ДНК: структура и уровни упаковки в клетке.

ДНК: структура и уровни упаковки в клетке.

ДНК – макромолекула, которая обеспечивает хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической информации.

История:

ДНК была открыта Иоганном Фридрихом Мишером в 1868 году. Из остатков клеток, содержащихся в гное, он выделил вещество, в состав которого входят азот и фосфор. Вначале новое вещество получило название нуклеин, а позже, когда Мишер определил, что это вещество обладает кислотными свойствами, вещество получило название нуклеиновая кислота. Биологическая функция новооткрытого вещества была неясна, и долгое время ДНК считалась запасником фосфора в организме. Более того, даже в начале XX века многие биологи считали, что ДНК не имеет никакого отношения к передаче информации, поскольку строение молекулы, по их мнению, было слишком однообразным и не могло содержать закодированную информацию.

Вплоть до 50-х годов XX века точное строение ДНК, как и способ передачи наследственной информации, оставалось неизвестным. Хотя и было доподлинно известно, что ДНК состоит из нескольких цепочек.

Структура двойной спирали ДНК была предложена Френсисом Криком и Джеймсом Уотсоном в 1953 году на основании рентгеноструктурных данных, полученных Морисом Уилкинсом и Розалинд Франклин (https://ru.wikipedia.org/wiki/).

Первичная структура ДНК

ДНК состоит из четырех блоков называемых основаниями. Строительными блоками являются: цитозин и гуанин, тимин и аденин (C, G, A, T) (рис.1 А), которые соединены друг с другом водородными связями. Последовательность из этих строительных блоков делают каждого человека генетически отличным. В составе молекулы ДНК присутствуют остатки фосфорной кислоты и дезоксирибоза. Структура дезоксирибонуклеотида представлена на рисунке 1 Б. Строение нуклеотида можно представить следующим образом: фосфат-сахар (дезоксирибоза)-основание. Схематическое строение ДНК представлено на рис. 1 В.

Рис. 1 Структура ДНК. А - Строение пуриновых и пириминовых оснований. Б - Структура дезоксирибонуклеотида. В - Схематическое строение ДНК.

Двойная спираль ДНК

Все ДНК почти всегда существуют в виде двойной цепи, за исключением ДНК некоторых вирусов. Что же удерживает две цепи ДНК вместе? Комплементарность пар оснований. Это означает, что всегда А и Т в двух цепях ДНК расположены друг против друга, между ними спонтанно образуются 2 водородные связи. G и C также представляют комплементарную пару, правда, между ними возникает 3 водородные связи. В ДНК встречаются только пары А-Т и G-С, они известны как пары оснований Уотсона-Крика. Образование водородных связей - полностью спонтанный процесс, не требующий ферментативного катализа.

Пара оснований всегда содержит один пурин (большая молекула) и один пиримидин (меньшая молекула); следовательно, пара оснований всегда имеет одинаковый размер. Спонтанный процесс образования пар оснований называется гибридизацией. Если молекулу ДНК разрезать на тысячи коротких двухцепочечных фрагментов длиной от 20 до 100 нуклеотидов, а затем нагреть их до температуры около 95С, спаренные цепи каждого фрагмента отделятся друг от друга: наступит плавление ДНК. Оно происходит из-за разрывов водородных связей под действием тепла и приводит к образованию одноцепочечных фрагментов ДНК с различной последовательностью оснований. Если раствор вновь охладить, то фрагменты начнут медленно спариваться со своими прежними комплементарными цепями.

В динуклеотиде (состоит из двух нуклеотидов, соединённых своими фосфатными группами) фосфатная группа соединена с дезоксирибозой фосфодиэфирной связью. Она называется диэфирной потому что фосфат соединен с двумя остатками углеводов (рис. 1 А.)



О



ОРО^-



О



Две цепи ДНК образуют спираль, в которой гидрофобные (Гидрофобность (от др.-греч. ὕδωρ — вода и φόβος — боязнь, страх) — это физическое свойство молекулы, которая «стремится» избежать контакта с водой (https://ru.wikipedia.org/wiki/Гидрофобность)) основания расположены внутри, а гидрофильные (Гидрофильность (от др.-греч. ὕδωρ — вода и φιλία — любовь) — характеристика интенсивности молекулярного взаимодействия вещества с водой, способность хорошо впитывать воду, а также высокая смачиваемость поверхностей водой (https://ru.wikipedia.org/wiki/Гидрофильность)) сахарные и фосфатные группы снаружи (рис. 2 Б).

Рис. 2. А - структура динуклеотида. Б - Схематическое строение двуспиральной молекулы ДНК, где А, Т, Г, Ц - основания, Д - дезоксирибоза, Ф - фосфатная группа.

Размеры молекулы ДНК

Диаметр двойной спирали составляет 2 нм (нм – нанометр, равен 10-9 метра). Расстояние между соседними парами оснований вдоль спирали составляет 0,34 нм. Полный оборот двойная спираль делает через 10 пар. А вот длина зависит от того организма, которому принадлежит молекула. У простейших вирусов имеется всего лишь несколько тысяч звеньев. У бактерий их несколько миллионов. А у высших организмов их миллиарды.

Если вытянуть в одну линию все ДНК, заключённые в одной клетке человека, то получится нить длиной примерно 2 м. Отсюда видно, что длина нити в миллиарды раз больше её толщины. Чтобы лучше представить себе размеры молекулы ДНК, можно вообразить, что её толщина равна 4 см. Такой нитью, взятой из одной человеческой клетки, можно опоясать земной шар по экватору. В таком масштабе человек будет соответствовать размерам Земли, а ядро клетки вырастит до размеров стадиона (http://www.factruz.ru/genetic_mistery/structure-dna-molecule.htm).

Каким образом ДНК упакована в ядре?

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" (от англ. nucleosome core). 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 (рис. 3) (http://www.biochemistry.ru/biohimija_severina/).

Рис. 3. Структура нуклеосом. Восемь молекул гистонов (Н2А, Н2В, НЗ, Н4)2 составляют ядро нуклеосомы, вокруг которого ДНК образует примерно 1,75 витка.

Нуклеосомы имеют диаметр примерно 10 нм и образуют нити толщиной 10 нм. И всё же такой упаковки ДНК недостаточно, в её дальнейшей организации участвует пятый гистон: он не входит в состав нуклеосомы. Далее нить 10 нм толщиной конденсируется с образованием нити толщиной 30 нм (рис.4).

Рис. 4. Нить хроматина 30 нм толщиной (studopedia.ru).

Нити толщиной 30 нм образуют длинные петли, прикрепленные к центральному поддерживающему белку хромосом. Петли далее конденсируются путём сверхспирализации, образуя чрезвычайно компактную метафазную хромосому. В общем виде все уровни упаковки ДНК в клетке представлены на рисунке 5.

Рис. 5. Уровни упаковки ДНК в клетке (dnatree.ru).