Дезоксирибонуклеїнова кислота – ДНК – служить носієм спадкової інформації, що передається живими організмами наступним поколінням, і матрицею для будівництва білків і різних регуляторних факторів, потрібних організму в процесах росту і життєдіяльності. У цій статті ми зупинимося на те, якими бувають найбільш поширені форми структури ДНК. Також ми звернемо увагу на те, як будуються ці форми і в якому вигляді ДНК перебуває усередині живої клітини.
Рівні організації молекули ДНК
Розрізняють чотири рівня, що визначають будову та морфологію цієї гігантської молекули:
- Первинний рівень, або структура – це порядок нуклеотидів у ланцюзі.
- Вторинна структура являє собою знамениту «подвійну спіраль». Устоялося саме це словосполучення, хоча насправді подібна структура нагадує гвинт.
- Третинна структура утворюється внаслідок того, що між окремими ділянками дволанцюжкової закрученої нитки ДНК виникають слабкі водневі зв’язки, надають молекулі складну просторову конформацію.
- Четвертинна структура – це вже складний комплекс ДНК з деякими білками і РНК. У такій конфігурації ДНК упакована в хромосоми в ядрі клітини.
Первинна структура: компоненти ДНК
Блоками, з яких будується макромолекула дезоксирибонуклеїнової кислоти, є нуклеотиди, що представляють собою сполуки, до складу кожного з яких входять:
- азотисту основу – аденін, гуанін, тимін або цитозин. Аденін і гуанін відносяться до групи пуринових підстав, цитозин і тимін – піримідинових;
- пятиуглеродный моносахарид дезоксирибоза;
- залишок ортофосфорної кислоти.
При утворенні полінуклеотидного ланцюга важливу роль відіграє порядок груп, утворених атомами вуглецю в кільцевої молекули цукру. Фосфатний залишок в нуклеотиді з’єднаний з 5′-групою (читається “п’ять прайм”) дезоксирибозы, тобто з п’ятим атомом вуглецю. Нарощування ланцюга відбувається шляхом приєднання до вільної 3′-групі дезоксирибозы фосфатного залишку наступного нуклеотиду.
Таким чином, первинна структура ДНК у формі полінуклеотидного ланцюга – має 3′- і 5′-кінці. Це властивість молекули ДНК називається полярністю: синтез ланцюга може йти тільки в одному напрямку.
Утворення вторинної структури
Наступний крок у структурної організації ДНК базується на принципі компліментарності азотистих основ – їх здатності попарно з’єднуватися один з одним за допомогою водневих зв’язків. Комплементарність – взаємна відповідність – виникає з тієї причини, що аденін і тимін утворюють подвійну зв’язок, а гуанін і цитозин – потрійну. Тому при формуванні подвійної ланцюга ці підстави стають один навпроти одного, утворюючи відповідні пари.
Полинуклеотидные послідовності розташовуються у вторинній структурі антипараллельно. Так, якщо одна з ланок має вигляд 3′ – АГГЦАТАА – 5′, то протилежна буде виглядати наступним чином: 3′ – ТТАТГЦЦТ – 5′.
При утворенні молекули ДНК відбувається закручування здвоєною полінуклеотидного ланцюга, причому від концентрації солей, від водонасичення, від будови самої макромолекули залежить, які форми може приймати ДНК на даної структурної ступені. Відомо кілька таких форм, що позначаються латинськими буквами A, B, C, D, E, Z.
Конфігурації C, D і E не зустрінуті в живій природі і спостерігалися тільки в лабораторних умовах. Ми розглянемо основні форми ДНК: так звані канонічні A і B, а також конфігурацію Z.
А-ДНК – суха молекула
А-форма – це правий гвинт з 11 комплементарними парами основ у кожному витку. Діаметр його становить 2,3 нм, а довжина одного витка спіралі – 2,5 нм. Площини, утворені спареними підставами, мають нахил 20° по відношенню до осі молекули. Сусідні нуклеотиди розташовані в ланцюжках компактно – між ними всього 0,23 нм.
Така форма ДНК виникає при низькій гідратації і при підвищеній іонної концентрації натрію і калію. Вона характерна для процесів, в яких ДНК утворює комплекс з РНК, оскільки остання не здатна приймати інші форми. Крім того, А-форма дуже стійка до ультрафіолетового опромінення. У цій конфігурації дезоксирибонуклеїнова кислота міститься в грибних суперечках.
Волога B-ДНК
При малому вмісті солей і високого ступеня гідратації, тобто у нормальних фізіологічних умовах, ДНК приймає свою головну форму B. Природні молекули існують, як правило, У формі. Саме вона лежить в основі класичної моделі Уотсона-Крика і частіше всього зображується на ілюстраціях.
Даній формі (вона також правозакрученная) властива менша компактність розміщення нуклеотидів (0,33 нм) і великий крок гвинта (3,3 нм). Один виток містить 10,5 пари підстав, поворот кожної з них щодо попередньої становить близько 36°. Площині пар майже перпендикулярні осі «подвійної спіралі». Діаметр такої здвоєною ланцюжка менше, ніж у А-форми – він досягає тільки 2 нм.
Неканонічна Z-ДНК
На відміну від канонічних ДНК, молекула типу Z являє собою левозакрученный гвинт. Вона найтонша з усіх, має діаметр всього 1,8 нм. Витки її довжиною 4,5 нм як би витягнуті; ця форма ДНК містить 12 спарених підстав на кожен виток. Відстань між сусідніми нуклеотидами також досить велико – 0,38 нм. Так що Z-форма характеризується найменшим ступенем скрученості.
Утворюється вона із конфігурації B-типу на тих дільницях, де у складі нуклеотидної послідовності чергуються пуринові і пиримидиновые підстави, при зміні вмісту іонів у розчині. Формування Z-ДНК пов’язано з біологічною активністю і є дуже короткочасним процесом. Подібна форма нестабільна, що створює труднощі при дослідженні її функцій. Поки що вони в точності не ясні.
Реплікація ДНК та її будова
І первинна, і вторинна структури ДНК виникають в ході явища, званого реплікацією – освіти з материнської макромолекули двох ідентичних їй «подвійних спіралей». При реплікації вихідна молекула расплетается, і на звільнених одиночних ланцюжках відбувається нарощування комплементарних підстав. Оскільки половинки ДНК антипараллельны, цей процес протікає на них у різних напрямках: по відношенню до материнських ланцюжках від 3′-кінця до 5′-кінця, тобто нові ланцюжки ростуть в напрямку 5′ → 3′. Лідируюча ланцюг синтезується безперервно в бік репликационной вилки; на відстаючої ланцюга синтез здійснюється від вилки окремими ділянками (фрагменти Оказакі), які потім зшиває між собою особливий фермент ДНК-лигаза.
Поки триває синтез, вже сформовані кінці дочірніх молекул зазнають гвинтоподібне закручування. Потім, ще до закінчення реплікації новонароджені молекули починають утворювати третинну структуру в процесі, іменованому сверхспирализацией.
Суперскрученная молекула
Сверхспирализованная форма ДНК виникає, коли двухцепочечная молекула здійснює додаткове закручування. Воно може бути направлено за годинниковою стрілкою (позитивно) або проти (в цьому випадку говорять про негативну сверхспирализации). ДНК більшості організмів суперскручена негативно, тобто проти основних витків «подвійної спіралі».
В результаті утворення додаткових петель – супервитков – ДНК набуває складну просторову конфігурацію. У клітинах еукаріот цей процес відбувається з формуванням комплексів, в яких ДНК негативно навивається на гистоновые білкові комплекси та приймає вигляд нитки з люрексом-нуклеосомами. Вільні ділянки нитки називаються линкерами. У підтримці суперскрученной форми молекули ДНК беруть участь і негистоновые білки, а також неорганічні сполуки. Так утворюється хроматин – речовина хромосом.
Хроматиновые нитки з нуклеосомными намистинами здатні до подальшого ускладнення морфології в процесі, званому конденсацією хроматину.
Остаточна компактизация ДНК
В ядрі форма макромолекули дезоксирибонуклеїнової кислоти стає надзвичайно складною, компактизируясь в кілька етапів.
- По-перше, нитка згортається в особливу структуру типу соленоїда – хроматинового фибриллу товщиною 30 нм. На цьому рівні ДНК, згортаючись, скорочує свою довжину в 6-10 разів.
- Далі фибрилла за допомогою специфічних скэффолд-білків утворює зигзагоподібні петлі, що зменшує лінійний розмір ДНК вже в 20-30 разів.
- На наступному рівні формуються щільно упаковані петельні домени, найчастіше мають форму, умовно названу «лампова щітка». Вони прикріплюються до внутриядерному білкового матриксу. Товщина таких структур складає вже 700 нм, ДНК при цьому скорочується приблизно в 200 разів.
- Останній рівень морфологічної організації – хромосомний. Петельні домени ущільнюються настільки, що досягається загальне скорочення в 10 000 разів. Якщо довжина розтягнутої молекули – близько 5 см, то після упаковки в хромосоми вона зменшується до 5 мкм.
Вищого рівня ускладнення форми ДНК досягає в стані метафази мітозу. Саме тоді вона набуває характерний вигляд – дві хроматиди, сполучені перетяжкою-центромерой, яка забезпечує розходження хроматид у процесі поділу. Интерфазная ДНК організована до доменного рівня і розподіляється в ядрі клітини без особливого порядку. Таким чином, ми бачимо, що морфологія ДНК тісно пов’язана з різними фазами її існування і відображають особливості функціонування цієї найважливішої для життя молекули.
