Состав, строение и биологическая роль ДНК

У вирусов, а также в митохондриях 1-цепочечная ДНК, в остальных клетках – 2-цепочечная, у прокариотов – 2-цепочечная кольцевая.

Состав ДНК – соблюдается строгое соотношение азотистых оснований в 2 цепях ДНК, которые определяются Правилами Чаргафа.

Правила Чаргафа:

1. Количество комплементарных азотистых оснований равно (А=Т, Г=Ц).
2. Молярная доля пуринов равна молярной доле пиримидинов (А+Г=Т+Ц).
3. Число 6-кетооснований равно числу 6-аминооснований.
4. Соотношение Г+Ц/ А+Т – коэффициент видовой специфичности. Для животных и растительных клеток < 1, у микроорганизмов колеблется от 0, 45 до 2, 57.

У микроорганизмов преобладает ГЦ-тип, АТ-тип характерен для позвоночных, беспозвоночных и растительных клеток.

Первичная структура – 2 полинуклеотидные, антипараллельные цепочки (см. первичную структуру НК).

Вторичная структура – представлена 2-цепочечной спиралью, внутри которой комплементарные азотистые основания уложены в виде «стопок монет». Вторичная структура удерживается за счет связей 2 типов:

• водородных – они действуют по горизонтали, между комплементарными азотистыми основаниями (между А и Т 2 связи, между Г и Ц – 3),
• силы гидрофобного взаимодействия – эти связи возникают между заместителями азотистых оснований и действуют по вертикали.

Вторичная структура характеризуется:

• количеством нуклеотидов в спирали,
• диаметром спирали, шагом спирали,
• расстоянием между плоскостями, образуемыми парой комплементарных оснований.

Известно 6 конформаций вторичной структуры, которые обозначаются заглавными буквами латинского алфавита: A, B, C, D, E и Z. А, В и Z конформации типичны для клеток, остальные – для бесклеточных систем (например, в пробирке). Эти конформации отличаются основными параметрами, возможен взаимный переход. Состояние конформации во многом зависит:

• от физиологического состояния клетки,
• рН среды,
• ионной силы раствора,
• действия различных регуляторных белков и др.

Например, В- конфомацию ДНК принимает во время деления клетки и удвоения ДНК, А-конформацию – во время транскрипции. Z-структура является левозакрученной, остальные – правозакрученные. Z-струк-тура может встречаться и в клетке на участках ДНК, где повторяются динуклеотидные последовательности Г-Ц.

Впервые вторичная структура математически была рассчитана и смоделирована Уотсоном и Криком (1953 г.), за что они получили Нобелевскую премию, как оказалось впоследствии, представленная ими модель соответствует В-конформации.

Основные ее параметры:

• 10 нуклеотидов в витке,
• диаметр спирали 2 нм,
• шаг спирали 3, 4 нм,
• расстояние между плоскостями оснований 0, 34 нм,
• правозакрученная.

При формировании вторичной структуры формируется 2 вида бороздок – большая и малая (соответственно шириной 2, 2 и 1, 2 нм). Большие бороздки играют важную роль в функционировании ДНК, так как к ним присоединяются регуляторные белки, имеющие в качестве домена «цинковые пальцы».

 

Третичная структура – у прокариотов суперспираль, у эукариотов, и человека в том числе, имеет несколько уровней укладки:

• нуклеосомный,
• фибриллярный (или соленоидный),
• хроматиновое волокно,
• петельный (или доменный),
• супердоменный (именно этот уровень можно видеть в электронном микроскопе в виде поперечной исчерченности).

Нуклеосомный. Нуклеосома (открыта в 1974 г.) представляет собой частицу дисководной формы, диаметр 11 нм, которая состоит из гистонового октамера, вокруг которого двухцепочечная ДНК делает 2 неполных витка (1, 75 витка).

Гистоны – низкомолекулярные белки, содержат по 105-135 амино-кислотных остатков, в гистоне Н1 – 220 аминокислотных остатков, до 30% приходится на долю лиз и арг.

Гистоновый октамер называют кором. Он состоит из центрального тетрамера Н3₂-Н4₂ и двух димеров Н2А-Н2В. Эти 2 димера стабилизируют структуру и прочно связывают 2 полувитка ДНК. Расстояние между нуклеосомами называется линкером, в котором может содержаться до 80 нукклеотидов. Гистон Н1 препятствует раскручиванию ДНК вокруг кора и обеспечивает уменьшение расстояния между нуклеосомами, т. е. участвует в формировании фибриллллы (2-го уровня укладки третичной структуры).

При скручивании фибриллы формируется хроматиновое волокно (3-й уровень), при этом в одном витке обычно содержится 6-г нуклеосом, диаметр такой структуры увеличивается до 30 нм.

В интерфазных хромосомах хроматиновые волокна организованы в домены, или петли, состоящие из 35-150 тыс пар оснований и заякоренные на внутриядерном матриксе. В формировании петель принимают участие ДНК-связывающие белки.

Супердоменный уровень образуют до 100 петель, в этих участках хромосомы в электронном микроскопе хорошо заметны конденсированные плотно упакованные участки ДНК.

Благодаря такой укладке ДНК компактно уложена. Ее длина сокращается в 10 000 раз. В результате упаковки ДНК связывается с гистонами и другими белками, образуя нуклеопротеиновый комплекс в виде хроматина.

Биологическая роль ДНК:

• хранение и передача генетической информации,
• контроль деления и функционирования клетки,
• генетический контроль запрограммированной гибели клетки.

В состав хроматина входят ДНК (30% от всей массы хроматина), РНК (10%) и белки (гистоновые и негистоновые)