ДНК эукариот

ДНК прокариот

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.

Рис. 2 Структуры ДНК

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 10¹³ м или 2 х 10¹⁰ км, что превышает окружность земного шара (4 х 10⁴ км) и расстояние от Земли до Солнца (1,44 х 10⁸ 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 ~ 60 % белка, ~ 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).

А Б

Рис. 3 Схематическое изображение нуклеосомы (А) и хроматина (Б)

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).

Рис. 4 Упаковка ДНК в хромосоме

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.