ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) - своеобразный чертеж жизни, сложный код, в котором заключены данные о наследственной информации. Эта сложная макромолекула способна хранить и передавать из поколения в поколение.
ДНК определяет такие свойства любого живого организма как наследственность и изменчивость. Закодированная в ней информация задает всю программу развития любого живого организма. Генетически заложенные факторы предопределяют весь ход жизни человека. Вмешательство врачей или естественное воздействие внешней среды способны лишь в незначительной степени повлиять на общую выраженность отдельных генетических признаков или сказаться на развитии запрограммированных процессов.
ДНК, расшифровка кода которой имеет не только научное, но и практическое значение, позволяет врачам проводить профилактику тех болезней, к которым человек предрасположен с рождения. Зная об особенностях строения генома пациента, врач способен предсказать реакцию организма на воздействие внешней среды, спрогнозировать исход болезни и эффективность применения конкретных лекарств и т.п.
Молекулы соединенные в определенном порядке, управляют всеми процессами синтеза белков и ферментов, контролирующих обмен энергии и веществ в организме человека. Строение же белков и их функции определяются тем, из каких аминокислот они состоят. При этом важную роль играет порядок расположения этих аминокислот в молекуле белка.
Если рассматривать глубинные слои ДНК, состав ее определяют 4 типа нуклеотидов: тимидиловые (Т), адениловые (А), гуаниловые (G) и цитидиловые (C). Сама макромолекула с оболочкой хромосом достигает в длину 1 метра. Ее толщина при этом равняется всего лишь одному нанометру (одной миллиардной метра).
ДНК формула выглядит как буквенная запись последовательности нуклеотидов в цепочке. К примеру, она может иметь такой вид: AGTCATGCCAG.
ДНК была предметом исследования ученых не одно десятилетие. То, что гены представляют собой отдельные участки молекул дезоксирибонуклеиновой кислоты, установили уже в середине 20 века. Тогда же ученые убедились, что эти участки молекул отвечают за структуру белков.
На основании этого была выявлена взаимозависимость между химической структурой участков молекул ДНК и самими молекулами белков. Суть этой зависимости заключается в том, что порядок расположения ДНК в белках соответствует порядку структурных единиц ДНК (нуклеотидов) в гене.
Сделанное открытие стало революционным с точки зрения понимания основной сути ДНК. Расшифровка генетического кода позволила ученым вплотную приблизиться к основным тайнам наследственной информации человека.
Человека записывается как определенная последовательность нуклеотидов на основном - ДНК. Расшифровка структуры этой макромолекулы в 1953 году стала серьезнейшей вехой в истории микробиологии. За вклад в данное открытие Дж.Уотсон, Ф.Крик и М.Уилкинс получили премию Нобеля.
ДНК расшифровка требует очень много времени. Это объясняется тем, что в одной молекуле дезоксирибонуклеиновой кислоты содержится огромное количество сведений, зашифрованных сложным кодом. Ядро одной клетки вмещает такое которое могло бы заполнить миллион страниц научной энциклопедии.
Впервые прочитать геном человека в так называемом черновом варианте удалось в 2001 году, хотя полностью на завершение проекта ушло еще два дополнительных года. На проект было истрачено 300 миллионов долларов, в нем участвовало несколько научных организаций.
Полная запись генома была сделана в 2007 году. Бюджет проекта равнялся уже 1 миллиону долларов.
Сегодня процедура, называемая «ДНК-расшифровка хромосом человека» совершается на одной установке, а стоимость ее снизилась до рекордного значения за всю предыдущую историю. Она равна 50 тысячам долларов.
Из школьного курса биологии всем известно о том, что ДНК – это «банк данных», в котором хранится информация обо всем живом. Именно ДНК делает возможной передачу данных о развитии и функционировании живых организмов при их размножении. Дезоксирибонуклеиновая кислота – основа всего живого. Именно благодаря этой молекуле, все организмы способны сохранять свою популяцию. А что Вы знаете о человеческой ДНК?
В 1869 году мир узнал о существовании ДНК: это открытие сделал Иоганн Фридрих Мишер. А еще через почти 100 лет (1953 году) два выдающихся ученых сделали сенсационное открытие: ДНК состоит из двойной спирали. Этими учеными были Френсис Крик и Джеймс Уотсон. С тех пор, вот уже более 50 лет, ученые всего мира пытаются раскрыть все тайны ДНК.
ДНК человека – загадка раскрыта:
– ДНК всех людей на планете на 99,9 % - идентична, и только на 0,1% - уникальна. Именно этот 0,1 % влияет на то, кто мы и какие мы. Иногда так случается, что это значение (0,1%) проявляет себя очень неожиданным образом: рождаются дети, похожие не на родителей, а на прабабушку или прадеда одного из родителей, а иногда проявляются еще более дальние предки.
– Мы на 30% салат и на 50% банан! И это действительно так: ДНК каждого из нас, не зависимо от возраста, пола, цвета кожи и других признаков, идентично с ДНК листьев салата и бананом на 30 и 50 процентов соответственно.
– Эритроциты (красные кровяные тельца) – единственные клетки, в которых отсутствует ДНК.
– В ДНК человека 80 тыс. генов, а 200 из них унаследовано от бактерии.
– Очень редко на свет появляются люди, у которых не 1, а 2 набора ДНК. Таких людей называют химерами, в их организме органы имеют разные ДНК.
– У человека всего на 2 хромосомы меньше, чем у шимпанзе.
– У генетического кода человека 2 значения. Ранее считалось, что значение 1, но американский ученый Джон Стаматойаннопулос вместе со своей командой в 2013 году открыл второе значение. Благодаря этому открытию западная медицина начала развиваться в направлении изучения генома человека, что в дальнейшем позволит проводить «генетическое» лечение.
– В космосе есть «Диск бессмертия», на котором хранятся оцифрованные ДНК некоторых выдающихся личностей.
– На нашей планете есть живые организмы, чье ДНК при наиболее благоприятных условиях жизни могло бы обеспечить им бессмертие. Но человек к их числу не относится.
И это далеко не все загадки маленькой молекулы, без которой жизнь на Земле была бы невозможной.
Новый взгляд на ДНК
ДНК для большинства из нас представляет глубокую тайну. Мы слышим это слово, вроде бы понимаем его значение, но даже не представляем себе, насколько это сложная штука и зачем она, собственно, нужна. Итак, давайте попробуем вместе в этом разобраться. Сначала поговорим о том, чему нас учили в школе, а затем о том, чему не учили.
ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) - это главная программа человека. С химической точки зрения это очень длинная полимерная молекула, имеющая вид двух цепочек, спирально закручивающихся вокруг друг друга. Каждая цепь состоит из повторяющихся «строительных блоков», называемых нуклеотидами. Каждый нуклеотид состоит из сахара (дезоксирибозы), фосфатной группы и собственно азотистого основания. Связи между нуклеотидами в цепи образуются за счет дезоксирибозы и фосфатной группы. А азотистые основания обеспечивают связь между двумя спиральными цепями. То есть собственно создание живой материи. Основания бывают четырех видов. И именно их последовательность формирует генетический код.
Генетический код Человека содержит в себе около трех миллиардов пар оснований ДНК и около 23 000 генов (по последним подсчетам), которые отвечают за все свойственные нам признаки и качества. Сюда входит все, что мы получаем от природы, а также то, что мы наследуем от родителей и их родителей. Ген - это единица наследственности живого организма. В нем может содержаться информация о цвете глаз, о том, как создать почку, и о наследственных заболеваниях, таких как болезнь Альцгеймера. Так что наследственность - это не только качества родителей, но и общие качества человека. Можно сказать, что гены содержат все, что в нас есть человеческого, вместе с уникальными особенностями, унаследованными от родителей. Возможно, вы слышали также об РНК (рибонуклеиновой кислоте). Она участвует в процессе транскрипции, с которого фактически начинается производство белков и управление ими. ДНК - это матрица, на которой создается РНК, и программа, которой следует этот процесс.
Слушайте внимательно: эту крошечную молекулу в виде двойной спирали можно увидеть только в очень мощный электронный микроскоп. Но она состоит из трех миллиардов частей! Можете себе представить, насколько малы эти части? Мы, по сути, видим лишь форму ДНК, отрытую Уотсоном и Криком в Англии в 1953 году на основании рентгеноструктурных данных, полученных Розалинд Франклин. <…>
Потребовалось еще 43 года, прежде чем в феврале 2001 года ученые смогли нарисовать структуру всей молекулы ДНК. <…>
Затем началась настоящая работа, ведь исследование структуры показало лишь общее химическое строение ДНК. Представьте, что это буквы в гигантской книге. Теперь ученые знали каждую букву, но понятия не имели, что это за язык! Им необходимо было разгадать язык, чтобы увидеть всю картину, понять слова в книге и найти гены. Именно тогда они обнаружили, что дело принимает неожиданный оборот. Лучшие ученые и мощнейшие компьютеры страны изо всех сил старались найти коды, которые ожидали увидеть в химической структуре генома человека.
Мы мыслим трехмерно. С этим ничего не поделаешь. Такова наша реальность, и нельзя надеяться, что мы избежим этого. Но часто это мешает нам видеть большую картину. Наука сейчас начинает громогласно заявлять, что Вселенная и все находящееся в ней - многомерны. Так что рано или поздно нам придется изобрести математику, которая смогла бы соответствовать такой модели, а также открыть новые физические законы и научиться более широкому мышлению. А пока что ученые делают очень серьезные предположения о том, что геном человека линеен и вся генетическая структура человека заключена в трех миллиардах «букв» ДНК. Но это не так. <…>
Вопреки всей логике, ученые не смогли найти коды, хотя абсолютно точно знали, что они там есть. Они использовали лучшие современные компьютеры, способные взламывать коды, в поисках той симметрии, которую порождает любой язык. И они нашли ее. Находка наверняка сразила их наповал, и в то же время подбросила им величайшую биологическую загадку века.
Из всей химической структуры сложнейшего генома Человека лишь 4% несут в себе код! Только кодирующая белок ДНК содержит в себе четкий код для производства генов, и его присутствие там было вполне очевидно. Это настолько трехмерно, что буквально можно было увидеть отметки «старт» и «стоп» в последовательности генов! Как и современные компьютерные коды, химия подстраивалась под наши ожидания, но лишь малая часть генома Человека участвовала в производстве 23 000 генов человеческого тела. Все остальное находилось там как бы «ни для чего».
Позвольте привести вам аналогию подобного разочарования. Над нами появляется летающая тарелка. Она проделывает удивительные трюки - зависает в воздухе, игнорирует гравитацию и ведет себя так, как мы и ожидаем от летающей тарелки. Затем она приземляется. Мы приближаемся и понимаем, что внутри никого нет. Видимо, это просто робот-зонд, посланный на Землю. Внезапно верхняя часть тарелки поднимается, приглашая лучших ученых взглянуть на принципы ее работы. Мы очень возбуждены, понимая, что близки к разгадке неких тайн. Мы вот-вот откроем новую физику! Мы начинаем искать двигатель, и нас ожидает сюрприз: двигательный отсек доверху набит каким-то мусором! Нет, пожалуй, это скорее похоже на пенопластовые гранулы, которые у нас засыпают в качестве наполнителя в упаковки с посудой. Эти гранулы явно связаны друг с другом, какая-то их часть даже шевелится, но они ничего не делают. В этом материале не видно никакой структуры; он просто заполняет пространство. Вы раскапываете «наполнитель» лопатой, выбрасываете гранулы ведро за ведром и наконец находите крошечный блестящий предмет, из которого выходят какие-то провода. Очевидно, что этот предмет и есть двигатель, сердце корабля. Такой маленький! Помещается в ладонь, а управляет всем! Вы пытаетесь его запустить. И тут выясняется, что без «наполнителя» летающая тарелка не хочет летать. Вы засыпаете гранулы обратно - и тарелка снова летает! Так что, получается, «наполнитель» все-таки что-то делает? Или нет? Как может наполнитель что-то делать? Ошибка понятна. Мы ожидали увидеть двигатель - нечто сверкающее, опутанное проводами, линейное и завершенное по своей структуре, - и мы нашли это. То, что показалось нам «наполнителем», «упаковкой», мы тут же выбросили. Вы понимаете, в чем оплошность и в чем метафора?
Получался анекдот. ДНК состоит из трех миллиардов частей, большая часть которых ничего не делает! Лишь четыре крошечных процента выполняют всю работу! Что за ерунда! Мы знаем, что природа очень рациональна. Мы можем наблюдать за эволюцией живых существ даже в течение одной нашей жизни, и мы понимаем, насколько природа целесообразна. Если рыбы оказываются запертыми в подземной пещере, то через десять лет, или около того, у них исчезают глаза. Природа вычеркивает все, в чем нет необходимости, и мы видим это повсюду. Однако 96% нашей ДНК являются просто мусором! Мы, вершина эволюции, на 96% состоим из мусора? Это противоречит всему, что мы наблюдаем в природе, однако именно так и выходило . Части ДНК, не кодирующие белок, даже лучшими умами были объявлены «мусором». Участки, не кодирующие белок, были случайными, не обладали ни симметрией, ни видимой целью и казались бесполезными.
Знакомьтесь: нетрехмерные мыслители
Попробуем подойти к нашей летающей тарелке с новыми идеями. Возможно, этот на вид хаотичный «наполнитель» вовсе не является частью двигателя. Может быть, это карта! В конце концов, корабль должен знать, куда направляется. Затем вы думаете, что это какой-то иной тип карты. Может быть, в квантовом состоянии кораблю нужна квантовая карта? Что это могло бы быть? Что должно быть нечто такое, что позволило бы ему существовать в линейном мире, но могло бы отдавать инструкции крошечному блестящему двигателю, чтобы тот контролировал судно в трех измерениях. В данном случае мы знаем, что у корабля есть многомерные характеристики, потому что он может контролировать свою массу. Мы также знаем из нашей квантовой физики, что, когда мы переходим в многомерный мир, время и пространство, какими мы их знаем, перестают существовать. Эти два понятия заменяются потенциалами и полностью нелинейным и запутанным обилием «событийных правил», которые в третьем измерении имеют для нас очень мало смысла. Таким образом, странный и хаотичный «наполнитель» вовсе не является неупорядоченным - просто он выглядит таковым для трехмерных созданий (вас, меня и ученых)! Он должен быть именно там, где и находится, чтобы у двигателя была возможность перемещать корабль. Можно сказать, что «наполнитель» - это модификатор двигателя, и он должен присутствовать в значительных количествах, потому что ему очень много нужно «сказать» двигателю о том, как двигаться многомерным способом.
Годами мы мирились с выражением «мусорная ДНК». Однако вдруг мы начали мыслить иначе. «Что, если, - сказал кто-то, - в мусоре нет кода, потому что его там и не должно быть? Что, если эти 96% ДНК каким-то образом содержат нелинейные квантовые правила, которые руководят закодированными частями?» Это совершенно новая и спорная концепция - но она, по крайней мере, выходит за пределы ограниченной трехмерной логики!
Вот сообщение из Калифорнийского университета в Сан-Диего от 13 июля 2007 года, переданное в новостях «Си-Би-Эс»:
Так называемая «мусорная ДНК» - 96% генома человека, кажущиеся бесполезными, - может играть более важную роль, чем предполагает ее название, утверждают американские ученые. Международная группа ученых обнаружила, что какая-то часть «мусорной» ДНК может служить для создания рамок, помогающих должным образом организовать остальные 4%. «Некоторую часть мусорной ДНК можно считать знаками препинания, запятыми и точками, помогающими понять смысл закодированных участков генома», - говорит соавтор этой теории Виктория Луняк, научный сотрудник КУСД.
Я думаю, что мы начинаем видеть многомерный аспект своей биологии, который, очевидно, огромен! Что, если 96% нашей ДНК - набор инструкций для остальных 4%? Тогда эта часть совсем не хаотична, она просто кажется таковой трехмерному мышлению. Могут ли знаки препинания казаться буквами алфавита? Нет. Тогда что это? Обладают ли они симметрией? Произносятся ли они как-нибудь? Нет. Если вы посмотрите на знаки препинания в нашем языке, то может показаться, что они расставлены в случайном порядке. Если бы вы, например, посмотрели на эту страницу, ничего не зная о языке и о его устройстве, то знаки препинания показались бы вам бессмысленными. Они не обладают симметрией. Если вы пропустите эту страницу через суперкомпьютер, он в конечном итоге определит слова и их вероятный смысл, но не знаки препинания.
Подумайте об этом. Двигатель, который мы искали в летающей тарелке, действительно был там. Эта доля в 4%, кодирующая белок, служит «блестящим мотором». А «мусор» - это 96%, похожие на гранулированный наполнитель. Теперь мы подозреваем, что происходит нечто совершенно иное, и 96 % на самом деле могут оказаться многомерным шаблоном конструктора, а 4% - просто двигателем, который подчиняется его замыслу.
Разве это соотношение не кажется вам интересным? Согласно учению Крайона, лишь 8% ДНК находятся в третьем измерении, а 92% ДНК управляют остальной частью.
Возможно, мы становимся свидетелями постепенного признания того факта, что функции ДНК значительно отличаются от наших ожиданий и она - нечто более сложное, чем просто код, который можно считывать химически.
отрывки из книги Крайона и Ли Кэрролла, «Двенадцать слоёв ДНК»
Нуклеиновые кислоты - высокомолекулярные вещества, состоящие из мононуклеотидов, которые соединены друг с другом в полимерную цепочку с помощью 3",5"- фосфодиэфирных связей и упакованы в клетках определенным образом.
Нуклеиновые кислоты - биополимеры двух разновидностей: рибонуклеиновая кислота (РНК) и дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). Каждый биополимер состоит из нуклеотидов, различающихся по углеводному остатку (рибозе, дезоксирибозе) и одному из азотистых оснований (урацил, тимин). Соответственно этим различиям нуклеиновые кислоты и получили свое название.
Структура дезоксирибонуклеиновой кислоты
Нуклеиновые кислоты имеют первичную, вторичную и третичную структуру.
Первичная структура ДНК
Первичной структурой ДНК называют линейную полинуклеотидную цепь, в которой мононуклеотиды соединены 3", 5"-фосфодиэфирными связями. Исходным материалом при сборке цепи нуклеиновой кислоты в клетке является нуклеозид 5"-трифосфат, который в результате удаления β и γ остатков фосфорной кислоты способен присоединить 3"-атом углерода другого нуклеозида. Таким образом, 3"-атом углерода одной дезоксирибозы ковалентно связывается с 5"-атомом углерода другой дезоксирибозы посредством одного остатка фосфорной кислоты и образует линейную полинуклеотидную цепь нуклеиновой кислоты. Отсюда и название: 3", 5"-фосфодиэфирные связи. Азотистые основания не принимают участия в соединении нуклеотидов одной цепи (рис. 1.).
Такое соединение, между остатком молекулы фосфорной кислоты одного нуклеотида и углеводом другого, приводит к образованию пентозо-фосфатного скелета молекулы полинуклеотида, на котором сбоку один за другим присоединяются азотистые основания. Их последовательность расположения в цепях молекул нуклеиновых кислот строго специфична для клеток разных организмов, т.е. носит видовой характер (правило Чаргаффа).
Линейная цепь ДНК, длина которой зависит от числа входящих в цепь нуклеотидов, имеет два конца: один называется 3"-концом и содержит свободный гидроксил, а другой - 5"-концом, содержит остаток фосфорной кислоты. Цепь полярна и может иметь напрвление 5"->3" и 3"->5". Исключением являются кольцевые ДНК.
Генетический "текст" ДНК составлен с помощью кодовых "слов" - триплетов нуклеотидов, называемых кодонами. Участки ДНК, содержащие информацию о первичной структуре всех типов РНК, называют структурными генами.
Полинуклеодитные цепочки ДНК достигают гигантских размеров, поэтому в клетке они упакованы определенным образом.
Изучая состав ДНК, Чаргафф (1949) установил важные закономерности, касающиеся содержания отдельных оснований ДНК. Они помогли раскрыть вторичную структуру ДНК. Эти закономерности называют правилами Чаргаффа. Правила Чаргаффа
Эти правила говорят о том, что при построении ДНК должно соблюдаться довольно строгое соответствие (спаривание) не пуриновых и пиримидиновых оснований вообще, а конкретно тимина с аденином и цитозина с гуанином. На основании этих правил в том числе, в 1953 г. Уотсон и Крик предложили модель вторичной структуры ДНК, получившую название двойной спирали (рис.). |
Вторичная структура ДНК
Вторичная структура ДНК - это двойная спираль, модель которой была предложена Д.Уотсоном и Ф.Криком в 1953 году.
Предпосылки к созданию модели ДНК
В результате первоначальных анализов сложилось представление, что ДНК любого происхождения содержит все четыре нуклеотида в равных молярных количествах. Однако в 1940-х годах Э. Чаргафф и его сотрудники в результате анализа ДНК, выделенных из разнообразных организмов, ясно показали, что азотистые основания содержатся в них в различных количественных соотношениях. Чаргафф нашел, что, хотя эти соотношения одинаковы для ДНК из всех клеток одного и того же вида организмов, ДНК от разных видов могут заметно различаться по содержанию тех или иных нуклеотидов. Это наводило на мысль, что различия в соотношении азотистых оснований, возможно, связаны с каким-то биологическим кодом. Хотя соотношение отдельных пуриновых и пиримидиновых оснований в различных образцах ДНК оказалось неодинаковым, при сравнении результатов анализов выявилась определенная закономерность: во всех образцах общее количество пуринов было равно общему количеству пиримидинов (А + Г = Т + Ц), количество аденина - количеству тимина (А = Т), а количество гуанина - количеству цитозина (Г = Ц). ДНК, выделенная из клеток млекопитающих, была в целом богаче аденином и тимином и относительно беднее гуанином и цитозином, тогда как у бактерий ДНК была богаче гуанином и цитозином и относительно беднее аденином и тимином. Эти данные составили важную часть фактического материала, на основе которого позднее была построена модель структуры ДНК Уотсона - Крика.
Еще одним важным косвенным указанием на возможную структуру ДНК послужили данные Л. Полинга о строении белковых молекул. Полинг показал, что возможно несколько различных устойчивых конфигураций аминокислотной цепи в белковой молекуле. Одна из распространенных конфигураций пептидной цепи - α-спираль - представляет собой правильную винтообразную структуру. При такой структуре возможно образование водородных связей между аминокислотами, находящимися на смежных витках цепи. Полинг описал α-спиральную конфигурацию полипептидной цепи в 1950 году и высказал предположение, что и молекулы ДНК, вероятно, имеют спиральную структуру, закрепленную водородными связями.
Однако наиболее ценные сведения о строении молекулы ДНК дали результаты рентгеноструктурного анализа. Рентгеновские лучи, проходя сквозь кристалл ДНК, претерпевают дифракцию, т. е. отклоняются в определенных направлениях. Степень и характер отклонения лучей зависят от структуры самих молекул. Дифракционная рентгенограмма (рис. 3) дает опытному глазу ряд косвенных указаний относительно строения молекул исследуемого вещества. Анализ дифракционных рентгенограмм ДНК привел к заключению, что азотистые основания (имеющие плоскую форму) уложены наподобие стопки тарелок. Рентгенограммы позволили выявить в структуре кристаллической ДНК три главных периода: 0,34, 2 и 3,4 нм.
Модель ДНК Уотсона-Крика
Исходя из аналитических данных Чаргаффа, рентгенограмм, полученных Уилкинсом и исследований химиков, предоставивших сведения о точных расстояниях между атомами в молекуле, об углах между связями данного атома и о величине атомов, Уотсон и Крик начали строить физические модели отдельных составных частей молекулы ДНК в определенном масштабе и "подгонять" их друг к другу с таким расчетом, чтобы полученная система соответствовала различным экспериментальным данным [показать] .
Еще раньше было известно, что в цепи ДНК соседние нуклеотиды соединены фосфодиэфирными мостиками, связывающими 5"-углеродный атом дезоксирибозы одного нуклеотида с 3"-углеродным атомом дезоксирибозы следующего нуклеотида. Уотсон и Крик не сомневались в том, что период 0,34 нм соответствует расстоянию между последовательными нуклеотидами в цепи ДНК. Далее, можно было предполагать, что период 2 нм соответствует толщине цепи. А для того чтобы объяснить, какой реальной структуре соответствует период 3,4 нм, Уотсон и Крик, так же как ранее Полинг, предположили, что цепь закручена в виде спирали (или, точнее, образует винтовую линию, так как спираль в строгом смысле этого слова получается тогда, когда витки образуют в пространстве коническую, а не цилиндрическую поверхность). Тогда период 3,4 нм будет соответствовать расстоянию между последовательными витками этой спирали. Такая спираль может быть очень плотной или же несколько растянутой, т. е. витки ее могут быть пологими или крутыми. Поскольку период 3,4 нм ровно в 10 раз больше расстояния между последовательными нуклеотидами (0,34 нм), ясно, что каждый полный виток спирали содержит 10 нуклеотидов. По этим данным Уотсон и Крик смогли вычислить плотность полинуклеотидной цепи, закрученной в спираль диаметром 2 нм, с расстоянием между витками, равным 3,4 нм. Оказалось, что у такой цепи плотность была бы вдвое меньше фактической плотности ДНК, которая была уже известна. Пришлось предположить, что молекула ДНК состоит из двух цепей - что это двойная спираль из нуклеотидов.
Следующей задачей было, конечно, выяснение пространственных отношений между обеими цепями, образующими двойную спираль. Испробовав на своей физической модели ряд вариантов расположения цепей, Уотсон и Крик нашли, что всем имеющимся данным лучше всего соответствует такой вариант, в котором две полинуклеотидные спирали идут в противоположных направлениях; при этом цепи, состоящие из остатков сахара и фосфата, образуют поверхность двойной спирали, а пурины и пиримидины располагаются внутри. Расположенные друг против друга основания, принадлежащие двум цепям, попарно соединены водородными связями; именно эти водородные связи и удерживают цепи вместе, фиксируя таким образом общую конфигурацию молекулы.
Двойную спираль ДНК можно представить себе в виде винтообразно закрученной веревочной лестницы, так чтобы перекладины ее оставались в горизонтальном положении. Тогда две продольные веревки будут соответствовать цепям из остатков сахара и фосфата, а перекладины - парам азотистых оснований, соединенных водородными связями.
В результате дальнейшего изучения возможных моделей Уотсон и Крик пришли к выводу, что каждая "перекладина" должна состоять из одного пурина и одного пиримидина; при периоде 2 нм (что соответствует диаметру двойной спирали) для двух пуринов не хватило бы места, а два пиримидина не могли бы при этом располагаться достаточно близко друг к другу, чтобы образовать надлежащие водородные связи. Углубленное исследование детальной модели показало, что аденин и цитозин, составляя подходящую по размерам комбинацию, все же не могли бы располагаться таким образом, чтобы между ними образовались водородные связи. Аналогичные сообщения заставили исключить также комбинацию гуанин - тимин, тогда как сочетания аденин - тимин и гуанин - цитозин оказались вполне приемлемыми. Природа водородных связей такова, что аденин образует пару с тимином, а гуанин - с цитозином. Это представление о специфическом спаривании оснований позволяло объяснить "правило Чаргаффа", согласно которому в любой молекуле ДНК количество аденина всегда равно содержанию тимина, а количество гуанина - количеству цитозина. Между аденином и тимином образуются две водородные связи, а между гуанином и цитозином - три. Благодаря этой специфичности в образовании водородных связей против каждого аденина в одной цепи в другой оказывается тимин; точно так же против каждого гуанина может находиться только цитозин. Таким образом, цепи комплементарны друг другу, т. е. последовательность нуклеотидов в одной цепи однозначно определяет их последовательность в другой. Две цепи идут в противоположных направлениях, и их концевые фосфатные группы находятся на противоположных концах двойной спирали.
В результате своих исследований, в 1953 году Уотсон и Крик предложили модель строения молекулы ДНК (рис. 3), которая остается актуальной по настоящее время. Согласно модели молекула ДНК состоит из двух комплементарных полинуклеотидных цепей. Каждая цепь ДНК представляет полинуклеотид, состоящий из нескольких десятков тысяч нуклеотидов. В ней соседние нуклеотиды образуют регулярный пентозо-фосфатный остов за счет соединения остатка фосфорной кислоты и дезоксирибозы прочной ковалентной связью. Азотистые основания одной полинуклеотидной цепи при этом располагаются в строго определенном порядке против азотистых оснований другой. Чередование азотистых оснований в полинуклеотидной цепи нерегулярно.
Расположение азотистых оснований в цепи ДНК является комплементарным (от греч. "комплемент" - дополнение), т.е. против аденина (А) всегда оказывается тимин (Т), а против гуанина (Г) - только цитозин (Ц). Это объясняется тем, что А и Т, а также Г и Ц строго соответствуют друг другу, т.е. дополняют друг другу. Такое соответствие задается химической структурой оснований, позволяющей образовать водородные связи в паре пурина и пиримидина. Между А и Т возникают две связи, между Г и Ц - три. Эти связи обеспечивают частичную стабилизацию молекулы ДНК в пространстве. Устойчивость двойной спирали при этом прямо пропорциональна числу связей G≡С, являющихся более стабильными по сравнению со связями А=Т.
Известная последовательность расположения нуклеотидов в одной цепи ДНК позволяет по принципу комплементарности установить нуклеотиды другой цепи.
Кроме того, установлено, что азотистые основания, имеющие ароматическую структуру, в водном растворе располагаются один над другим, формируя как бы стопку монет. Такой процесс формирования стопок из органических молекул называется стекинг. Полинуклеотидные цепи молекулы ДНК рассматриваемой модели Уотсона-Крика имеют аналогичное физико-химическое состояние, их азотистые основания располагаются в виде стопки монет, между плоскостями которых возникают ван-дер-ваальсовы взаимодействия (стекинг-взаимодействия).
Водородные связи между комплементарными основаниями (по горизонтали) и стекинг-взаимодействие между плоскостями оснований в полинуклеотидной цепи за счет ван-дер-ваальсовых сил (по вертикали) обеспечивает молекуле ДНК дополнительную стабилизацию в пространстве.
Сахарофосфатные остовы обеих цепей обращены наружу, а основания внутрь, навстречу друг другу. Направление цепей в ДНК антипараллельно (одна из них имеет направление 5"->3", другая - 3"->5", т.е. 3"-конец одной цепи расположен напротив 5"-конца другой.). Цепи образуют правые спирали с общей осью. Один виток спирали составляет 10 нуклеотидов, размер витка 3,4 нм, высота каждого нуклеотида 0,34 нм, диаметр спирали – 2,0 нм. В результате вращения одной цепи вокруг другой, образуется большая борозда (диаметром около 20 Å) и малая борозда (около 12 Å) двойной спирали ДНК. Такая форма двойной спирали Уотсона-Крика в дальнейшем получила название В-формы. В клетках ДНК обычно существует в В-форме, которая является самой стабильной.
Функции ДНК
Предложенная модель объясняла многие биологические свойства дезоксирибонуклеиновой кислоты, в том числе хранение генетической информации и многообразие генов, обеспечиваемое большим разнообразием последовательных сочетаний 4-х нуклеотидов и фактом существования генетического кода, способность к самовоспроизведению и передаче генетической информации, обеспечиваемое процессом репликации, и реализацию генетической информации в виде белков, а также любых других соединений, образующихся с помощью белков-ферментов.
Oсновные функции ДНК.
- ДНК является носителем генетической информации, что обеспечивается фактом существования генетического кода.
- Воспроизведение и передана генетической информации в поколениях клеток и организмов. Эта функция обеспечивается процессом репликации.
- Реализация генетической информации в виде белков, а также любых других соединений, образующихся с помощью белков-ферментов. Эта функция обеспечивается процессами транскрипции и трансляции.
Формы организации двухцепочечной ДНК
ДНК может формировать несколько типов двойных спиралей (рис.4). В настоящее время уже известно шесть форм (от А до Е и Z-форма).
Структурные формы ДНК, как установила Розалинда Франклин, зависят от насыщения водой молекулы нуклеиновой кислоты. В исследованиях волокон ДНК при помощи рентгеноструктурного анализа было показано, что рентгенограмма радикальным образом зависит от того, при какой относительной влажности, при какой степени насыщения водой этого волокна происходит эксперимент. Если волокно было достаточно насыщено водой, то получалась одна рентгенограмма. При высушивании возникала совершенно другая рентгенограмма, сильно отличающаяся от рентгенограммы волокна высокой влажности.
Молекула ДНК высокой влажности получила название В-формы . При физиологических условиях (низкая концентрация соли, высокая степерь гидратации) доминирующим структурным типом ДНК является В-форма (основная форма двухцепочечной ДНК - модель Уотсона-Крика). Шаг спирали такой молекулы равен 3,4 нм. На виток приходится 10 комплементарных пар в виде скрученных стопок "монет" - азотистых оснований. Стопки удерживаются водородными связями между двумя противолежащими "монетами" стопок, и "обмотаны" двумя лентами фосфодиэфирного остова, закрученными в правую спираль. Плоскости азотистых оснований перпендикулярны оси спирали. Соседние комплементарные пары повернуты друг относительно друга на 36°. Диаметр спирали 20Å, причем пуриновый нуклеотид занимает 12Å, а пиримидиновый - 8Å.
Молекула ДНК более низкой влажности получила название А-формы . А-форма образуется в условиях менее высокой гидратации и при более высоком содержании ионов Na + или К + . Эта более широкая правоспиральная конформация имеет 11 пар азотистых оснований на виток. Плоскости азотистых оснований имеют более сильный наклон к оси спирали, они отклонены от нормали к оси спирали на 20°. Отсюда следует наличие внутренней пустоты диаметром 5Å. Расстояние между соседними нуклеотидами составляет 0,23 нм, длина витка – 2,5 нм, диаметр спирали – 2,3 нм.
Первоначально считали, что А-форма ДНК менее важна. Однако в дальнейшем выяснилось, что А-форма ДНК, также как и В-форма, имеет огромное биологическое значение. А-форму имеет спираль РНК-ДНК в комплексе матрица-затравка, а также спираль РНК-РНК и шпилечные структуры РНК (2’-гидроксильная группа рибозы не позволяет молекулам РНК образовывать В-форму). А-форма ДНК обнаружена в спорах. Установлено, что А-форма ДНК в 10 раз устойчивее к действию УФ-лучей, чем В-форма.
А-форму и В-форму называют каноническими формами ДНК.
Формы С-Е также правоспиральные, их образование можно наблюдать только в специальных экспериментах, и, по-видимому, они не существуют in vivo. С-форма ДНК имеет структуру, сходную с В-ДНК. Число пар оснований на виток составляет 9,33, длина витка спирали равна 3,1 нм. Пары оснований наклонены на угол 8 градусов относительно перпендикулярного положения к оси. Желобки по размерам близки к желобкам В-ДНК. При этом главный желобок несколько мельче, а минорный желобок – глубже. В С-форму могут переходить природные и синтетические полинуклеотиды ДНК.
| Таблица 1. Характеристика некоторых типов структур ДНК | |||
| Тип спирали | A | B | Z |
| Шаг спирали | 0,32 нм | 3,38 нм | 4,46 нм |
| Закрученность спирали | Правая | Правая | Левая |
| Число пар оснований на виток | 11 | 10 | 12 |
| Расстояние между плоскостями оснований | 0,256 нм | 0,338 нм | 0,371 нм |
| Конформация гликозидной связи | анти | анти | анти-С син-Г |
| Конформация фуранозного цикла | С3"-эндо | С2"-эндо | С3"-эндо-Г С2"-эндо-Ц |
| Ширина бороздки, малой/большой | 1,11/0,22 нм | 0,57/1,17 нм | 0,2/0,88 нм |
| Глубина бороздки, малой/большой | 0,26/1,30 нм | 0,82/0,85 нм | 1,38/0,37 нм |
| Диаметр спирали | 2,3 нм | 2,0 нм | 1,8 нм |
Структурные элементы ДНК
(неканонические структуры ДНК)
К структурным элементам ДНК можно отнести необычные структуры, ограниченные какими-то специальными последовательностями:
|
Z-форма ДНК была открыта в 1979 году при изучении гексануклеотида d(CG)3 - . Ее открыл профессор Массачусетского технологического института Александр Рич с сотрудниками. Z-форма стала одним из важнейших структурных элементов ДНК в связи с тем, что ее образование наблюдалось в участках ДНК, где пурины чередуются с пиримидинами (например, 5’-ГЦГЦГЦ-3’), или в повторах 5’-ЦГЦГЦГ-3’, содержащих метилированный цитозин. Существенным условием образования и стабилизации Z-ДНК являлось присутствие в ней пуриновых нуклеотидов в син-конформации, чередующихся с пиримидиновыми основаниями в анти-конформации.
Природные молекулы ДНК в основном существуют в правой В-форме, если они не содержат последовательностей типа (ЦГ)n. Однако, если такие последовательности входят в состав ДНК, то эти участки при изменении ионной силы раствора или катионов, нейтрализующих отрицательный заряд на фосфодиэфирном каркасе, могут переходить в Z-форму, при этом другие участки ДНК в цепи остаются в классической В-форме. Возможность такого перехода указывает на то, что две цепи в двойной спирали ДНК находятся в динамическом состоянии и могут раскручиваться друг относительно друга, переходя из правой формы в левую и наоборот. Биологические следствия такой лабильности, допускающей конформационные превращения структуры ДНК пока не вполне понятны. Полагают, что участки Z-ДНК играют определенную роль в регуляции экспрессии некоторых генов и принимают участие в генетической рекомбинации.
Z-форма ДНК - это левозакрученная двойная спираль, в которой фосфодиэфирный остов расположен зигзагообразно вдоль оси молекулы. Отсюда и название молекулы (zigzag)-ДHK. Z-ДНК - наименее скрученная (12 пар оснований на виток) и наиболее тонкая из известных в природе. Расстояние между соседними нуклеотидами составляет 0,38 нм, длина витка – 4,56 нм, диаметр Z-ДНК – 1,8 нм. Кроме того, внешний вид этой молекулы ДНК отличается наличием одной бороздки.
Z-форма ДНК была обнаружена в клетках прокариот и эукариот. В настоящее время получены антитела, способные отличать Z-форму от В-формы ДНК. Эти антитела связываются с определенными участками гигантских хромосом клеток слюнных желез дрозофилы (Dr. melanogaster). За реакцией связывания легко следить из-за необычного строения этих хромосом, у которых более плотные участки (диски) контрастируют с менее плотными (междисками). Участки Z-ДНК расположены в междисках. Из этого следует, что Z-форма реально существует в естественных условиях, хотя размеры индивидуальных участков Z-формы пока неизвестны.
(перевертыши) - наиболее известные и часто встречающиеся в ДНК последовательности оснований. Палиндромом называют слово или фразу, которое читается слева направо и наоборот одинаково. Примерами таких слов или фраз являются: ШАЛАШ, КАЗАК, ПОТОП, А РОЗА УПАЛА НА ЛАПУ АЗОРА. В применении к участкам ДНК данный термин (палиндром) означает одинаковое чередование нуклеотидов вдоль цепи справа налево и слева направо (подобно буквам в слове "шалаш" и пр.).
Палиндром характеризуется наличием инвертированных повторов последовательностей оснований имеющих симметрию второго порядка относительно двух цепей ДНК. Такие последовательности, по вполне понятной причине, являются самокомплементарными и имеют склонность к образованию шпилечных или крестообразных структур (рис.). Шпильки помогают регуляторным белкам узнавать место списывания генетического текста ДНК хромосом.
В тех случаях, когда инвертированный повтор присутствует в одной и той же цепи ДНК такая последовательность называется зеркальным повтором. Зеркальные повторы не обладают свойствами самокомплементарности и, поэтому не способны к формированию шпилечных или крестообразных структур. Последовательности такого типа обнаружены практически во всех крупных молекулах ДНК и могут включать от всего нескольких пар оснований до нескольких тысяч пар оснований.
Присутствие палиндромов в виде крестообразных структур в эукариотических клетках не доказано, хотя некоторое количество крестообразных структур обнаружено в условиях in vivo в клетках E. coli. Наличие в составе РНК или одноцепочечных ДНК самокомплементарных последовательностей служит основной причиной сворачивания в растворах нуклеиновой цепи в определенную пространственную структуру, отличающуюся формированием множества "шпилек".
Н-форма ДНК - это спираль, которую образуют три цепи ДНК - тройная спираль ДНК. Представляет собой комплекс уотсон-криковской двойной спирали с третьей одноцепочечной нитью ДНК, которая укладывается в ее большой желобок, с образованием так называемой хугстиновской пары.
Образование подобного триплекса происходит в результате сложения двойной спирали ДНК таким образом, что половина ее участка остается в виде двойной спирали, а вторая половина разъединяется. При этом одна из разъединенных спиралей образует новую структуру с первой половиной двойной спирали - тройную спираль, а вторая оказывается неструктурированной, в виде однонитевого участка. Особенностью этого структурного перехода является резкая зависимость от рН среды, протоны которой стабилизируют новую структуру. В силу этой особенности новая структура получила название Н-формы ДНК, образование которой было обнаружено в сверхспирализованных плазмидах, содержащих гомопурин-гомопиримидиновые участки, представляющие собой зеркальный повтор.
В дальнейших исследованиях была установлена возможность осуществления структурного перехода некоторых гомопурин-гомопиримидиновых двунитиевых полинуклеотидов с образованием трехнитиевой структуры, содержащей:
- одну гомопуриновую и две гомопиримидиновые нити (Py-Pu-Py триплекс
) [хугстиновское взаимодействие].
Составляющие блоки Py-Pu-Py триплекса - канонические изоморфные CGC+ и TAT триады. Стабилизация триплекса требует протонирования триады CGC+, поэтому эти триплексы зависят от рН раствора.
- одну гомопиримидиновую и две гомопуриновые нити (Py-Pu-Pu триплекс
) [обратное хугстиновское взаимодействие].
Составляющие блоки Py-Pu-Pu триплекса - канонические изоморфные CGG и TAA триад. Существенным свойством Py-Pu-Pu триплексов является зависимость их стабильности от присутствия двухзарядных ионов, причем для стабилизации триплексов разной последовательности необходимы различные ионы. Поскольку для образования Py-Pu-Pu триплексов не требуется протонирования входящих в их состав нуклеотидов, такие триплексы могут существовать при нейтральных pH.
Прим.: прямое и обратное хугстиновское взаимодействие объясняется симметрией 1-метилтимина: поворот на 180° приводит к тому, что место атома О4 занимает атом О2, при этом система водородных связей сохраняется.
Известны два вида тройных спиралей:
- параллельные тройные спирали, в которых полярность третьей цепи совпадает с полярностью гомопуриновой цепи Уотсон-криковского дуплекса
- антипараллельные тройные спирали, в которых полярности третьей и гомопуриновой цепей противоположны.
G-квадруплекс - 4-х спиральная ДНК. Такая структура образуется в случае, если имеются четыри гуанина, которые образуют так называемый G-квадруплекс - хоровод из четырех гуанинов.
Первые намеки на возможность образования таких структур были получены задолго до прорывной работы Уотсона и Крика - еще в 1910 году. Тогда немецкий химик Ивар Банг обнаружил, что один из компонентов ДНК - гуанозиновая кислота - при высоких концентрациях образует гели, в то время как другие составные части ДНК таким свойством не обладают.
В 1962 году с помощью рентгеноструктурного метода удалось установить структуру ячейки этого геля. Она оказалась составлена из четырех остатков гуанина, связывающих друг друга по кругу и образующих характерный квадрат. В центре связь поддерживает ион металла (Na, K, Mg). Такие же структуры могут образовываться и в ДНК, если в ней много гуанина. Эти плоские квадраты (G-квартеты) складываются в стопки, и получаются довольно устойчивые, плотные структуры (G-квадруплексы).
В четырехспиральные комплексы могут сплетаться четыре отдельные цепочки ДНК, но это скорее является исключением. Чаще единственная нить нуклеиновой кислоты просто завязывается в узел, образуя характерные утолщения (например, на концах хромосом), либо двуцепочечная ДНК на каком-то богатом гуанином участке образует локальный квадруплекс.
Наиболее изучено существование квадруплексов на концах хромосом - на теломерах и в онкопромоторах. Однако до сих пор полное представление о локализации такой ДНК в человеческих хромосомах не известно.
Все эти необычные структуры ДНК в линейной форме нестабильны по сравнению с В-формой ДНК. Однако ДНК часто существует в кольцевой форме топологического напряжения, когда у нее имеется так называемая сверхспирализация. В этих условиях легко образуются неканонические структуры ДНК: Z-формы, "кресты" и "шпильки", H-формы, гуаниновые квадруплексы и i-мотив.
- Суперспирализированная форма - отмечается при выделении из ядра клетки без повреждения пентозо-фосфатного остова. Имеет форму сверхскрученных замкнутых колец. В сверхскрученном состоянии двойная спираль ДНК хотя бы один раз "перекручена сама на себя", т. е. содержит хотя бы один супервиток (принимает форму восьмерки).
- Релаксированное состояние ДНК - наблюдается при одиночном разрыве (разрыве одной нити). При этом супервитки исчезают и ДНК принимает форму замкнутого кольца.
- Линейная форма ДНК - наблюдается при разрыве двух нитей двойной спирали.
Третичная структура ДНК
Третичная структура ДНК образуется в результате дополнительного скручивания в пространстве двуспиральной молекулы - ее суперспирализации. Суперспирализации молекулы ДНК в эукариотических клетках в отличие от прокариот осуществляется в форме комплексов с белками.
ДНК эукариот почти вся находится в хромосомах ядер, лишь небольшое количество ее содержится в митохондриях, а у растений и в пластидах. Основное вещество хромосом эукариотических клеток (в том числе и хромосом человека) - это хроматин, состоящий из двухцепочечной ДНК, гистоновых и негистоновых белков.
Гистоновые белки хроматина
Гистоны - простые белки, составляют до 50% хроматина. Во всех изученных клетках животных и растений обнаружено пять основных классов гистонов: H1, H2A, H2B, H3, H4, различающихся по размерам, аминокислотному составу и величине заряда (всегда положительный).
Гистон Н1 млекопитающих состоит из одной полипептидной цепи, содержащей примерно 215 аминокислот; размеры других же гистонов варьируют от 100 до 135 аминокислот. Все они спирализованы и скручены в глобулу диаметром около 2,5 нм, содержат необычно большое количество положительно заряженных аминокислот лизина и аргинина. Гистоны могут быть ацетилированы, метилированы, фосфорилированы, поли(АДФ)-рибозилированы, а гистоны Н2А и Н2В – ковалентно связаны с убиквитином. Какова роль таких модификаций в становлении структуры и выполнении функций гистонами до конца пока не выяснено. Предполагается, что в этом заключается их способность взаимодействовать с ДНК и обеспечивать один из механизмов регуляции действия генов.
Гистоны взаимодействуют с ДНК в основном через ионные связи (солевые мостики), образующиеся между отрицательно заряженными фосфатными группами ДНК и положительно заряженными лизиновыми и аргининовыми остатками гистонов.
Негистоновые белки хроматина
Негистоновые белки в отличие от гистонов очень разнообразны. Выделено до 590 разных фракций ДНК-связывающих негистоновых белков. Их еще называют кислыми белками, так как в их структуре преобладают кислые аминокислоты (они являются полианионами). С разнообразием негистоновых белков связывают специфическую регуляцию активности хроматина. Например ферменты, необходимые для репликации и экспрессии ДНК, могут связываться с хроматином временно. Другие белки, скажем, принимающие участие в различных процессах регуляции, связываются с ДНК только в специфических тканях или на определенных стадиях дифференциации. Каждый белок комплементарен определённой последовательности нуклеотидов ДНК (сайт ДНК). К этой группе относят:
- семейство сайт-специфических белков типа "цинковые пальцы". Каждый "цинковый палец" узнаёт определённый сайт, состоящий из 5 нуклеотидных пар.
- семейство сайт-специфических белков - гомодимеры. Фрагмент такого белка, контактирующий с ДНК, имеет структуру "спираль-поворот-спираль".
- белки высокой подвижности (HMG-белки - от англ, high mobility gel proteins) - группа структурных и регуляторных белков, которые постоянно ассоциированы с хроматином. Они имеют молекулярную массу менее 30 кД и характеризуются высоким содержанием заряженных аминокислот. Благодаря небольшой молекулярной массе HMG-белки обладают высокой подвижностью при электрофорезе в полиакриламидном геле.
- ферменты репликации, транскрипции и репарации.
При участии структурных, регуляторных белков и ферментов, участвующих в синтезе ДНК и РНК, нить нуклеосом преобразуется в высококонденсированный комплекс белков и ДНК. Образованная структура в 10 000 раз короче исходной молекулы ДНК.
Хроматин
Хроматин - это комплекс белков с ядерной ДНК и неорганическими веществами. Основная часть хроматина неактивна. Она содержит плотно упакованную, конденсированную ДНК. Это гетерохроматин. Различают конститутивный, генетически неактивный хроматин (сателлитная ДНК) состоящий из неэкспрессируемых областей, и факультативный - неактивный в ряду поколений, но при определенных обстоятельствах способный эспрессировать.
Активный хроматин (эухроматин) неконденсированный, т.е. упакован менее плотно. В разных клетках его содержание составляет от 2 до 11%. В клетках головного мозга его больше всего - 10-11%, в клетках печени - 3-4 и почек - 2-3%. Отмечается активная транскрипция эухроматина. При этом его структурная организация позволяет использовать одну и ту же генетическую информацию ДНК, присущую данному виду организма, по-разному в специализированных клетках.
В электронном микроскопе изображение хроматина напоминает бусы: шаровидные утолщения размером около 10 нм, разделенные нитевидными перемычками. Эти шаровидные утолщения названы нуклеосомами. Нуклеосома является структурной единицей хроматина. Каждая нуклеосома содержит сверхспиральный сегмент ДНК длиной 146 пар нуклеотидов, намотанный с образованием 1,75 левых витков на нуклеосомный кор. Нуклеосомный кор – это гистоновый октамер, состоящий из гистонов Н2А, Н2В, Н3 и Н4, по две молекулы каждого вида (рис. 9), который выглядит как диск диаметром 11 нм и толщиной 5,7 нм. Пятый гистон, Н1, не входит в состав нуклеосомного кора и не участвует в процессе наматывания ДНК на гистоновый октамер. Он контактирует с ДНК в тех местах, где двойная спираль входит и выходит из нуклеосомного кора. Это межкоровые (линкерные) участки ДНК, длина которых варьирует в зависимости от типа клеток от 40 до 50 нуклеотидных пар. В результате этого варьирует и длина фрагмента ДНК, входящего в состав нуклеосом (от 186 до 196 нуклеотидных пар).
В состав нуклеосом входит примерно 90% ДНК, остальная ее часть приходится на линкер. Считается, что нуклеосомы - это фрагменты "молчащего" хроматина, а линкер - активного. Однако нуклеосомы могут развертываться и переходить в линейную форму. Развернутые нуклеосомы являются уже активным хроматином. Так наглядно проявляется зависимость функции от структуры. Можно считать, что чем больше хроматина находится в составе глобулярных нуклеосом, тем менее он активен. Очевидно, в разных клетках неодинаковая доля покоящегося хроматина связана с количеством таких нуклеосом.
На электронно-микроскопических фотографиях в зависимости от условий выделения и степени растяжения хроматин может выглядеть не только как длинная нить с утолщениями – "бусинками" нуклеосом, но и как более короткая и более плотная фибрилла (волокно) диаметром 30 нм, образование которой наблюдается при взаимодействии гистона Н1, связанного с линкерным участком ДНК и гистона Н3, что приводит к дополнительному скручиванию спирали из шести нуклеосом на виток с образованием соленоида диаметром 30 нм. При этом гистоновый белок может препятствовать транскрипции ряда генов и таким образом регулировать их активность.
В результате описанных выше взаимодействий ДНК с гистонами сегмент двойной спирали ДНК из 186 пар оснований со средним диаметром 2 нм и длиной 57 нм превращается в спираль диаметром 10 нм и длиной 5 нм. При последующем сжатии этой спирали до волокна диаметром 30 нм степень конденсации увеличивается еще в шесть раз.
В конечном итоге упаковка дуплекса ДНК с пятью гистонами приводит к 50-кратной конденсации ДНК. Однако даже столь высокая степень конденсации не может объяснить почти 50 000 - 100 000-кратное уплотнение ДНК в метафазной хромосоме. К сожалению детали дальнейшей упаковки хроматина вплоть до метафазной хромосомы пока не известны, поэтому можно рассматривать лишь общие особенности этого процесса.
Уровни компактизации ДНК в хромосомах
Каждая молекула ДНК упакована в отдельную хромосому. В диплоидных клетках человека содержится 46 хромосом, которые располагаются в ядре клетки. Общая длина ДНК всех хромосом клетки составляет 1,74 м, однако диаметр ядра, в которое упакованы хромосомы, в миллионы раз меньше. Такая компактная укладка ДНК в хромосомах и хромосом в ядре клетки обеспечивается разнообразными, гистоновыми и негистоновыми белками, взаимодействующими в определенной последовательности с ДНК (см выше). Компактизация ДНК в хромосомах позволяет уменьшить ее линейные размеры примерно в 10 000 раз - условно с 5 см до 5 мкм. Выделяют несколько уровней компактизации (рис. 10).
- двойная спираль ДНК - отрицательно заряженная молекула диаметром 2 нм и длиной несколько см.
- нуклеосомный уровень
- хроматин выглядит в электронном микроскопе как цепочка "бусин" – нуклеосом - "на нити". Нуклеосома - это универсальная структурная
единица, которая обнаруживается как в эухроматине, так и в гетерохроматине, в интерфазном ядре и метафазных хромосомах.
Нуклеосомный уровень компактизации обеспечивается специальными белками - гистонами. Восемь положительно заряженных гистоновых доменов образуют кор (сердцевину) нуклеосомы на которую наматывается отрицательно заряженная молекула ДНК. Это дает укорочение в 7 раз, при этом диаметр увеличивается с 2 до 11 нм.
- соленоидный уровень
Соленоидный уровень организации хромосом характеризуется скручиванием нуклеосомной нити и образованием из нее более толстых фибрилл 20-35 нм в диаметре - соленоидов или супербидов. Шаг соленоида равен 11 нм, на один виток приходится около 6-10 нуклеосом. Соленоидная упаковка считается наиболее вероятной, чем супербидная, согласно которой фибрилла хроматина диаметром 20-35 нм представляет собой цепь гранул, или супербидов, каждая из которых состоит из восьми нуклеосом. На соленоидном уровне линейный размер ДНК сокращается в 6-10 раз, диаметр увеличивается до 30 нм.
- петлевой уровень
Петлевой уровень обеспечивается негистоновыми сайт-специфическими ДНК-связывающими белками, которые распознают определенные последовательности ДНК и связываются с ними, образуя петли примерно по 30-300 тысяч пар оснований. Петля обеспечивает экспрессию генов, т.е. петля является не только структурным, но и функциональным образованием. Укорочение на этом уровне происходит в 20-30 раз. Диаметр увеличивается до 300 нм. Петлеобразные структуры типа "ламповых щеток" в ооцитах земноводных можно видеть на цитологических препаратах. Эти петли, видимо, суперспирализованы и представляют собой домены ДНК, соответствующие, вероятно, единицам транскрипции и репликации хроматина. Специфические белки фиксируют основания петель и, возможно, некоторые их внутренние участки. Петлеобразная доменная организация способствует укладке хроматина в метафазных хромосомах в спиральные структуры более высоких порядков.
- доменный уровень
Доменный уровень организации хромосом изучен недостаточно. На данном уровне отмечается образование петлевых доменов - структур из нитей (фибрилл) толщиной 25-30 нм, которые содержат 60% белка, 35% ДНК и 5% РНК, практически не видны во всех фазах клеточного цикла за исключением митоза и несколько беспорядочно распределены по клеточному ядру. Петлеобразные структуры типа "ламповых щеток" в ооцитах земноводных можно видеть на цитологических препаратах.
Петлевые домены своим основанием прикрепляются к внутриядерному белковому матриксу в так называемых встроенных местах прикрепления, часто обозначаемых как MAR/SAR-последовательности (MAR, от англ. matrix associated region; SAR, от англ. scaffold attachment regions) – фрагментах ДНК протяженностью в несколько сотен пар оснований, которые характеризуются высоким содержанием (>65%) А/Т пар нуклеотидов. Каждый домен, по-видимому, имеет одну точку начала репликации и функционирует как автономная сверхспиральная единица. Любой петельный домен содержит множество единиц транскрипции, функционирование которых, вероятно, координируется – весь домен находиться либо в активном, либо в неактивном состоянии.
На доменном уровне в результате последовательной упаковки хроматина присходит уменьшение линейных размеров ДНК примерно в 200 раз (700 нм).
- хромосомный уровень
На хромосомном уровне происходит конденсация профазной хромосомы в метафазную с уплотнением петельных доменов вокруг осевого каркаса негистоновых белков. Эта суперспирализация сопровождается фосфорилированием в клетке всех молекул H1. В результате метафазную хромосому можно изобразить в виде плотно уложенных соленоидных петель, свернутых в тугую спираль. Типичная хромосома человека может содержать до 2600 петель. Толщина такой структуры достигает 1400 нм (две хроматиды), а молекула ДНК при этом укорачивается в 104 раз, т.е. с 5 см растянутой ДНК до 5 мкм.
Функции хромосом
Во взаимодействии с внехромосомными механизмами хромосомы обеспечивают
- хранение наследственной информации
- использование этой информации для создания и поддержания клеточной организации
- регуляцию считывания наследственной информации
- самоудвоение генетического материала
- передачу генетического материала от материнской клетки дочерним.
Существуют данные, что при активировании участка хроматина, т.е. при транскрипции, с него обратимо удаляются сначала гистон H1, а затем и октет гистонов. Это вызывает деконденсацию хроматина, последовательный переход 30-нанометровой фибриллы хроматина в 10-нанометровую нить и ее дальнейшее разворачивание в участки свободной ДНК, т.е. утрату нуклеосомной структуры.
Для детального понимания сути метода ПЦР-диагностики необходимо совершить небольшой экскурс в школьный курс биологии.
Еще из школьных учебников мы знаем, что дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) — универсальный носитель генетической информации и наследственных признаков у всех существующих на Земле организмов. Исключение составляют только некоторые микроорганизмы, например, вирусы — универсальным носителем генетической информации у них является РНК - одноцепочечная рибонуклеиновая кислота.
Строение ДНК-молекулы
Открытие ДНК молекулы произошло в 1953 году. Френсис Крик и Джеймс Уотсон открыли структуру двойной спирали ДНК, их работа впоследствии была отмечена Нобелевской премией.
ДНК представляет собой двойную нить, скрученную в спираль. Каждая нить состоит из «кирпичиков» — из последовательно соединенных нуклеотидов. Каждый нуклеотид ДНК содержит одно из четырёх азотистых оснований — гуанин (G), аденин (A) (пурины), тимин (T) и цитозин (C) (пиримидины), связанное с дезоксирибозой, к последней, в свою очередь, присоединена фосфатная группа. Между собой соседние нуклеотиды соединены в цепи фосфодиэфирной связью, образованной 3’-гидроксильной (3’-ОН) и 5’-фосфатной группами (5’-РО3). Это свойство обуславливает наличие полярности в ДНК, т. е. противоположной направленности, а именно 5’- и 3’-концов: 5’-концу одной нити соответствует 3’-конец второй нити.
0Array ( => Анализы) Array ( => 2) Array ( =>.html) 2
Структура ДНК
Первичная структура ДНК — это линейная последовательность нуклеотидов ДНК в цепи. Последовательность нуклеотидов в цепи ДНК записывают в виде буквенной формулы ДНК: например — AGTCATGCCAG, запись ведется с 5’- на 3’-конец цепи ДНК.
Вторичная структура ДНК образуется за счет взаимодействий нуклеотидов (в большей степени азотистых оснований) между собой, водородных связей. Классический пример вторичной структуры ДНК — двойная спираль ДНК. Двойная спираль ДНК — самая распространенная в природе форма ДНК, состоящая из двух полинуклеотидных цепей ДНК. Построение каждой новой цепи ДНК осуществляется по принципу комплементарности, т. е. каждому азотистому основанию одной цепи ДНК соответствует строго определенное основание другой цепи: в комплемнтарной паре напротив A стоит T, а напротив G располагается C и т.д.
Синтез ДНК. Репликация
Уникальным свойством ДНК является ее способность удваиваться (реплицироваться). В природе репликация ДНК происходит следующим образом: с помощью специальных ферментов (гираз), которые служат катализатором (веществами, ускоряющими реакцию), в клетке происходит расплетение спирали в том ее участке, где должна происходить репликация (удвоение ДНК). Далее водородные связи, которые связывают нити, разрываются и нити расходятся.
В построении новой цепи активным «строителем» выступает специальный фермент — ДНК-полимераза. Для удвоения ДНК необходим также стратовый блок или «фундамент», в качестве которого выступает небольшой двухцепочечный фрагмент ДНК. Этот стартовый блок, а точнее - комплементарный участок цепи родительской ДНК — взаимодействует с праймером — одноцепочечным фрагментом из 20—30 нуклеотидов. Происходит репликация или клонирование ДНК одновременно на обеих нитях. Из одной молекулы ДНК образуются две молекулы ДНК, в которых одна нить от материнской молекулы ДНК, а вторая, дочерняя, вновь синтезированная.
гастроэнтерологиядиагностический комплекс - 5 360 рублей
ТОЛЬКО В МАРТЕэкономия - 15%
1000 рублейснятие ЭКГ с расшифровкой
- 25%первичный
приём врача
терапевта по выходным
980 руб.первичный прием гирудотерапевта
прием терапевта - 1 130 рублей (вместо 1500 рублей)"Только в марте, по субботам и воскресеньям, приём врача- терапевта со скидкой 25% - 1 130 руб., вместо 1 500руб.
(диагностические процедуры оплачиваются по прейскуранту)
Таким образом, процесс репликации ДНК (удваивания) включает в себя три основных этапа:
- Расплетение спирали ДНК и расхождение нитей
- Присоединение праймеров
- Образование новой цепи ДНК дочерней нити
В основе анализа методом ПЦР лежит принцип репликации ДНК — синтеза ДНК, который современным ученым удалось воссоздать искусственно: в лаборатории врачи вызывают удвоение ДНК, но только не всей цепи ДНК, а ее небольшого фрагмента.
Функции ДНК
Молекула ДНК человека — носитель генетической информации, которая записана в виде последовательности нуклеотидов с помощью генетического кода. В результате описанной выше репликации ДНК происходит передача генов ДНК от поколения к поколению.
Изменение последовательности нуклеотидов в ДНК (мутации) может приводить к генетическим нарушениям в организме.
15.04.2015 13.10.2015
Особенности структуры и функциональность «двойной спирали»
Сложно представить человека без генетических привычек, особенностей, наследственных изменений организма новорожденного. Оказывается, вся информация закодирована в пресловутых генах, что являются носителями генетической цепи нуклеотидов.
История открытия ДНК
Строение молекулы днк стало впервые известно миру в 1869 году. И.Ф. Мишер вывел известное для всех обозначение ДНК, которое состоит из клеток, а точнее молекул, отвечающих за передачу генетического кода развития живых организмов. Вначале это вещество называлось нуклеином, долгое время никто не мог определить количество цепочек структуры, их способы функционирования.
Сегодня ученые окончательно вывели состав днк, в который входят 4 типа нуклеотидов, что, в свою очередь, содержат:
· остатки фосфора Н3РО4;
· пептозы С5Н10О4;
· азотистого основания.
Все эти элементы находятся в клетке и входят в состав днк и соединяются в двойную спираль, которая была выведена Ф. Криком, Д. Уотсоном в 1953 году. Их исследования совершили прорыв в мире науке и медицине, работа стала основой для многих научных исследований, отворила врата для познания генетической наследственности каждого человека.
Структура соединений
Молекула ДНК находится в ядре, выполняя множество различных функций. Несмотря на то, что основная роль вещества – хранение информации гена, соединения отвечают за следующие виды работ:
· кодируют аминокислоту;
· контролируют работу клеток организма;
· вырабатывают белок для внешнего проявления генов.
Каждая часть соединения формирует спиралеобразные нити, так называемые хроматиды. Структурными единицами спирали являются нуклеотиды, которые находятся в середине цепи и дают возможность ДНК удваиваться. Это происходит таким образом:
1. Благодаря специальным ферментам в клетке организма производится расплетение спирали.
2. Водородные связи расходятся, освобождая фермент — полимераз.
3. Родительская молекула ДНК соединяется с одноцепочным фрагментом из 30 нуклеотидов.
4. Образуются две молекулы, в которых одна нить – материнская, вторая – синтетическая.
Чего же нуклеотидные цепочки еще обертываются вокруг нити? Дело в том, что количество ферментов очень большое, а таким образом, они беспрепятственно помещаются на одной оси. Такое явление носит название спирализация, нити укорачиваются в несколько раз, иногда до 30 единиц.
Молекулярно-генетические методы использования ДНК в медицине
Молекула ДНК, дала возможность человечеству имеет использовать структуру нуклеотидных соединений в различных направлениях. В первую очередь для диагностики наследственных заболеваний. Для моногенных заболеваний в результате сцепного наследования. При выявлении истории инфекционных, онкологических эксцессов. А также в судебной медицине для идентификации личности.
Возможностей использования ДНК очень много, на сегодняшний день имеется список моногенных болезней, что вышли из списка смертельных, благодаря концепции развития строений соединений и диагностики молекулярного биополя. В перспективе можно говорить о «генетическом документе новорожденного», который будет содержать весь список распространенных заболеваний индивидуального характера.
Все молекулярно-генетические процессы еще не изучены, это довольно сложный и трудоемкий механизм. Возможно, многие генетические болезни смогут предотвратить уже в скором будущем, изменив структуру зарожденной жизни человека!
Что же еще запланировано в будущем на основе этого вещества?
Компьютерные программы на базе нуклеотидных нитей имеют радужные перспективы для создания сверхумных вычислительных роботов. Родоначальником такой идеи является Л. Адлеман.
Задумка изобретения такова: для каждой нити синтезируется последовательность молекулярных оснований, которые смешиваются между собой и формируют различные варианты РНК. Такой компьютер сможет выполнять данные с точностью до 99,8%. По мнению ученых-оптимистов, такое направление скоро перестанет быть экзотикой, а через 10 лет станет видимой реальностью.
Воплощать в жизнь ДНК-компьютеры будут в живых клетках, выполняя цифровые программы, которые будут взаимодействовать с биохимическими процессами организма. Первые схемы таких молекул уже изобретены, значит, скоро начнется серийное их производство.
Удивительные и необыкновенные факты о ДНК
Интересный исторический факт свидетельствует о том, что множество лет назад «хомо сапиенс» скрещивались с неандертальцами. Сведения подтвердились в медицинском центре Италии, где был определен митохондрильный ДНК найденной особы, которой было предположительно 40 000 лет. Она унаследовала его от поколения людей-мутантов, которые много лет назад исчезли с планеты Земля.
Еще один факт повествует о составе ДНК. Известно случаи, когда беременности зачинаются как близнецы, но один из зародышей 
«втягивает в себя» другого. Это означает, что в организме новорожденного будет 2 ДНК. Такое явление известно многим из картинок истории греческой мифологии, когда организмы обладали несколькими частями тела разных животных. На сегодняшний день множество людей живут и не знают о том, что являются носителями двух структурных соединений. Даже генетические исследования не всегда могут подтвердить эти данные.
Внимание: в мире есть удивительные существа, чье ДНК являются вечными, а особы – бессмертными. Так ли это? Теория старения очень непростая. Говоря простыми словами, с каждым делением клетка теряет свою силу. Однако, если иметь постоянную структурную нить, то можно жить вечно. Некие омары, черепахи при особых условиях могут жить очень долго. Но вот болезни никто не отменял, это становиться причиной многих смертей животных-долгожителей.
ДНК дарит надежду на улучшение жизни каждого живого организма, помогая диагностировать тяжелые недуги, становиться более развитыми, совершенными личностями.
