А) строение фрагментов молекул ДНК и РНК.

Сверхспиральная Релаксированная

кольцевая ДНК кольцевая ДНК

Рис. 3.4. Строение молекул ДНК и РНК (а); (б) - кольцевидная ДНК

Вторичная структура – спирализация полидезоксирибо-нуклеотидной цепи, вернее двух цепей. Выяснение вторичной структуры ДНК – это одно из крупнейших открытий в биологии, так как при этом был раскрыт молекулярный механизм передачи генетической информации в ряду поколений. В 1953 году Д.Уотсон и Ф.Крик установили, что ДНК представляет собой двойную спираль, состоящую из двух антипараллельных полинуклеотидных цепей. Полинуклеотидная цепь расположена в форме спирали с одним оборотом (шагом) 10 пар нуклеотидов, что составляет 3,4 нм и расстоянием между плоскостями оснований 0,34 нм, при этом между амино- и кетогруппами азотистых оснований образуются водородные связи. Две нуклеотидные цепи образуют правую спираль, при этом углеводно-фосфатные группы располагаются снаружи, а азотистые основания – внутри, где аденин первой цепи соединяется двумя водородными связями с тимином второй цепи, а гуанин с цитозином тремя водородными связями. Связь A=T и Г=Ц называется комплементарной. Связь между указанными азотистыми основаниями является строго специфичной. Так, если в одной цепи последовательность нуклеотидов составляет АТГЦ, то во второй цепи будет комплементарно ТАЦГ. Таким образом, последовательность нуклеотидов в одной цепи автоматически определяет последовательность нуклеотидов в другой комплементарной цепи.

Исследования показали, что кроме указанной выше В-формы ДНК (репликативной формы), в зависимости от влажности и ряда других условий, могут быть: А-форма молекулы при транскрипции (1 виток насчитывает 11 пар нуклеотидов, цепь короче на 25%); С-формы надмолекулярных структур (1 виток имеет 9,3 пар оснований), Z-формы (левая спираль, на 1 виток приходится 12 нуклеотидов). Известны и другие формы (бок о бок форма, кольцевидная форма, одноцепочечнаяи т.д.).

Из физико-химических свойств, кроме большой длины молекулы, следует отметить денатурацию молекулы ДНК, которая происходит при повышении температуры свыше 80⁰C. При этом происходит разрыв водородных связей между азотистыми соединениями, двухцепочечная молекула «расщепляется» на составляющие цепи. Полная денатурация ДНК - это расхождение комплементарных цепей. При охлаждении раствора денатурированной ДНК цепи до комнатной температуры (или несколько ниже 80⁰C) происходит восстановление нативной структуры. Этот прием называется отжигом. Восстановление первоначальной структуры нуклеиновой кислоты называется ренатурацией. Образование двойной спирали ДНК по принципу комплементарности широко применяется для диагностики инфекционных болезней животных методом молекулярной гибридизации, ДНК-зондированию, полимеразной цепной реакции, для генетических исследований. Принцип комплементарности обеспечивается при синтезе новой молекулы ДНК, когда происходит удвоение молекулы - репликация ДНК, что очень важно для передачи генетических особенностей организма (рис.3.5).

 

 

Модель репликации ДНК, предложенная Уотсоном и Криком. Комплементарные цепи родительской ДНК разделяются, и каждая из них служит матрицей для биосинтеза комплементарной дочерней цепи.

 

Рис.3.5. Модель молекулы ДНК (а), нуклеосом (б).

 

Третичная структура ДНК и организация хроматина в клетках животных. Молекула ДНК является очень длинной, поэтому в клетке плотно «упакована» путем сверхспирализации с участием белков основного характера. ДНК клетки в основном находится в составе хромосом ядер и лишь небольшая часть ее находится в митохондриях. Суммарный материал хромосом – хроматин – содержит ДНК, гистоны, негистоновые белки и небольшое количество РНК.

До 50% хроматина составляют гистоны. Гистоны богаты основными аминокислотами – аргинином и лизином, на долю которых приходится до 25% аминокислотных остатков белка. Радикалы этих аминокислот при рН 7,0 протонированы (NH₃⁺), несут положительный заряд. Гистоны соединяются с отрицательно заряженной (за счет остатка фосфорной кислоты) двухцепочечной ДНК с образованием ДНК-гистонового комплекса. Различают пять видов гистонов: Hl - богатый лизином, Н2А, Н2В - богатые лизином и аргинином, НЗ и Н4 – богатые аргинином. Все гистоны подвергаются модификациям – метилированию, ацетилированию, фосфорилированию и поли-АДФ-рибозилированию. При этом в их молекулах изменяется распределение электронной плотности, что меняет характер их связи с ДНК. Считают, что таким образом осуществляется механизм регуляции активности генов. Упаковка молекулы ДНК начинается с образования нуклеосом. Нуклеосома – это комплекс двухцепочечной молекулы ДНК с гистонами, где около 200 пар нуклеотидов делает два оборота вокруг 8 молекул гистонов (Н2А, Н2В, НЗ и Н4 по две молекулы). Между нуклеосомами расположена соединительная (линкерная) ДНК из 20-120 пар нуклеотидов, связанная с гистоном Hl (рис.3.5.(б)). Нуклеосомы обеспечивают плотную упаковку молекулы ДНК. Они упорядоченно расположены в пространстве и образуют толстые фибриллы в виде соленоидов. Такая упаковка ДНК в хроматине обеспечивает уменьшение линейных размеров ДНК в 10000 раз.

Цитоплазматическая ДНК содержится в митохондриях – 0,1% от общего количества ДНК клетки. Это двухцепочечные кольцевые молекулы, сравнительно небольшого размера (мм ≈10⁶). В цитоплазме бактериальных клеток кроме хромосомной ДНК имеются добавочные кольцевидные молекулы ДНК, их называют плазмидами. Плазмиды способны автономно размножаться, стабильно наследуются. Мелкие плазмиды содержат генетическую информацию для 2-3 белков, а крупные могут кодировать до 200 белков. Количество их в клетке может быть различное: мелких – несколько десятков, крупных – 1-2. Плазмиды могут обуславливать вирулентность бактерии, устойчивость к отдельным антибиотикам: тетрациклину, стрептомицину и т.д. Плазмиды широко используются в генетической инженерии.

Молекула ДНК является материальным носителем генетической информации. Геном – это совокупность генов данного организма. Ген (цистрон) – участок ДНК, несущий информацию для синтеза одного белка (полипептида). Различают структурные гены, они кодируют полипептиды и РНК; регуляторные гены выполняют регуляторные функции. Количество генов в одной хромосоме зависит от сложности организма: у мелких вирусов несколько десятков, вируса оспы – около 200, бактериальных клеток несколько тысяч, генома человека около 35000.