембраной, и в которой хранится весь генетический материал – ДНК.

Каково строение молекулы ДНК?

Прежде всего, рассмотрим, что представляет собой ДНК. ДНК – это очень длинная молекула, состоящая из структурных элементов – нуклеотидов. Имеется 4 вида нуклеотидов – это аденин (А), тимин (Т), гуанин (Г) и цитозин (Ц). Цепочка нуклеотидов схематически выглядит следующим образом: ГГААТЦТААГ.… Вот такая последовательность нуклеотидов и есть цепочка ДНК.

Впервые структура ДНК была расшифрована в 1953 году Джеймсом Уотсоном и Френсисом Криком.

В одной молекуле ДНК имеется две цепочки нуклеотидов, которые спирально закручены вокруг друг друга. Как же эти нуклеотидные цепочки держатся рядом и закручиваются в спираль? Данный феномен обусловлен свойством комплементарности. Комплементарность означает, что друг напротив друга в двух цепочках могут находиться только определенные нуклеотиды (комплементарные). Так, напротив аденина всегда стоит тимин, а напротив гуанина всегда только цитозин. Таким образом, гуанин комплементарен с цитозином, а аденин – с тимином.Такие пары нуклеотидов, стоящие напротив друг друга в разных цепочках также называются комплементарными.

Схематически можно изобразить следующим образом:

Г - Ц
Т - А
Т - А
Ц - Г

Эти комплементарные пары А - Т и Г - Ц образуют химическую связь между нуклеотидами пары, причем связьмежду Г и Ц более прочная чем между А и Т. Связь образуется строго между комплементарными основаниями, то есть образование связи между не комплементарными Г и А – невозможно.

«Упаковка» ДНК, как цепочка ДНК становится хромосомой?

Почему же эти нуклеотидные цепочки ДНК еще и закручиваются вокруг друг друга? Зачем это нужно? Дело в том, что количество нуклеотидов огромно и нужно очень много места, чтобы разместить такие длинные цепочки. По этой причине происходит спиральное закручивание двух нитей ДНК вокруг друга. Данное явление носит название спирализации. В результате спирализации цепочки ДНК укорачиваются в 5-6 раз.

Некоторые молекулы ДНК активно используются организмом, а другие используются редко. Такие редко используемые молекулы ДНК помимо спирализации подвергается еще более компактной «упаковке». Такая компактная упаковка называется суперспирализацией и укорачивает нить ДНК в 25-30 раз!

Как происходит упаковка спиралей ДНК?

Для суперспирализации используются гистоновые белки , которые имеют вид и структуру стержня или катушки для ниток. На эти «катушки» - гистоновые белки наматываются спирализованные нити ДНК. Таким образом, длинная нить становится очень компактно упакованной и занимает очень мало места.

При необходимости использовать ту или иную молекулу ДНК происходит процесс «раскручивания», то есть нить ДНК «сматывается» с «катушки» - гистонового белка (если была на нее накручена) и раскручивается из спирали в две параллельные цепи. А когда молекула ДНК находится в таком раскрученном состоянии, то с нее можно считать необходимую генетическую информацию. Причем считывание генетической информации происходит только с раскрученных нитей ДНК!

Совокупность суперспирализованных хромосом называется гетерохроматин , а хромосом, доступных для считывания информации – эухроматин .

Что такое гены, какова их связь с ДНК?

Теперь давайте рассмотрим, что же такое гены. Известно, что есть гены, определяющие группу крови, цвет глаз, волос, кожи и множество других свойств нашего организма. Ген – это строго определенный участок ДНК, состоящий из определенного количества нуклеотидов, расположенных в строго определенной комбинации. Расположение в строго определенном участке ДНК означает, что конкретному гену отведено его место, и поменять это место невозможно. Уместно провести такое сравнение: человек живет на определенной улице, в определенном доме и квартире, и самовольно человек не может переселиться в другой дом, квартиру или на другую улицу. Определенное количество нуклеотидов в гене означает, что каждый ген имеет конкретное число нуклеотидов и их не может стать больше или меньше. Например, ген, кодирующий выработку инсулина , состоит из 60 пар нуклеотидов; ген, кодирующий выработку гормона окситоцина – из 370 пар нуклеотидов.

Строгая последовательность нуклеотидов является уникальной для каждого гена и строго определенной. Например, последовательность ААТТААТА – это фрагмент гена, кодирующего выработку инсулина. Для того чтобы получить инсулин, используется именно такая последовательность, для получения, например, адреналина, используется другая комбинация нуклеотидов. Важно понимать, что только определенная комбинация нуклеотидов кодирует определенный «продукт» (адреналин, инсулин и т.д.). Такая вот уникальная комбинация определенного числа нуклеотидов, стоящая на «своем месте» - это и есть ген .

Помимо генов в цепи ДНК расположены, так называемые «некодирующие последовательности». Такие некодирующие последовательности нуклеотидов регулируют работу генов, помогают спирализации хромосом, отмечают точку начала и конца гена. Однако, на сегодняшний день, роль большинства некодирующих последовательностей остается невыясненной.

Что такое хромосома? Половые хромосомы

Совокупность генов индивидуума называется геномом. Естественно, весь геном невозможно уложить в одну ДНК. Геном разбит на 46 пар молекул ДНК. Одна пара молекул ДНК называется хромосома. Так вот именно этих хромосом у человека имеется 46 штук. Каждая хромосома несет строго определенный набор генов, например, в 18 хромосоме заложены гены, кодирующие цвет глаз и т.д.Хромосомы различаются друг от друга по длине и форме. Самые распространенные формы в виде Х или Y, но имеются также и другие. У человека имеются по две хромосомы одинаковой формы, которые называются парными (парами). В связи с такими различиями все парные хромосомы пронумерованы – их имеется 23 пары. Это означает, что имеется пара хромосом №1, пара №2, №3 и т.д. Каждый ген ответственный за определенный признак находится в одной и той же хромосоме. В современных руководствах для специалистов может указываться локализация гена, например, следующим образом: 22 хромосома, длинное плечо.

В чем заключаются различия хромосом?

Как же еще различаются между собой хромосомы? Что означает термин длинное плечо? Возьмем хромосомы формы Х. Пересечение нитей ДНК может происходить строго посередине (Х), а может происходить и не центрально. Когда такое пересечение нитей ДНК происходит не центрально, то относительно точки перекреста одни концы длиннее, другие, соответственно, короче. Такие длинные концы принято называть длинным плечом хромосомы, а короткие – соответственно – коротким плечом. У хромосом формы Y большую часть занимают длинные плечи, а короткие совсем небольшие (на схематичном изображении они даже не указываются).

Размер хромосом колеблется: самыми крупными являются хромосомы пар №1 и №3, самыми маленькими хромосомы пар № 17, №19.

Помимо форм и размеров хромосомы различаются по выполняемым функциям. Из 23 пар, 22 пары являются соматическими и 1 пара – половые. Что это значит? Соматические хромосомы определяют все внешние признаки индивидуума, особенности его поведенческих реакций, наследственный психотип, то есть все черты и особенности каждого конкретного человека. А пара половых хромосом определяет пол человека: мужчина или женщина. Существует две разновидности половых хромосом человека – это Х (икс) и У (игрек). Если они сочетаются как ХХ (икс - икс) – это женщина, а если ХУ (икс - игрек) – перед нами мужчина.

Наследственные болезни и повреждения хромосом

Однако случаются «поломки» генома, тогда у людей выявляются генетические заболевания. Например, когда в 21 паре хромосом вместо двух присутствует три хромосомы, человек рождается с синдромом Дауна.

Существует множество более мелких «поломок» генетического материала, которые не ведут к возникновению болезни, а наоборот, придают хорошие свойства. Все «поломки» генетического материала называются мутациями. Мутации, ведущие к болезням или ухудшению свойств организма, считают отрицательными, а мутации, ведущие к образованию новых полезных свойств, считают положительными.

Однако, применительно к большинству болезней, которыми сегодня страдают люди, передается по наследству не заболевание, а лишь предрасположенность. Например, у отца ребенка сахар усваивается медленно. Это не означает, что ребенок родится с сахарным диабетом , но у ребенка будет иметься предрасположенность. Это означает, если ребенок будет злоупотреблять сладостями и мучными изделиями, то у него разовьется сахарный диабет.

На сегодняшний день развивается так называемая предикативная медицина. В рамках данной медицинской практики у человека выявляются предрасположенности (на основе выявления соответствующих генов), а затем ему даются рекомендации - какой диеты придерживаться, как правильно чередовать режим труда и отдыха, чтобы не заболеть.

Как прочитать информацию, закодированную в ДНК?

А как же можно прочитать информацию, содержащуюся в ДНК? Как использует ее собственный организм? Сама ДНК представляет собой некую матрицу, но не простую, а закодированную. Чтобы прочесть информацию с матрицы ДНК, она сначала переносится на специальный переносчик – РНК. РНК – это химически рибонуклеиновая кислота. Отличается от ДНК тем, что может проходить через мембрану ядра в клетку, а ДНК лишена такой способности (она может находиться только в ядре). Закодированная информация же используется в самой клетке. Итак, РНК – это переносчик кодированной информации из ядра в клетку.

Как происходит синтез РНК, как при помощи РНК синтезируется белок?

Нити ДНК, с которых нужно «считать» информацию, раскручиваются, к ним подходит специальный фермент – «строитель» и синтезирует параллельно нити ДНК комплементарную цепочку РНК. Молекула РНК также состоит из 4 видов нуклеотидов – аденина (А), урацила (У), гуанина (Г) и цитозина (Ц). При этом комплементарными являются следующие пары: аденин – урацил, гуанин – цитозин. Как видно, в отличие от ДНК, в РНК используется урацил вместо тимина. То есть фермент-«строитель» работает следующим образом: если в нити ДНК он видит А, то к нити РНК присоединяет У, если Г – то присоединяет Ц и т.д. Таким образом, с каждого активного гена при транскрипции формируется шаблон – копия РНК, способная проходить через мембрану ядра.

Как происходит синтез белка закодированного определенным геном?

Покинув ядро, РНК попадает в цитоплазму. Уже в цитоплазме РНК может быть, как матрица встроена в специальные ферментные системы (рибосомы), которые могут синтезировать, руководствуясь информацией РНК соответствующую последовательность аминокислот белка. Как известно, молекула белка состоит из аминокислот. Как же рибосоме удается узнать, какую именно аминокислоту надо присоединить к растущей белковой цепи? Делается это на основе триплетного кода. Триплетный код означает, что последовательность в три нуклеотида цепочки РНК (триплет, например, ГГУ) кодируют одну аминокислоту (в данном случае глицин). Каждую аминокислоту кодирует определенный триплет. И так, рибосома «прочитывает» триплет, определяет какую аминокислоту надо присоединить следующей по мере считывания информации в РНК. Когда цепочка аминокислот сформирована, она принимает определенную пространственную форму и становится белком, способным осуществлять возложенные на него ферментные, строительные, гормональные и другие функции.

Белок для любого живого организма является продуктом гена. Именно белками определяются все разнообразные свойства, качества и внешние проявления генов.