Нуклеиновите киселини са високомолекулни вещества, състоящи се от мононуклеотиди, които са свързани помежду си в полимерна верига с помощта на 3", 5" фосфодиестерни връзки и са опаковани в клетките по определен начин.
Нуклеиновите киселини са биополимери от два вида: рибонуклеинова киселина (РНК) и дезоксирибонуклеинова киселина (ДНК). Всеки биополимер се състои от нуклеотиди, които се различават по въглехидратния остатък (рибоза, дезоксирибоза) и една от азотните бази (урацил, тимин). Според тези различия нуклеиновите киселини са получили името си.
Структура на дезоксирибонуклеиновата киселина
Нуклеиновите киселини имат първична, вторична и третична структура.
Първична структура на ДНК
Първичната структура на ДНК е линейна полинуклеотидна верига, в която мононуклеотидите са свързани с 3", 5" фосфодиестерни връзки. Изходният материал за сглобяването на верига от нуклеинова киселина в клетката е 5"-трифосфатният нуклеозид, който в резултат на отстраняването на остатъците от β и γ фосфорна киселина е способен да прикрепи 3" въглероден атом на друг нуклеозид . По този начин, 3" въглероден атом на една дезоксирибоза е ковалентно свързан с 5" въглероден атом на друга дезоксирибоза чрез единичен остатък от фосфорна киселина и образува линейна полинуклеотидна верига от нуклеинова киселина. Оттук и името: 3", 5" фосфодиестерни връзки. Азотните бази не участват в свързването на нуклеотидите на една верига (фиг. 1.).
Такава връзка между остатъка на молекулата на фосфорната киселина на един нуклеотид и въглехидрата на друг води до образуването на пентозо-фосфатен скелет на полинуклеотидната молекула, към който една след друга са прикрепени азотни бази. Тяхната последователност на подреждане във веригите на молекулите на нуклеиновата киселина е строго специфична за клетките различни организми, т.е. има специфичен характер (правилото на Чаргаф).
Една линейна ДНК верига, чиято дължина зависи от броя на нуклеотидите, включени във веригата, има два края: единият се нарича 3" край и съдържа свободен хидроксил, а другият се нарича 5" край и съдържа фосфорна киселинен остатък. Веригата е полярна и може да има посока 5"->3" и 3"->5". Изключение прави кръговата ДНК.
Генетичният "текст" на ДНК е съставен от кодови "думи" - триплети от нуклеотиди, наречени кодони. Участъци от ДНК, съдържащи информация за първичната структура на всички видове РНК, се наричат структурни гени.
Полинуклеотидните ДНК вериги достигат гигантски размери, така че те са пакетирани по определен начин в клетката.
Докато изучава състава на ДНК, Чаргаф (1949) установява важни модели по отношение на съдържанието на отделните ДНК бази. Те помогнаха да се разкрие вторичната структура на ДНК. Тези модели се наричат правила на Чаргаф. Правилата на Чаргаф
Тези правила показват, че при изграждането на ДНК трябва да се спазва доста стриктно съответствие (сдвояване) не на пуриновите и пиримидиновите бази като цяло, а конкретно на тимина с аденина и цитозина с гуанина. Въз основа на тези правила през 1953 г. Уотсън и Крик предлагат модел на вторичната структура на ДНК, наречена двойна спирала (фиг.). |
Вторична структура на ДНК
Вторичната структура на ДНК е двойна спирала, чийто модел е предложен от Д. Уотсън и Ф. Крик през 1953 г.
Предпоставки за създаване на ДНК модел
В резултат на първоначалните анализи се смяташе, че ДНК от всякакъв произход съдържа всичките четири нуклеотида в еднакви моларни количества. Въпреки това, през 40-те години на миналия век Е. Чаргаф и колегите му, в резултат на анализ на ДНК, изолирана от различни организми, ясно показаха, че те съдържат азотни основи в различни количествени съотношения. Чаргаф установи, че въпреки че тези съотношения са еднакви за ДНК от всички клетки на един и същи вид организъм, ДНК от различни видовемогат да се различават значително в съдържанието на определени нуклеотиди. Това предполага, че разликите в съотношението на азотните бази може да са свързани с някакъв вид биологичен код. Въпреки че съотношението на отделните пуринови и пиримидинови бази в различни ДНК проби се оказа различно, при сравняване на резултатите от теста се появи определен модел: във всички проби общият брой пурини беше равен на общия брой пиримидини (A + G = T + C), количеството аденин е равно на количеството тимин (A = T), а количеството гуанин е количеството цитозин (G = C). ДНК, изолирана от клетки на бозайници, като цяло е по-богата на аденин и тимин и относително по-бедна на гуанин и цитозин, докато ДНК от бактерии е по-богата на гуанин и цитозин и относително по-бедна на аденин и тимин. Тези данни формират важна част от фактическия материал, въз основа на който по-късно е изграден моделът на Уотсън-Крик за структурата на ДНК.
Друга важна косвена индикация за възможната структура на ДНК са данните на Л. Полинг за структурата на протеиновите молекули. Полинг показа, че са възможни няколко различни стабилни конфигурации на аминокиселинната верига в протеинова молекула. Една обща конфигурация на пептидна верига, α-спиралата, е правилна спирална структура. С тази структура е възможно образуването на водородни връзки между аминокиселини, разположени на съседни завъртания на веригата. Полинг описва α-спиралната конфигурация на полипептидната верига през 1950 г. и предполага, че ДНК молекулите вероятно имат спирална структура, осигурена от водородни връзки.
Но най-ценната информация за структурата на молекулата на ДНК е предоставена от резултатите от рентгенов дифракционен анализ. Рентгеновите лъчи, преминаващи през ДНК кристал, се подлагат на дифракция, т.е. те се отклоняват в определени посоки. Степента и естеството на отклонението на лъчите зависи от структурата на самите молекули. Рентгеновата дифракционна картина (фиг. 3) дава на опитното око редица косвени указания относно структурата на молекулите на изследваното вещество. Анализът на рентгенови дифракционни модели на ДНК доведе до заключението, че азотните бази (които имат плоска форма) са подредени като купчина плочи. Рентгеновите дифракционни модели разкриват три основни периода в структурата на кристалната ДНК: 0,34, 2 и 3,4 nm.
ДНК модел на Watson-Crick
Въз основа на аналитичните данни на Чаргаф, рентгеновите модели на Уилкинс и изследванията на химици, които предоставят информация за точните разстояния между атомите в една молекула, ъглите между връзките на даден атом и размера на атомите, Уотсън и Крик започва да изгражда физически модели на отделните компоненти на ДНК молекулата в определен мащаб и да ги „нагажда“ един към друг по такъв начин, че получената система да съответства на различни експериментални данни [покажи] .
Още по-рано беше известно, че съседните нуклеотиди в ДНК веригата са свързани чрез фосфодиестерни мостове, свързващи 5"-въглеродния дезоксирибозен атом на един нуклеотид с 3"-въглеродния дезоксирибозен атом на следващия нуклеотид. Уотсън и Крик не се съмняват, че периодът от 0,34 nm съответства на разстоянието между последователните нуклеотиди във веригата на ДНК. Освен това може да се приеме, че периодът от 2 nm съответства на дебелината на веригата. И за да обяснят на каква реална структура съответства периодът от 3,4 nm, Уотсън и Крик, както и Полинг по-рано, предполагат, че веригата е усукана под формата на спирала (или по-точно образува спирална линия, тъй като спирала в тесния смисъл на тези думи се получава, когато намотките образуват конична, а не цилиндрична повърхност в пространството). Тогава период от 3,4 nm ще съответства на разстоянието между последователните завои на тази спирала. Такава спирала може да бъде много плътна или донякъде опъната, т.е. нейните завои могат да бъдат плоски или стръмни. Тъй като периодът от 3,4 nm е точно 10 пъти повече разстояниемежду последователни нуклеотиди (0,34 nm), ясно е, че всеки пълен оборот на спиралата съдържа 10 нуклеотида. От тези данни Уотсън и Крик успяха да изчислят плътността на полинуклеотидна верига, усукана в спирала с диаметър 2 nm, с разстояние между навивките 3,4 nm. Оказа се, че такава верига ще има плътност, която е половината от действителната плътност на ДНК, която вече беше известна. Трябваше да предположа, че молекулата на ДНК се състои от две вериги – че е двойна спирала от нуклеотиди.
Следващата задача беше, разбира се, да се изяснят пространствените отношения между двете вериги, образуващи двойната спирала. След като изпробваха редица варианти за подреждане на веригите на техния физически модел, Уотсън и Крик откриха, че всички налични данни съответстват най-добре на варианта, при който две полинуклеотидни спирали вървят в противоположни посоки; в този случай веригите, състоящи се от захарни и фосфатни остатъци, образуват повърхността на двойната спирала, а пурините и пиримидините са разположени вътре. Базите, разположени една срещу друга, принадлежащи към две вериги, са свързани по двойки чрез водородни връзки; Именно тези водородни връзки държат веригите заедно, като по този начин фиксират цялостната конфигурация на молекулата.
Двойната спирала на ДНК може да си представим като въжена стълба, която е усукана по спираловиден начин, така че нейните стъпала остават хоризонтални. Тогава двете надлъжни въжета ще съответстват на вериги от захарни и фосфатни остатъци, а напречните ленти ще съответстват на двойки азотни бази, свързани с водородни връзки.
В резултат на по-нататъшно проучване на възможните модели Уотсън и Крик стигнаха до заключението, че всяка "напречна лента" трябва да се състои от един пурин и един пиримидин; при период от 2 nm (съответстващ на диаметъра на двойната спирала), няма да има достатъчно място за два пурина и двата пиримидина не могат да бъдат достатъчно близо един до друг, за да образуват правилни водородни връзки. Задълбочено проучване на подробния модел показа, че аденинът и цитозинът, макар и да образуват комбинация с подходящ размер, все пак не могат да бъдат позиционирани по такъв начин, че между тях да се образуват водородни връзки. Подобни съобщения наложиха изключването на комбинацията гуанин – тимин, докато комбинациите аденин – тимин и гуанин – цитозин се оказаха съвсем приемливи. Природата на водородните връзки е такава, че аденинът образува двойка с тимин, а гуанинът с цитозин. Тази идея за специфично базово сдвояване направи възможно да се обясни "правилото на Чаргаф", според което във всяка ДНК молекула количеството аденин винаги е равно на съдържанието на тимин, а количеството гуанин винаги е равно на количеството на цитозин. Между аденин и тимин се образуват две водородни връзки, а между гуанин и цитозин три. Поради тази специфичност, образуването на водородни връзки срещу всеки аденин в едната верига предизвиква образуването на тимин в другата; по същия начин само цитозинът може да бъде срещу всеки гуанин. По този начин веригите са комплементарни една на друга, тоест последователността от нуклеотиди в едната верига еднозначно определя тяхната последователност в другата. Двете вериги се движат в противоположни посоки и техните крайни фосфатни групи са в противоположните краища на двойната спирала.
В резултат на своите изследвания през 1953 г. Уотсън и Крик предлагат модел на структурата на ДНК молекулата (фиг. 3), който остава актуален и до днес. Според модела молекулата на ДНК се състои от две комплементарни полинуклеотидни вериги. Всяка ДНК верига е полинуклеотид, състоящ се от няколко десетки хиляди нуклеотиди. В него съседните нуклеотиди образуват правилен пентозо-фосфатен скелет поради свързването на остатък от фосфорна киселина и силна дезоксирибоза ковалентна връзка. Азотните бази на едната полинуклеотидна верига са подредени в строго определен ред срещу азотните бази на другата. Редуването на азотни бази в полинуклеотидната верига е неправилно.
Подреждането на азотните бази в ДНК веригата е комплементарно (от гръцки „комплемент“ - добавяне), т.е. Тиминът (Т) винаги се появява срещу аденин (А) и само цитозин (С) срещу гуанин (G). Това се обяснява с факта, че A и T, както и G и C, строго съответстват един на друг, т.е. взаимно се допълват. Това съответствие се определя от химическата структура на базите, която позволява образуването на водородни връзки в двойката пурин и пиримидин. Има две връзки между A и T и три между G и C. Тези връзки осигуряват частична стабилизация на ДНК молекулата в пространството. Стабилността на двойната спирала е право пропорционална на броя G≡C връзки, които са по-стабилни в сравнение с A=T връзките.
Известната последователност на подреждане на нуклеотидите в една верига на ДНК позволява, съгласно принципа на комплементарността, да се установят нуклеотидите на друга верига.
Освен това е установено, че азотните основи с ароматна структура, в воден разтворса разположени една над друга, образувайки купчина монети. Този процес на формиране на стекове от органични молекулинаречено подреждане. Полинуклеотидните вериги на молекулата на ДНК на разглеждания модел на Watson-Crick имат подобно физикохимично състояние, техните азотни бази са подредени под формата на купчина монети, между равнините на които възникват взаимодействия на Ван дер Ваалс (взаимодействия на подреждане).
Водородни връзкимежду комплементарни бази (хоризонтално) и взаимодействието на наслагване между равнините на базите в полинуклеотидната верига, дължащо се на силите на Ван дер Ваалс (вертикално), осигурява на ДНК молекулата допълнителна стабилизация в пространството.
Захарнофосфатните гръбнаци на двете вериги са обърнати навън, а основите са обърнати навътре, една към друга. Посоката на веригите в ДНК е антипаралелна (едната от тях е с посока 5"->3", другата - 3"->5", т.е. краят 3" на едната верига е разположен срещу края на 5" на другият.). Веригите образуват десни спирали с обща ос. Един оборот на спиралата е 10 нуклеотида, размерът на оборота е 3,4 nm, височината на всеки нуклеотид е 0,34 nm, диаметърът на спиралата е 2,0 nm. В резултат на въртенето на една верига около друга се образуват голяма бразда (с диаметър около 20 Å) и малка бразда (с диаметър около 12 Å) на двойната спирала на ДНК. Тази форма на двойната спирала на Watson-Crick по-късно е наречена B-форма. В клетките ДНК обикновено съществува във форма B, която е най-стабилна.
Функции на ДНК
Предложеният модел обяснява много биологични свойства на дезоксирибонуклеиновата киселина, включително съхранението на генетична информация и разнообразието от гени, осигурени от голямо разнообразие от последователни комбинации от 4 нуклеотида и факта на съществуването на генетичен код, способността за самовъзпроизвеждане и предават генетична информация, предоставена от процеса на репликация, и внедряването на генетична информация под формата на протеини, както и всякакви други съединения, образувани с помощта на ензимни протеини.
Основни функции на ДНК.
- ДНК е носител на генетична информация, която се осигурява от факта на съществуването на генетичен код.
- Възпроизвеждане и предаване на генетична информация през поколения клетки и организми. Тази функционалност се осигурява от процеса на репликация.
- Внедряване на генетична информация под формата на протеини, както и всякакви други съединения, образувани с помощта на ензимни протеини. Тази функция се осигурява от процесите на транскрипция и транслация.
Форми на организация на двойноверижна ДНК
ДНК може да образува няколко вида двойни спирали (фиг. 4). В момента вече са известни шест форми (от A до E и Z-форма).
Структурните форми на ДНК, както установи Розалинд Франклин, зависят от наситеността на молекулата на нуклеиновата киселина с вода. При изследвания на ДНК влакна с помощта на рентгенов дифракционен анализ беше показано, че рентгеновата картина радикално зависи от относителната влажност на каква степен на насищане с вода на това влакно се провежда експериментът. Ако влакното е достатъчно наситено с вода, тогава се получава един рентгенов модел. Когато се изсуши, се появи напълно различна рентгенова картина, много различна от рентгеновата картина на влакна с висока влажност.
ДНК молекулата с висока влажност се нарича В-форма. При физиологични условия (ниска концентрация на сол, висока степен на хидратация) доминиращият структурен тип на ДНК е В-формата (основната форма на двойноверижната ДНК - моделът на Watson-Crick). Стъпката на спиралата на такава молекула е 3,4 nm. Има 10 допълващи се двойки на ход под формата на усукани купчини „монети“ - азотни основи. Купчините се държат заедно чрез водородни връзки между две противоположни „монети“ на купчините и са „навити“ от две ленти от фосфодиестерен гръбнак, усукани в дясна спирала. Равнините на азотните бази са перпендикулярни на оста на спиралата. Съседните допълващи се двойки се завъртат една спрямо друга на 36°. Диаметърът на спиралата е 20Å, като пуриновият нуклеотид заема 12Å, а пиримидиновият нуклеотид 8Å.
ДНК молекулата с по-ниска влажност се нарича А-форма. А-формата се образува при условия на по-малко висока хидратация и при по-високо съдържание на Na + или K + йони. Тази по-широка дясна конформация има 11 двойки азотни бази на ход. Площините на азотните основи имат по-силен наклон към оста на спиралата, те са отклонени от нормалата към оста на спиралата с 20°. Това предполага наличието на вътрешна кухина с диаметър 5Å. Разстоянието между съседните нуклеотиди е 0,23 nm, дължината на оборота е 2,5 nm, а диаметърът на спиралата е 2,3 nm.
Първоначално се смяташе, че A формата на ДНК е по-малко важна. По-късно обаче стана ясно, че А-формата на ДНК, както и В-формата, имат огромно биологично значение. РНК-ДНК спиралата в комплекса матрица-праймер има А-форма, както и РНК-РНК спирала и РНК фибелни структури (2'-хидроксилната група на рибозата пречи на РНК молекулите да образуват В-формата). А-формата на ДНК се намира в спорите. Установено е, че А-формата на ДНК е 10 пъти по-устойчива на UV лъчи от В-формата.
А-форма и Б-форма се наричат канонични формиДНК.
Формуляри C-Eсъщо десни, тяхното образуване може да се наблюдава само в специални експерименти и, очевидно, те не съществуват in vivo. С формата на ДНК има структура, подобна на В ДНК. Броят на базовите двойки на завъртане е 9,33, дължината на завоя на спиралата е 3,1 nm. Базовите двойки са наклонени под ъгъл от 8 градуса спрямо перпендикулярното положение спрямо оста. Жлебовете са подобни по размер на жлебовете на В-ДНК. В този случай основната бразда е малко по-плитка, а малката бразда е по-дълбока. Естествените и синтетичните ДНК полинуклеотиди могат да се трансформират в С-форма.
| Таблица 1. Характеристики на някои видове ДНК структури | |||
| Тип спирала | А | б | З |
| Спирална стъпка | 0,32 nm | 3,38 nm | 4,46 nm |
| Спираловидно усукване | вярно | вярно | Наляво |
| Брой базови двойки на ход | 11 | 10 | 12 |
| Разстояние между базовите равнини | 0,256 nm | 0,338 nm | 0,371 nm |
| Конформация на гликозидна връзка | анти | анти | анти-C грях-G |
| Конформация на фуранозния пръстен | C3"-ендо | C2"-ендо | C3"-ендо-G C2"-ендо-C |
| Ширина на канала, малка/голяма | 1,11/0,22 nm | 0,57/1,17 nm | 0,2/0,88 nm |
| Дълбочина на канала, малка/голяма | 0,26/1,30 nm | 0,82/0,85 nm | 1,38/0,37 nm |
| Диаметър на спиралата | 2,3 nm | 2,0 nm | 1,8 nm |
Структурни елементи на ДНК
(неканонични ДНК структури)
Структурните елементи на ДНК включват необичайни структури, ограничени от някои специални последователности:
|
Z-образна ДНКе открит през 1979 г. при изследване на хексануклеотида d(CG)3 -. Открит е от професора на MIT Александър Рич и колегите му. Z-образната форма се превърна в една от най-важните структурни елементиДНК поради факта, че нейното образуване се наблюдава в ДНК области, където пурините се редуват с пиримидини (например 5'-HCGC-3'), или в 5'-CHCHCH-3' повторения, съдържащи метилиран цитозин. Съществено условие за образуването и стабилизирането на Z-ДНК е наличието на пуринови нуклеотиди в нея в син конформация, редуващи се с пиримидинови бази в анти конформация.
Естествените ДНК молекули съществуват главно в дясна B-форма, освен ако не съдържат последователности като (CG)n. Въпреки това, ако такива последователности са част от ДНК, тогава тези участъци, когато йонната сила на разтвора или катионите, които неутрализират отрицателния заряд на фосфодиестерната рамка се променят, тези участъци могат да се трансформират в Z-форма, докато други участъци на ДНК в веригата остава в класическата B-форма. Възможността за такъв преход показва, че двете вериги в двойната спирала на ДНК са в динамично състояние и могат да се развиват една спрямо друга, преминавайки от дясната форма към лявата и обратно. Биологичните последици от такава лабилност, която позволява конформационни трансформации на структурата на ДНК, все още не са напълно разбрани. Смята се, че участъци от Z-ДНК играят определена роля в регулирането на експресията на определени гени и участват в генетичната рекомбинация.
Z-формата на ДНК е лява двойна спирала, в която фосфодиестерният скелет е разположен в зигзагообразен модел по протежение на оста на молекулата. Оттам и името на молекулата (зигзаг)-ДНК. Z-ДНК е най-малко усуканата (12 базови двойки на ход) и най-тънката ДНК, известна в природата. Разстоянието между съседните нуклеотиди е 0,38 nm, дължината на оборота е 4,56 nm, а диаметърът на Z-ДНК е 1,8 nm. В допълнение, външният вид на тази ДНК молекула се отличава с наличието на единична бразда.
Z формата на ДНК е открита в прокариотни и еукариотни клетки. Вече са получени антитела, които могат да разграничат Z-формата от B-формата на ДНК. Тези антитела се свързват с определени области на гигантските хромозоми на клетките на слюнчените жлези на Drosophila (Dr. melanogaster). Реакцията на свързване е лесна за наблюдение поради необичайната структура на тези хромозоми, в която по-плътните региони (дискове) контрастират с по-малко плътните региони (интердискове). Z-ДНК областите са разположени в интердисковете. От това следва, че Z-формата действително съществува в естествени условия, въпреки че размерите на отделните участъци от Z-формата все още не са известни.
(инвертори) са най-известните и често срещани базови последователности в ДНК. Палиндромът е дума или фраза, която се чете по един и същ начин отляво надясно и обратно. Примери за такива думи или фрази са: КОЛИБА, КАЗАК, НАВОДНЕНИЕ И РОЗАТА ПАДНА НА АЗОРСКАТА ЛАПА. Когато се прилага към ДНК участъци, този термин (палиндром) означава една и съща редуване на нуклеотиди по веригата от дясно на ляво и от ляво на дясно (като буквите в думата „хижа“ и т.н.).
Палиндромът се характеризира с наличието на обърнати повторения на базови последователности, които имат симетрия от втори ред спрямо две ДНК вериги. Такива последователности, по очевидни причини, са самодопълващи се и са склонни да образуват фиби или кръстовидни структури (фиг.). Фибите помагат на регулаторните протеини да разпознаят къде е копиран генетичният текст на хромозомната ДНК.
Когато на същата ДНК верига присъства обърнато повторение, последователността се нарича огледално повторение. Огледалните повторения нямат свойства на самодопълване и следователно не са способни да образуват фиби или кръстовидни структури. Последователности от този тип се намират в почти всички големи ДНК молекули и могат да варират от само няколко базови двойки до няколко хиляди базови двойки.
Наличието на палиндроми под формата на кръстовидни структури в еукариотните клетки не е доказано, въпреки че определен брой кръстовидни структури са открити in vivo в клетки на Е. coli. Наличието на самодопълващи се последователности в РНК или едноверижна ДНК е основната причина за сгъването на веригата на нуклеиновата киселина в разтворите в определена пространствена структура, характеризираща се с образуването на много "фиби".
Н-форма ДНКе спирала, образувана от три ДНК вериги - ДНК тройна спирала. Това е комплекс от двойна спирала на Watson-Crick с трета едноверижна ДНК верига, която се вписва в основната й бразда, образувайки така наречената двойка Hoogsteen.
Образуването на такъв триплекс възниква в резултат на сгъването на двойна спирала на ДНК по такъв начин, че половината от нейната секция остава под формата на двойна спирала, а другата половина се отделя. В този случай една от несвързаните спирали образува нова структура с първата половина на двойната спирала - тройна спирала, а втората се оказва неструктурирана, под формата на едноверижен участък. Особеност на този структурен преход е неговата рязка зависимост от pH на средата, чиито протони стабилизират новата структура. Поради тази особеност нова структурасе нарича Н-форма на ДНК, образуването на която е открито в свръхнавити плазмиди, съдържащи хомопурин-хомопиримидинови области, които са огледално повторение.
В по-нататъшни изследвания беше установено, че е възможно да се извърши структурен преход на някои хомопурин-хомопиримидинови двойноверижни полинуклеотиди с образуването на триверижна структура, съдържаща:
- една хомопуринова и две хомопиримидинови вериги ( Py-Pu-Py триплекс) [взаимодействие на Hoogsteen].
Съставните блокове на триплекса Py-Pu-Py са канонични изоморфни CGC+ и TAT триади. Стабилизирането на триплекса изисква протониране на CGC+ триадата, така че тези триплекси зависят от pH на разтвора.
- една хомопиримидинова и две хомопуринови вериги ( Пи-Пу-Пу триплекс) [обратно взаимодействие на Hoogsteen].
Съставните блокове на триплекса Py-Pu-Pu са канонични изоморфни CGG и TAA триади. Основно свойство на Py-Pu-Pu триплексите е зависимостта на тяхната стабилност от наличието на двойно заредени йони и са необходими различни йони за стабилизиране на триплекси с различни последователности. Тъй като образуването на Py-Pu-Pu триплекси не изисква протониране на техните съставни нуклеотиди, такива триплекси могат да съществуват при неутрално рН.
Забележка: директните и обратните взаимодействия на Hoogsteen се обясняват със симетрията на 1-метилтимин: завъртане на 180° води до това, че O2 атомът заема мястото на O4 атома, докато системата от водородни връзки се запазва.
Известни са два вида тройни спирали:
- паралелни тройни спирали, в които полярността на третата верига съвпада с полярността на хомопуриновата верига на дуплекса Watson-Crick
- антипаралелни тройни спирали, в които полярностите на третата и хомопуриновата верига са противоположни.
G-квадруплекс- 4-верижна ДНК. Тази структура се образува, ако има четири гуанина, които образуват така наречения G-квадруплекс - хоровод от четири гуанина.
Първите намеци за възможността за формиране на такива структури са получени много преди пробивната работа на Уотсън и Крик - през 1910 г. Тогава немският химик Ивар Банг открива, че един от компонентите на ДНК - гуанозиновата киселина - образува гелове при високи концентрации, докато други компоненти на ДНК нямат това свойство.
През 1962 г., използвайки метода на рентгенова дифракция, беше възможно да се установи клетъчната структура на този гел. Оказа се, че е съставен от четири гуанинови остатъка, свързващи се в кръг и образуващи характерен квадрат. В центъра връзката се поддържа от метален йон (Na, K, Mg). Същите структури могат да се образуват в ДНК, ако съдържа много гуанин. Тези плоски квадрати (G-квартети) са подредени, за да образуват доста стабилни, плътни структури (G-квадруплекси).
Четири отделни нишки на ДНК могат да бъдат вплетени в четириверижни комплекси, но това е по-скоро изключение. По-често единична верига от нуклеинова киселина просто се завързва на възел, образувайки характерни удебеления (например в краищата на хромозомите), или двойноверижна ДНК в някакъв богат на гуанин регион образува локален квадруплекс.
Съществуването на квадруплекси в краищата на хромозомите - в теломерите и в туморните промотори - е най-проучено. Все още обаче не е известна пълна картина на локализацията на такава ДНК в човешките хромозоми.
Всички тези необичайни ДНК структури в линейна форма са нестабилни в сравнение с B-формата на ДНК. Въпреки това, ДНК често съществува в кръгова форма на топологично напрежение, когато има това, което се нарича супернавиване. При тези условия лесно се образуват неканонични ДНК структури: Z-форми, „кръстове” и „фиби”, H-форми, гуанинови квадруплекси и i-мотив.
- Свръхспирална форма – забелязва се при освобождаване от клетъчното ядро, без да се уврежда пентозофосфатният скелет. Има формата на супер-усукани затворени пръстени. В свръхнавито състояние двойната спирала на ДНК е „усукана върху себе си“ поне веднъж, тоест съдържа поне един суперзавой (приема формата на фигура осем).
- Релаксирано състояние на ДНК – наблюдава се при единично прекъсване (разкъсване на една верига). В този случай суперспиралите изчезват и ДНК приема формата на затворен пръстен.
- Линейната форма на ДНК се наблюдава, когато две вериги на двойна спирала са счупени.
Третична структура на ДНК
Третична структура на ДНКсе образува в резултат на допълнително усукване в пространството на молекула с двойна спирала - нейното супернавиване. Свръхнавиването на ДНК молекулата в еукариотните клетки, за разлика от прокариотите, се извършва под формата на комплекси с протеини.
Почти цялата ДНК на еукариотите се намира в хромозомите на ядрата, но не голям бройсъдържа се в митохондриите, а в растенията - в пластидите. Основното вещество на хромозомите на еукариотните клетки (включително човешките хромозоми) е хроматинът, състоящ се от двойноверижна ДНК, хистонови и нехистонови протеини.
Хистонови хроматинови протеини
Хистони - прости протеини, съставляват до 50% от хроматина. Във всички изследвани животински и растителни клетки са открити пет основни класа хистони: H1, H2A, H2B, H3, H4, различаващи се по размер, аминокиселинен състав и заряд (винаги положителен).
Хистон H1 на бозайник се състои от единична полипептидна верига, съдържаща приблизително 215 аминокиселини; размерите на други хистони варират от 100 до 135 аминокиселини. Всички те са спирализирани и усукани в глобула с диаметър около 2,5 nm и съдържат необичайно голямо количество положително заредени аминокиселини лизин и аргинин. Хистоните могат да бъдат ацетилирани, метилирани, фосфорилирани, поли(ADP)-рибозилирани, а хистоните H2A и H2B са ковалентно свързани с убиквитин. Ролята на такива модификации във формирането на структурата и изпълнението на функциите от хистоните все още не е напълно изяснена. Предполага се, че това е способността им да взаимодействат с ДНК и да осигурят един от механизмите за регулиране на генното действие.
Хистоните взаимодействат с ДНК основно чрез йонни връзки(солни мостове), образувани между отрицателно заредените фосфатни групи на ДНК и положително заредените лизинови и аргининови остатъци на хистоните.
Нехистонови хроматинови протеини
Нехистоновите протеини, за разлика от хистоните, са много разнообразни. Изолирани са до 590 различни фракции от ДНК-свързващи нехистонови протеини. Те се наричат още киселинни протеини, тъй като тяхната структура е доминирана от киселинни аминокиселини (те са полианиони). Разнообразието от нехистонови протеини е свързано със специфична регулация на активността на хроматина. Например, ензимите, необходими за репликация и експресия на ДНК, могат да се свържат временно с хроматина. Други протеини, например тези, участващи в различни регулаторни процеси, се свързват с ДНК само в специфични тъкани или на определени етапи на диференциация. Всеки протеин е комплементарен към специфична последователност от ДНК нуклеотиди (ДНК място). Тази група включва:
- семейство специфични за място протеини цинков пръст. Всеки „цинков пръст“ разпознава специфично място, състоящо се от 5 нуклеотидни двойки.
- семейство сайт-специфични протеини - хомодимери. Фрагментът на такъв протеин в контакт с ДНК има структура спирала-завъртане-спирала.
- гел протеините с висока подвижност (HMG протеини) са група от структурни и регулаторни протеини, които са постоянно свързани с хроматина. Те имат молекулно тегло под 30 kDa и се характеризират с високо съдържание на заредени аминокиселини. Поради ниското си молекулно тегло, HMG протеините имат висока подвижност по време на електрофореза с полиакриламиден гел.
- ензими за репликация, транскрипция и възстановяване.
С участието на структурни, регулаторни протеини и ензими, участващи в синтеза на ДНК и РНК, нуклеозомната нишка се превръща в силно кондензиран комплекс от протеини и ДНК. Получената структура е 10 000 пъти по-къса от оригиналната ДНК молекула.
Хроматин
Хроматинът е комплекс от протеини с ядрена ДНК и неорганични вещества. По-голямата част от хроматина е неактивен. Съдържа плътно опакована, кондензирана ДНК. Това е хетерохроматин. Има конститутивен, генетично неактивен хроматин (сателитна ДНК), състоящ се от неекспресирани участъци, и факултативен - неактивен в редица поколения, но при определени обстоятелства способен на експресия.
Активният хроматин (еухроматин) е некондензиран, т.е. опаковани по-малко плътно. В различните клетки съдържанието му варира от 2 до 11%. В мозъчните клетки той е най-разпространен - 10-11%, в чернодробните клетки - 3-4 и бъбречните клетки - 2-3%. Отбелязва се активна транскрипция на еухроматин. В същото време неговата структурна организацияпозволява една и съща ДНК генетична информация, присъща на даден тип организъм, да се използва по различен начин в специализирани клетки.
В електронен микроскоп изображението на хроматина прилича на перли: сферични удебеления с размер около 10 nm, разделени от нишковидни мостове. Тези сферични удебеления се наричат нуклеозоми. Нуклеозомата е структурна единица на хроматина. Всяка нуклеозома съдържа 146-bp суперспирален ДНК сегмент, навит, за да образува 1,75 леви завъртания на нуклеозомно ядро. Нуклеозомното ядро е хистонов октамер, състоящ се от хистони H2A, H2B, H3 и H4, две молекули от всеки тип (фиг. 9), който изглежда като диск с диаметър 11 nm и дебелина 5,7 nm. Петият хистон, H1, не е част от нуклеозомното ядро и не участва в процеса на навиване на ДНК върху хистоновия октамер. Той контактува с ДНК на местата, където двойната спирала влиза и излиза от нуклеозомното ядро. Това са междуядрени (линкерни) участъци на ДНК, чиято дължина варира в зависимост от типа клетка от 40 до 50 нуклеотидни двойки. В резултат на това дължината на ДНК фрагмента, включен в нуклеозомите, също варира (от 186 до 196 нуклеотидни двойки).
Нуклеозомите съдържат приблизително 90% ДНК, останалото са линкери. Смята се, че нуклеозомите са фрагменти от "мълчалив" хроматин и линкерът е активен. Но нуклеозомите могат да се разгънат и да станат линейни. Разгънатите нуклеозоми вече са активен хроматин. Това ясно демонстрира зависимостта на функцията от структурата. Може да се предположи, че колкото повече хроматин се съдържа в глобуларните нуклеозоми, толкова по-малко активен е той. Очевидно в различните клетки неравномерното съотношение на хроматина в покой е свързано с броя на такива нуклеозоми.
На електронно-микроскопски снимки, в зависимост от условията на изолиране и степента на разтягане, хроматинът може да изглежда не само като дълга нишка с удебеления - "мъниста" от нуклеозоми, но и като по-къса и по-плътна фибрила (влакно) с диаметър 30 nm, чието образуване се наблюдава по време на взаимодействие хистон H1, свързан с линкерната област на ДНК и хистон H3, което води до допълнително усукване на спиралата от шест нуклеозоми на завой, за да се образува соленоид с диаметър 30 nm. В този случай хистоновият протеин може да попречи на транскрипцията на редица гени и по този начин да регулира тяхната активност.
В резултат на взаимодействията на ДНК с хистоните, описани по-горе, сегмент от двойна спирала на ДНК от 186 базови двойки със среден диаметър 2 nm и дължина 57 nm се превръща в спирала с диаметър 10 nm и дължина 5 nm. Когато тази спирала впоследствие се компресира до влакно с диаметър 30 nm, степента на кондензация се увеличава шесткратно.
В крайна сметка опаковането на ДНК дуплекс с пет хистона води до 50-кратна кондензация на ДНК. Въпреки това, дори и така висока степенкондензацията не може да обясни почти 50 000 - 100 000-кратното уплътняване на ДНК в метафазната хромозома. За съжаление, подробностите за по-нататъшното пакетиране на хроматина до метафазната хромозома все още не са известни, така че можем да разгледаме само общите характеристики на този процес.
Нива на уплътняване на ДНК в хромозомите
Всяка ДНК молекула е опакована в отделна хромозома. Човешките диплоидни клетки съдържат 46 хромозоми, които се намират в клетъчното ядро. Общата дължина на ДНК на всички хромозоми в една клетка е 1,74 m, но диаметърът на ядрото, в което са опаковани хромозомите, е милиони пъти по-малък. Такова компактно опаковане на ДНК в хромозомите и хромозомите в клетъчното ядро се осигурява от различни хистонови и нехистонови протеини, които взаимодействат в определена последователност с ДНК (виж по-горе). Уплътняването на ДНК в хромозомите прави възможно намаляването на нейните линейни размери приблизително 10 000 пъти - грубо от 5 cm до 5 микрона. Има няколко нива на уплътняване (фиг. 10).
- Двойната спирала на ДНК е отрицателно заредена молекула с диаметър 2 nm и дължина няколко cm.
- нуклеозомно ниво- хроматинът изглежда в електронен микроскоп като верига от „мъниста“ - нуклеозоми - „на нишка“. Нуклеозомата е универсална структурна единица, която се намира както в еухроматина, така и в хетерохроматина, в интерфазното ядро и метафазните хромозоми.
Нивото на уплътняване на нуклеозомите се осигурява от специални протеини - хистони. Осем положително заредени хистонови домена образуват сърцевината на нуклеозомата, около която е навита отрицателно заредена ДНК молекула. Това дава скъсяване от 7 пъти, докато диаметърът се увеличава от 2 до 11 nm.
- ниво на соленоид
Соленоидното ниво на хромозомна организация се характеризира с усукване на нуклеозомната нишка и образуването на по-дебели фибрили с диаметър 20-35 nm - соленоиди или супербиди. Стъпката на соленоида е около 6-10 нуклеозоми на оборот. Соленоидното опаковане се счита за по-вероятно от супербидното опаковане, според което хроматинова фибрила с диаметър 20-35 nm е верига от гранули или супербиди, всяка от които се състои от осем нуклеозоми. На ниво соленоид линейният размер на ДНК се намалява 6-10 пъти, диаметърът се увеличава до 30 nm.
- ниво на цикъл
Нивото на бримка се осигурява от нехистонов сайт-специфични ДНК-свързващи протеини, които разпознават и се свързват със специфични ДНК последователности, образувайки бримки от приблизително 30-300 kb. Примката осигурява генна експресия, т.е. примката е не само структурна, но и функционална формация. Скъсяването на това ниво се случва 20-30 пъти. Диаметърът нараства до 300 nm. В цитологичните препарати могат да се видят структури с форма на бримка като „четки за лампи“ в ооцити на земноводни. Тези бримки изглеждат свръхнавити и представляват ДНК домейни, вероятно съответстващи на единици на транскрипция и хроматинова репликация. Специфични протеини фиксират основите на бримките и, вероятно, някои от техните вътрешни секции. Подобната на бримка организация на домен насърчава сгъването на хроматина в метафазните хромозоми в спираловидни структурипо-високи поръчки.
- ниво на домейн
Нивото на домейна на хромозомната организация не е достатъчно проучено. На това ниво се отбелязва образуването на бримкови домени - структури от нишки (фибрили) с дебелина 25-30 nm, които съдържат 60% протеин, 35% ДНК и 5% РНК и са практически невидими във всички фази клетъчен цикълс изключение на митозата и са донякъде произволно разпределени в клетъчното ядро. В цитологичните препарати могат да се видят структури с форма на бримка като „четки за лампи“ в ооцити на земноводни.
Примковите домейни са прикрепени в основата си към интрануклеарната протеинова матрица в така наречените вградени места за прикрепване, често наричани MAR/SAR последователности (MAR, от англ. matrix associated region; SAR, от англ. scaffold attachment regions) - ДНК фрагменти с дължина няколкостотин базови двойки, които се характеризират с високо съдържание (>65%) на A/T нуклеотидни двойки. Изглежда, че всеки домейн има един източник на репликация и функционира като автономна суперспирална единица. Всеки домейн с цикъл съдържа много транскрипционни единици, чието функциониране вероятно е координирано - целият домейн е или в активно, или в неактивно състояние.
На ниво домейн, в резултат на последователно опаковане на хроматин, се получава намаляване на линейните размери на ДНК приблизително 200 пъти (700 nm).
- хромозомно ниво
На хромозомно ниво се получава кондензация на профазната хромозома в метафазната хромозома с уплътняване на бримкови домени около аксиалната рамка на нехистонови протеини. Това супернавиване е придружено от фосфорилиране на всички H1 молекули в клетката. В резултат на това метафазната хромозома може да бъде изобразена като плътно опаковани соленоидни бримки, навити в стегната спирала. Типичната човешка хромозома може да съдържа до 2600 бримки. Дебелината на такава структура достига 1400 nm (две хроматиди), а молекулата на ДНК се скъсява 104 пъти, т.е. от 5 cm разтеглена ДНК до 5 µm.
Функции на хромозомите
Във взаимодействие с екстрахромозомни механизми, хромозомите осигуряват
- съхранение на наследствена информация
- използване на тази информация за създаване и поддържане на клетъчна организация
- регулиране на четенето на наследствена информация
- самодублиране на генетичен материал
- трансфер на генетичен материал от майчината клетка към дъщерните клетки.
Има доказателства, че когато се активира област от хроматин, т.е. по време на транскрипцията, първо хистон H1 и след това хистоновият октет се отстраняват обратимо от него. Това причинява декондензация на хроматина, последователен преход на 30-nm хроматинова фибрила в 10-nm фибрила и по-нататъшното му разгъване в участъци от свободна ДНК, т.е. загуба на нуклеозомна структура.
ДНК молекула - таен източник на данни за живота
Напредъкът на науката не оставя съмнение, че живите същества имат изключително сложна структура и твърде съвършена организация, чиято поява не може да се счита за случайност. Това е показателно за факта, че живите същества са създадени от Всемогъщ Създател, който има върховно знание. Наскоро, например, с обяснението на перфектната структура на човешкия ген, което се превърна в важна задача на проекта за човешкия геном, уникалното Божие творение отново се появи на публичен показ.
От Съединените щати до Китай учени от цял свят се опитват близо десетилетие да дешифрират 3-те милиарда химически букви в молекулата на ДНК и да определят тяхната последователност. В резултат на това 85% от данните, съдържащи се в ДНК молекулата на човешките същества, могат да бъдат секвенирани. Въпреки че това развитие е вълнуващо и важно, д-р Франсис Колинс, който ръководи проекта за човешкия геном, казва, че разбирането на структурата на ДНК молекулата и дешифрирането на информацията е само първата стъпка.
За да разберем защо декодирането на тази информация отнема толкова време, трябва да разберем естеството на информацията, съхранявана в структурата на ДНК молекулата.
Тайната структура на ДНК молекулата
При производството на технологичен продукт или при управлението на фабрика най-използваните инструменти са опитът и натрупването на знания, придобити в продължение на много векове.
Как една невидима за окото верига, състояща се от атоми, събрани под формата на писти, с размер една милиардна от милиметъра, може да има такъв капацитет за информация и памет?
Към този въпрос се добавя следното: ако всяка от 100-те трилиона клетки в тялото ви знае един милион страници информация наизуст, колко енциклопедични страници можете да направите, колкото сте умни и съзнателен човекпомниш до края на живота си? Най-важното е клетката да използва тази информация безупречно, изключително планирано и координирано, на точните места и никога да не греши. Още преди човек да се роди, неговите клетки вече са започнали процеса на неговото създаване.
Почти всеки е чувал за съществуването на ДНК молекули в живите клетки и знае, че тази молекула е отговорна за предаването на наследствена информация. Огромен брой различни филми, в една или друга степен, изграждат сюжетите си върху свойствата на малка, но горда, много важна молекула.
Въпреки това, малко хора могат дори грубо да обяснят какво точно е включено в молекулата на ДНК и как протичат процесите на разчитане на цялата тази информация за „структурата на целия организъм“. Малко хора могат да прочетат „дезоксирибонуклеинова киселина“ без колебание.
Нека се опитаме да разберем от какво се състои и как изглежда най-важната молекула за всеки от нас.
Структурата на структурна единица - нуклеотид
Молекулата на ДНК съдържа много структурни единици, тъй като е биополимер. Полимерът е макромолекула, която се състои от множество малки, последователно свързани повтарящи се фрагменти. Точно както веригата е съставена от брънки.
Структурната единица на макромолекулата на ДНК е нуклеотид. Нуклеотидите на ДНК молекулата съдържат остатъци от три вещества - ортофосфорна киселина, захарид (дезоксирибоза) и една от четирите възможни азотсъдържащи бази.
Молекулата на ДНК съдържа азотни основи: аденин (А), гуанин (G), цитозин (С) и тимин (Т).
Съставът на нуклеотидната верига се отразява от редуването на включените в нея бази: -AAGCGTTAGCACGT- и др. Последователността може да бъде всяка. Така се образува една единствена верига на ДНК.
Спирализация на молекула. Феноменът на взаимното допълване
Размерът на човешката ДНК молекула е чудовищно огромен (в мащаба на другите молекули, разбира се)! Геномът на една клетка (46 хромозоми) съдържа приблизително 3,1 милиарда нуклеотидни двойки. Дължината на една ДНК верига, съставена от толкова много връзки, е приблизително два метра. Трудно е да си представим как такава обемиста молекула може да бъде поставена в малка клетка.
Но природата се е погрижила за по-компактно опаковане и защита на генома му – двете вериги са свързани помежду си с азотни основи и образуват добре познатата двойна спирала. Така е възможно да се намали дължината на молекулата почти шест пъти.
Редът на взаимодействие на азотните основи е строго определен от явлението на комплементарност. Аденинът може да се свърже само с тимина, докато цитозинът може да се свърже само с гуанина. Тези допълващи се двойки пасват заедно като ключ и ключалка, като парчета от пъзел.
Сега нека изчислим колко памет в компютъра (или на флашка) трябва да заема цялата информация за тази малка (в мащаба на нашия свят) молекула. Броят на нуклеотидните двойки е 3,1x10 9. Има общо 4 стойности, което означава, че 2 бита информация (2 2 стойности) са достатъчни за една двойка. Умножаваме всичко това едно по друго и получаваме 6200000000 бита, или 775000000 байта, или 775000 килобайта, или 775 мегабайта. Което приблизително съответства на капацитета на CD или обема на 40-минутен филмов епизод със средно качество.
Образуване на хромозоми. Определяне на човешкия геном
В допълнение към спирализацията, молекулата многократно се подлага на уплътняване. Двойната спирала започва да се усуква като кълбо конец – този процес се нарича супернавиване и се осъществява с помощта на специален протеин хистон, върху който веригата се навива като макара.
Този процес скъсява дължината на молекулата с още 25-30 пъти. Подложена на още няколко нива на опаковане, ставайки все по-компактна, една ДНК молекула, заедно със спомагателни протеини, образува хромозома.
Цялата информация, която се отнася до формата, външния вид и функционирането на нашето тяло, се определя от набор от гени. Генът е строго определен участък от ДНК молекула. Състои се от непроменена последователност от нуклеотиди. Освен това генът е строго определен не само от състава си, но и от позицията си спрямо други участъци от веригата.
Рибонуклеинова киселина и нейната роля в протеиновия синтез
Освен ДНК съществуват и други видове нуклеинови киселини – матрична, трансферна и рибозомна РНК (рибонуклеинова киселина). Веригите на РНК са много по-малки и по-къси, благодарение на което успяват да проникнат през ядрената мембрана.
Молекулата на РНК също е биополимер. Неговите структурни фрагменти са подобни на тези, които изграждат ДНК, с малко изключение на захарида (рибоза вместо дезоксирибоза). Има четири вида азотни основи: познатите A, G, C и урацил (U) вместо тимин. Снимката по-горе ясно показва всичко това.
Макромолекулата на ДНК е способна да предава информация на РНК в размотана форма. Развиването на спиралата става с помощта на специален ензим, който разделя двойната спирала на отделни вериги - подобно на разделяне на половинки на цип.
В същото време, успоредно на ДНК веригата, се създава комплементарна РНК верига. След като копира информацията и влезе в клетъчната среда от ядрото, веригата на РНК инициира процесите на синтез на протеина, кодиран от гена. Синтезът на протеини се извършва в специални клетъчни органели - рибозоми.
Рибозомата, докато чете веригата, определя в каква последователност трябва да се свържат аминокиселините, една след друга - докато чете информацията в РНК. След това синтезираната верига от аминокиселини придобива специфична 3D форма.
Тази обемиста структурна молекула е протеин, способен да изпълнява кодираните функции на ензими, хормони, рецептори и строителен материал.
заключения
За всяко живо същество протеинът е крайният продукт на всеки ген. Именно протеините определят цялото многообразие от форми, свойства и качества, които са криптирани в нашите клетки.
Уважаеми читатели на блогове, знаете ли къде е ДНК, оставете коментари или отзиви за това, което искате да знаете. Това ще бъде много полезно за някого!
Дезоксирибонуклеинови киселини (ДНК), силно полимерни естествени съединения, открити в клетъчните ядра на живи организми; Заедно с хистоновите протеини те образуват веществото на хромозомите. ДНК е носител на генетична информация; нейните отделни участъци съответстват на определени гени. Молекулата на ДНК се състои от 2 полинуклеотидни вериги, усукани една около друга в спирала. Веригите са изградени от голям брой 4 вида мономери – нуклеотиди, чиято специфичност се определя от една от 4-те азотни бази (аденин, гуанин, цитозин, тимин). Комбинации от три съседни нуклеотида в ДНК верига (триплети или кодони) съставляват генетичния код. Нарушенията на нуклеотидната последователност в ДНК веригата водят до наследствени промени в организма - мутации. ДНК се възпроизвежда точно по време на клетъчното делене, което осигурява предаването на наследствени характеристики и специфични форми на метаболизъм през поредица от поколения клетки и организми.
Дезоксирибонуклеинови киселини (ДНК), нуклеинови киселини, съдържащи дезоксирибоза като въглехидратен компонент. ДНК е основният компонент на хромозомите на всички живи организми; той представлява гените на всички про- и еукариоти, както и геномите на много вируси. В нуклеотидната последователност на ДНК е записана (кодирана) генетична информация за всички характеристики на вида и характеристиките на индивида (индивида) - неговия генотип. ДНК регулира биосинтезата на клетъчните и тъканните компоненти и определя дейността на организма през целия му живот.
История на откриването и изследването на ДНК
Още в средата на 19 век е установено, че способността за наследяване на определени характеристики на организмите е свързана с материала, съдържащ се в клетъчното ядро. През 1868-72г. Швейцарският биохимик I. F. Miescher изолира вещество от клетките на гной (левкоцити) и сперматозоиди от сьомга, което той нарече нуклеин и по-късно получи името дезоксирибонуклеинова киселина.
В края на 19 - началото на 20 век. Благодарение на работата на L. Kessel, P. Levene, E. Fischer и други беше установено, че ДНК молекулите са линейни полимерни вериги, състоящи се от много хиляди мономери, свързани помежду си - дезоксирибонуклеотиди от четири вида. Тези нуклеотиди се образуват от петвъглеродните захарни остатъци на дезоксирибозата, фосфорната киселина и една от четирите азотни основи: пурините - аденин и гуанин и пиримидините - цитозин и тимин. За обозначаване на бази те започнаха да използват началните букви на имената си на английски или руски (на руски научна литература) език: съответно A, G (G), C (C) и T.
Дълго време се смяташе, че ДНК се намира само в животински клетки, до 30-те години на миналия век. Руският биохимик А. Н. Белозерски не показа, че ДНК е основен компонент на всички живи клетки. Първите доказателства за генетичната роля на ДНК (като субстанция на наследствеността) са получени през 1944 г. от група американски учени (О. Ейвъри и др.), които в експерименти с бактерии недвусмислено установяват, че с нейна помощ се унаследява черта. може да се прехвърля от една клетка в друга.
Към средата на 20в. Работата на английски учени (А. Тод и др.) окончателно изясни структурата на нуклеотидите, които служат като мономерни единици в молекулата на ДНК, и вида на междунуклеотидната връзка. Всички нуклеотиди са свързани помежду си чрез 3"-, 5"-фосфодиестерна връзка по такъв начин, че остатъкът от фосфорна киселина служи като връзка между 3"-въглеродния дезоксирибозен атом на един нуклеотид и 5"-въглеродния дезоксирибозен атом на друг нуклеотид. Въз основа на това 3" края и 5" края на молекулата се разграничават във всяка ДНК верига.
ДНК структура. Откриването на "двойната спирала"
През 1950 г. американският биохимик Е. Чаргаф открива значителни разлики в нуклеотидния състав на ДНК от различни източници. Освен това се оказа, че съставът на нуклеотидите в ДНК молекулата се подчинява на редица закономерности, основните от които са равенството на общия брой пуринови и пиримидинови бази и равенството на количествата аденин и тинин (A-T) и гуанин и цитозин (G-C). През 1953 г. американският биохимик Дж. Уотсън и английският физик Ф. Крик, въз основа на рентгенов структурен анализ на ДНК кристали (лаборатория М. Уилкинс) и въз основа на данните на Чаргаф, предложиха триизмерен модел на неговата структура. Според този модел ДНК молекулите са две десни полинуклеотидни вериги или двойна спирала, усукана около обща ос. Има приблизително 10 нуклеотидни остатъка на завъртане на спиралата. Веригите в тази двойна спирала са антипаралелни, тоест насочени в противоположни посоки, така че 3" края на едната верига е разположен срещу 5" края на другата.
Гръбнаците на веригите се образуват от дезоксирибозни остатъци и отрицателно заредени фосфатни групи. Те са разположени от външната страна на двойната спирала (с лице към повърхността на молекулата). Слабо разтворимите във вода (хидрофобни) пуринови и пиримидинови бази на двете вериги са ориентирани навътре и разположени перпендикулярно на оста на двойната спирала.
Антипаралелните полинуклеотидни вериги на двойната спирала на ДНК не са идентични нито по базова последователност, нито по нуклеотиден състав. Те обаче са взаимно допълващи се: където и да се появи аденин в една верига, срещу него в другата верига определено ще има тимин, а срещу гуанин в една верига определено ще има цитозин от другата верига. Това означава, че последователността от бази в една верига еднозначно определя последователността от бази в другата (комплементарна) верига на молекулата. Освен това тези базови двойки образуват водородни връзки помежду си (има три връзки в G-C двойкаи две - между A-T). Водородните връзки и хидрофобните взаимодействия играят роля Главна роляза стабилизиране на двойната спирала на ДНК.
Нагряването, значителните промени в pH и редица други фактори причиняват денатурация на ДНК молекулата, което води до разделяне на нейните вериги. При определени условия е възможно напълно да се възстанови оригиналната (нативна) структура на ДНК молекулата, нейната ренатурация. Способността на комплементарните ДНК вериги лесно да се разделят и след това отново да възстановят оригиналната структура е в основата на самовъзпроизвеждането на ДНК молекулата, нейната репликация (удвояване): ако две комплементарни ДНК вериги се разделят и след това върху всяка, като върху матрица, се изграждат нови вериги, които са строго комплементарни към тях, тогава двете новообразувани молекули ще бъдат идентични с оригиналната. Откриването на този принцип позволи молекулярно нивообяснете явлението наследственост.
Прилики и разлики в структурата на естествената ДНК. Размери
Почти цялата естествена ДНК се състои от две вериги (изключение прави едноверижната ДНК на някои вируси). В този случай ДНК може да има линейна форма или кръгла форма (когато краищата на молекулата са ковалентно затворени). В прокариотните клетки ДНК е организирана в една хромозома (нуклеоид) и е представена от една кръгова макромолекула с молекулно теглоповече от 10. В допълнение, клетките на някои бактерии съдържат един или повече плазмиди - малки кръгови ДНК молекули, които не са свързани с хромозомата. При еукариотите по-голямата част от ДНК се намира в клетъчното ядро като част от хромозомите (ядрена ДНК). Всяка еукариотна хромозома съдържа само една линейна ДНК молекула, но тъй като всички еукариотни клетки (с изключение на половите клетки) съдържат двоен набор от хомоложни хромозоми, ДНК е представена от две неидентични копия, получени от тялото от бащата и майката по време на сливането на половите клетки. Молекулното тегло на еукариотната ДНК е по-високо от това на прокариотната ДНК (например в една от хромозомите на плодовата муха Drosophila то достига 7,9 x 1010). Освен това митохондриите и хлоропластите съдържат кръгови ДНК молекули с молекулно тегло 106-107. ДНК на тези органели се нарича цитоплазмена; съставлява приблизително 0,1% от цялата клетъчна ДНК.
Размерите на ДНК молекулите обикновено се изразяват чрез броя на нуклеотидите, които ги образуват. Тези размери варират от няколко хиляди нуклеотидни двойки в бактериалните плазмиди и някои вируси до много стотици хиляди нуклеотидни двойки във висшите организми. Такива гигантски молекули трябва да бъдат изключително компактно опаковани в клетките и вирусите. Например дължината на ДНК нуклеотида на Escherichia coli, състоящ се от приблизително четири милиона нуклеотидни двойки, е 1,4 mm, което е 700 пъти повече от размера на самата бактериална клетка. Общата дължина на цялата ДНК в една човешка клетка е приблизително 2 m. Ако вземем предвид, че тялото на възрастен човек се състои от приблизително 1013 клетки, тогава общата дължина на цялата човешка ДНК трябва да бъде около 2x1013 m, или 2x1010 km ( за сравнение: обиколката на земното кълбо е 4х104 км, а разстоянието от Земята до Слънцето е 1,44х108 км). Как става опаковането на гигантски ДНК молекули в малък обем на клетка или вирус? Двойната спирала на ДНК не е абсолютно твърда, което прави възможно образуването на прегъвания, бримки, суперспирални структури и т.н. В бактериалния нуклеоид такова сгъване се поддържа от малък брой специални протеини и, вероятно, рибонуклеинови киселини. В еукариотните клетки с помощта на универсален набор от основни хистонови протеини и някои нехистонови протеини ДНК се превръща в много компактна формация - хроматин, който е основният компонент на хромозомите. Например, дължината на ДНК на най-голямата човешка хромозома е 8 см, а като част от хромозомата, поради опаковката, тя не надвишава 8 nm.
Отделни участъци от ДНК, кодиращи първичната структура на протеин (полипептид) и РНК, се наричат гени. Наследствената информация се записва в линейна последователност от нуклеотиди. При различните организми тя е строго индивидуална и служи като най-важната характеристика, която отличава една ДНК молекула от друга и съответно един ген от друг. Животните от различни видове се различават помежду си, тъй като ДНК молекулите на техните клетки имат различни нуклеотидни последователности, тоест носят различна информация.
ДНК биосинтеза
Биосинтезата на ДНК се осъществява чрез репликация, която осигурява точно копиране на генетичната информация и нейното предаване от поколение на поколение. Този процес протича с участието на ензима ДНК полимераза. Молекула на едноверижна (едноверижна) рибонуклеинова киселина (РНК) може също да служи като матрица за синтеза на ДНК, което се случва например, когато клетките са заразени с ретровируси (включително вируса на СПИН). Жизненият цикъл на тези вируси включва обратен поток от информация – от РНК към ДНК. В този случай допълнителното копиране на РНК в ДНК се извършва с помощта на ензима обратна транскриптаза. По време на живота на организмите тяхната ДНК под въздействието на външни фактори може да бъде подложена на различни повреди (мутации), свързани с нарушаване на структурата на азотните основи. По време на еволюцията клетките са развили защитни механизми, които осигуряват възстановяването на първоначалната й структура – възстановяване на ДНК.
Разработени са ефективни методи за определяне на последователността на нуклеотидите в ДНК молекулите, благодарение на които е натрупана богата информация за нейната първична структура в гените на много вируси, някои митохондрии и хлоропласти, както и отделни гени и фрагменти от големи геноми. Напълно е определена нуклеотидната последователност на ДНК на дрожди и нематодни червеи (150 милиона нуклеотидни двойки). В рамките на международната програма „Човешки геном“ до голяма степен е завършено установяването на нуклеотидната последователност на цялата ДНК в човешкия геном (3 милиарда нуклеотидни двойки).
Познаването на последователността на редуващи се нуклеотиди в ДНК молекулата е важно при анализиране на човешки наследствени заболявания, при изолиране на отделни гени и други функционално важни участъци от ДНК; позволява с помощта на генетичния код да се установи точно първичната структура на протеини, кодирани от определени гени. Информацията за първичната структура на ДНК се използва широко в генното инженерство за създаване на рекомбинантна ДНК - молекули с определени свойства, включително компоненти на ДНК от различни организми.
