ВходЧовешка ДНК молекула. Как работят гените, какво е РНК, нуклеотиди, протеинов синтез. Структура на ДНК Структура на ДНК молекула ген
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 пакетирани 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. Последователността им на подреждане във веригите на молекулите на нуклеиновите киселини е строго специфична за клетките на различните 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 конструирането 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 видове може да се различава 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 индиректна индикация за възможната структура на ДНК е предоставена от данните на L. Pauling 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, задържана на място 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 разкриха 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 разстоянието между последователните 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 приема, 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 опции 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 разположен 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 дезоксирибоза чрез силна 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 (T) винаги е срещу аденин (A) и само цитозин (C) е 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 бази с ароматна структура във воден разтвор са разположени една над друга, образувайки, така да се каже, купчина монети. Този процес на формиране на купчини от органични молекули се нарича наслагване. 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).
Водородните връзки между комплементарни бази (хоризонтално) и взаимодействията на наслагване между равнините на бази в полинуклеотидна верига, дължащи се на силите на Ван дер Ваалс (вертикално), осигуряват 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 една рентгенова снимка. 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 спирална конформация има 11 базови двойки на завой. 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-форма ДНК се намира в спорите. Установено е, че А-формата на ДНК е 10 пъти по-устойчива на UV лъчи от В-формата.
A-формата и B-формата се наричат канонични форми на ДНК.
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 завой е 9,33, дължината 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 C 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-формата се е превърнала в един от най-важните структурни елементи на ДНК поради факта, че нейното образуване е наблюдавано в области на ДНК, където пурините се редуват с пиримидини (например 5'-GCGCGC-3'), или в повторения 5 '-CGCGCG-3', съдържащ метилиран цитозин. Съществено условие за образуването и стабилизирането на Z-ДНК е наличието на пуринови нуклеотиди в него 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 за ДНК секции, този термин (палиндром) означава същото 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 новата структура е наречена Н-форма на ДНК, образуването на която е открито в суперспирални 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”, Н-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 еднократно прекъсване (прекъсване 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; само малко количество се съдържа 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
Хистоните са прости протеини, които 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 другите 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 предимно 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. Нещо повече, неговата структурна организация позволява същата генетична ДНК 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 още шест пъти.
В крайна сметка опаковането на ДНК дуплекс с пет хистона води до 50-кратна кондензация на ДНК. Но дори такава висока степен на кондензация 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.
Нуклеозомното ниво на уплътняване 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 домейна насърчава сгъването на хроматина в метафазните хромозоми в спирални структури от по-висок порядък.
- 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, са практически невидими във всички фази на клетъчния цикъл с с 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 метафазна 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 транскрипция, 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.
Дезоксирибонуклеинова киселина (ДНК) - макромолекула (една от трите основни, другите две са РНК и протеини), осигуряваща съхранение, предаване от поколение на поколение и изпълнение на генетичната програма за развитието и функционирането на живите организми. ДНК съдържа информация за структурата на различни видове РНК и протеини.
В еукариотните клетки (животни, растения и гъби) ДНК се намира в клетъчното ядро като част от хромозомите, както и в някои клетъчни органели (митохондрии и пластиди). В клетките на прокариотните организми (бактерии и археи) кръгова или линейна ДНК молекула, така нареченият нуклеоид, е прикрепена отвътре към клетъчната мембрана. В тях и в нисшите еукариоти (например дрожди) също се откриват малки автономни, предимно кръгови ДНК молекули, наречени плазмиди. В допълнение, едно- или двуверижни ДНК молекули могат да образуват генома на ДНК вируси.
От химическа гледна точка ДНК е дълга полимерна молекула, състояща се от повтарящи се блокове - нуклеотиди. Всеки нуклеотид се състои от азотна основа, захар (дезоксирибоза) и фосфатна група. Връзките между нуклеотидите във веригата се образуват от дезоксирибоза и фосфатна група (фосфодиестерни връзки). В по-голямата част от случаите (с изключение на някои вируси, съдържащи едноверижна ДНК), макромолекулата на ДНК се състои от две вериги, ориентирани с азотни бази една към друга. Тази двуверижна молекула е спирална. Цялостната структура на ДНК молекулата се нарича „двойна спирала“.
Декодирането на структурата на ДНК (1953) е една от повратните точки в историята на биологията. За изключителния си принос към това откритие Франсис Крик, Джеймс Уотсън и Морис Уилкинс са удостоени с Нобелова награда за физиология или медицина през 1962 г. Розалинд Франклин, която получава рентгеновите изображения, без които Уотсън и Крик не биха могли да направят заключения. за структурата на ДНК, почина през 1958 г. от рак, а Нобеловата награда, уви, не се дава посмъртно.
История на изследването
Структура на молекулата
Нуклеотиди
Двойна спирала
Образуване на връзки между спиралите
Химични модификации на бази
увреждане на ДНК
Супер засукано
Структури в краищата на хромозомите
Биологични функции
Структура на генома
Непротеинови кодиращи геномни последователности
Транскрипция и излъчване
Репликация
Взаимодействие с протеини
Структурни и регулаторни протеини
Ензими, модифициращи ДНК
Топоизомерази и хеликази
Нуклеази и лигази
Полимерази
Генетична рекомбинация
Еволюция на базирания на ДНК метаболизъм
Библиография
История на изследването
ДНК като химично вещество е изолирано от Йохан Фридрих Мишер през 1868 г. от остатъците от клетки, съдържащи се в гной. Той изолира вещество, съдържащо азот и фосфор. Първоначално новото вещество беше наречено нуклеин, а по-късно, когато Miescher установи, че това вещество има киселинни свойства, веществото беше наречено нуклеинова киселина. Биологичната функция на новооткритото вещество беше неясна и дълго време ДНК се смяташе за склад на фосфор в тялото. Освен това, дори в началото на 20-ти век, много биолози вярваха, че ДНК няма нищо общо с трансфера на информация, тъй като структурата на молекулата според тях е твърде еднаква и не може да съдържа кодирана информация.
Постепенно се доказва, че именно ДНК, а не протеините, както се смяташе досега, е носител на генетична информация. Едно от първите убедителни доказателства идва от експериментите на O. Avery, Colin McLeod и McLean McCarthy (1944) върху трансформацията на бактериите. Те успяха да покажат, че така наречената трансформация (придобиването на патогенни свойства от безвредна култура в резултат на добавянето на мъртви патогенни бактерии към нея) е отговорна за ДНК. Експеримент на американски учени Алфред Хърши и Марта Чейс (Hershey Chase experiment 1952) с протеини и ДНК на бактериофаги, белязани с радиоактивни изотопи, показа, че само нуклеиновата киселина на фага се прехвърля в заразената клетка, а новото поколение фаги съдържа същите протеини и нуклеинова киселина като един оригинален фаг
До 50-те години на 20 век точната структура на ДНК, както и методът за предаване на наследствена информация, остават неизвестни. Въпреки че беше известно със сигурност, че ДНК се състои от няколко вериги от нуклеотиди, никой не знаеше колко точно са тези вериги и как са свързани.
Структурата на двойната спирала на ДНК е предложена от Франсис Крик и Джеймс Уотсън през 1953 г. въз основа на данни от рентгенова дифракция, получени от Морис Уилкинс и Розалинд Франклин, и „правилата на Чаргаф“, според които във всяка ДНК молекула се наблюдават строги взаимоотношения , свързващ броя на азотните основи от различни видове. По-късно моделът на структурата на ДНК, предложен от Уотсън и Крик, е доказан и тяхната работа е удостоена с Нобелова награда за физиология или медицина през 1962 г. Розалинд Франклин, която по това време е починала от рак, не е сред лауреатите, тъй като наградата не се присъжда посмъртно.
Интересното е, че през 1957 г. американците Александър Рич, Гари Фелсенфелд и Дейвид Дейвис описват нуклеинова киселина, съставена от три спирали. А през 1985-1986 г. Максим Давидович Франк-Каменецки в Москва показа как двойноверижната ДНК се сгъва в така наречената H-форма, съставена не от две, а от три ДНК вериги.
Структура на молекулата.
Дезоксирибонуклеиновата киселина (ДНК) е биополимер (полианион), чийто мономер е нуклеотид.
Всеки нуклеотид се състои от остатък от фосфорна киселина, прикрепен в позиция 5" към захарната дезоксирибоза, към която една от четирите азотни бази също е прикрепена чрез гликозидна връзка (C-N) в позиция 1". Това е наличието на характерна захар, която представлява една от основните разлики между ДНК и РНК, записана в имената на тези нуклеинови киселини (РНК съдържа захарта рибоза). Пример за нуклеотид е аденозин монофосфат, в който основата, прикрепена към фосфата и рибозата, е аденин (показан на фигурата).
Въз основа на структурата на молекулите, основите, които изграждат нуклеотидите, се разделят на две групи: пурини (аденин [A] и гуанин [G]) се образуват от свързани пет- и шестчленни хетероцикли; пиримидини (цитозин [C] и тимин [T]) - шестчленен хетероцикъл.
По изключение, например, в бактериофага PBS1 се открива пети тип база в ДНК - урацил ([U]), пиримидинова база, която се различава от тимина по липсата на метилова група на пръстена, обикновено заместваща тимина в РНК.
Трябва да се отбележи, че тиминът и урацилът не са толкова строго ограничени съответно до ДНК и РНК, както се смяташе преди. По този начин, след синтеза на някои РНК молекули, значителен брой урацили в тези молекули се метилират с помощта на специални ензими, превръщайки се в тимин. Това се случва в транспортните и рибозомните РНК.
Двойна спирала.
ДНК полимерът има доста сложна структура. Нуклеотидите са свързани заедно ковалентно в дълги полинуклеотидни вериги. В по-голямата част от случаите тези вериги (с изключение на някои вируси с едноверижни ДНК геноми) се комбинират по двойки с помощта на водородни връзки във вторична структура, наречена двойна спирала. Гръбнакът на всяка верига се състои от редуващи се захарни фосфати. В рамките на една ДНК верига съседните нуклеотиди са свързани чрез фосфодиестерни връзки, които се образуват в резултат на взаимодействието между 3"-хидроксилната (3"-OH) група на дезоксирибозната молекула на един нуклеотид и 5"-фосфатната група ( 5"-PO 3) на другия. Асиметричните краища на ДНК веригата се наричат 3" (три първични) и 5" (пет първични). Полярността на веригата играе важна роля в синтеза на ДНК (удължаването на веригата е възможно само чрез добавяне на нови нуклеотиди към свободния 3" край).
Както бе споменато по-горе, в по-голямата част от живите организми ДНК се състои не от една, а от две полинуклеотидни вериги. Тези две дълги вериги са усукани една около друга под формата на двойна спирала, стабилизирана от водородни връзки, образувани между азотните основи на веригите, обърнати една срещу друга. В природата тази спирала най-често е дясна. Посоките от края 3" до края 5" в двете вериги, които изграждат ДНК молекулата, са противоположни (веригите са „антипаралелни” една на друга).
Ширината на двойната спирала е от 22 до 24 A, или 2,2 - 2,4 nm, дължината на всеки нуклеотид е 3,3 Å (0,33 nm). Точно както можете да видите стъпала в вита стълба отстрани, върху двойна спирала на ДНК, в пространствата между фосфатния гръбнак на молекулата можете да видите ръбовете на основите, чиито пръстени са разположени в равнина, перпендикулярна спрямо надлъжната ос на макромолекулата.
В двойна спирала има малки (12 Å) и големи (22 Å) жлебове. Протеини, като транскрипционни фактори, които се свързват със специфични последователности в двойноверижна ДНК, обикновено взаимодействат с краищата на базите в голямата бразда, където са по-достъпни.
Всяка основа на една от нишките се свързва с една специфична база на втората нишка. Това специфично свързване се нарича комплементарно. Пурините са комплементарни на пиримидините (т.е. способни са да образуват водородни връзки с тях): аденинът образува връзки само с тимин, а цитозинът с гуанин. В двойна спирала нишките също са свързани чрез хидрофобни взаимодействия и подреждане, които са независими от последователността на ДНК базите.
Допълването на двойна спирала означава, че информацията, съдържаща се в едната верига, се съдържа и в другата верига. Обратимостта и специфичността на взаимодействията между комплементарни базови двойки е важна за репликацията на ДНК и всички други функции на ДНК в живите организми.
Тъй като водородните връзки са нековалентни, те лесно се разкъсват и реформират. Веригите с двойна спирала могат да се раздалечат като ципа под действието на ензими (хеликази) или при високи температури. Различните базови двойки образуват различен брой водородни връзки. ATs са свързани с две, GCs с три водородни връзки, така че разкъсването на GCs изисква повече енергия. Процентът GC двойки и дължината на ДНК молекулата определят количеството енергия, необходимо за дисоциация на веригите: дългите ДНК молекули с по-високо съдържание на GC са по-рефрактерни.
Части от ДНК молекули, които поради техните функции трябва да бъдат лесно разделени, като ТАТА последователността в бактериални промотори, обикновено съдържат големи количества А и Т.
Азотните бази в ДНК могат да бъдат ковалентно модифицирани, което се използва при регулирането на генната експресия. Например, в клетки на гръбначни животни, метилирането на цитозин за получаване на 5-метилцитозин се използва от соматичните клетки за предаване на профила на генна експресия към дъщерните клетки. Метилирането на цитозин не засяга сдвояването на основите в двойната спирала на ДНК. При гръбначните животни метилирането на ДНК в соматичните клетки е ограничено до метилиране на цитозин в CG последователността. Средното ниво на метилиране е различно в различните организми, например в нематода Caenorhabditis elegansНе се наблюдава метилиране на цитозин, а при гръбначните се установява високо ниво на метилиране - до 1%. Други базови модификации включват метилиране на аденин в бактерии и гликозилиране на урацил за образуване на "J-база" в кинетопласти.
Метилирането на цитозин до образуване на 5-метилцитозин в промоторната част на гена корелира с неговото неактивно състояние. Метилирането на цитозин също е важно за инактивирането при бозайници. Метилирането на ДНК се използва при геномно отпечатване. По време на карциногенезата настъпват значителни промени в профила на метилиране на ДНК.
Въпреки биологичната си роля, 5-метилцитозинът може спонтанно да загуби своята аминова група (деаминат), за да се превърне в тимин, така че метилираните цитозини са източник на увеличен брой мутации.
NK могат да бъдат увредени от различни мутагени, които включват окисляващи и алкилиращи вещества, както и от високоенергийно електромагнитно лъчение - ултравиолетови и рентгенови лъчи. Типът увреждане на ДНК зависи от вида на мутагена. Например, ултравиолетовото лъчение уврежда ДНК чрез образуване на тиминови димери в нея, които възникват, когато се образуват ковалентни връзки между съседни бази.
Оксиданти като свободни радикали или водороден пероксид причиняват няколко вида увреждане на ДНК, включително базови модификации, особено гуанозин, както и двойноверижни разкъсвания в ДНК. Според някои оценки около 500 бази се увреждат ежедневно от окислителни съединения във всяка човешка клетка. Сред различните видове увреждания най-опасни са двуверижните скъсвания, тъй като те са трудни за възстановяване и могат да доведат до загуба на хромозомни участъци (делеции) и транслокации.
Много мутагенни молекули се вмъкват (интеркалират) между две съседни базови двойки. Повечето от тези съединения, като етидий, даунорубицин, доксорубицин и талидомид, имат ароматна структура. За да може интеркалиращото съединение да се побере между основите, те трябва да се раздалечат, развивайки и нарушавайки структурата на двойната спирала. Тези промени в структурата на ДНК пречат на транскрипцията и репликацията, причинявайки мутации. Следователно интеркалиращите съединения често са канцерогени, най-известните от които са бензопирен, акридин и афлатоксин. Въпреки тези отрицателни свойства, поради способността им да инхибират ДНК транскрипцията и репликацията, интеркалиращите съединения се използват в химиотерапията за потискане на бързо растящите ракови клетки.
Ако вземете краищата на въжето и започнете да ги усуквате в различни посоки, то става по-късо и на въжето се образуват „супер завои“. ДНК също може да бъде супернавита. В нормалното си състояние ДНК веригата прави едно завъртане на всеки 10,4 бази, но в супернавито състояние спиралата може да бъде навита по-здраво или разплетена. Има два вида суперусукване: положително - в посока на нормални завои, при което основите са разположени по-близо една до друга; и отрицателни - в обратна посока. В природата молекулите на ДНК обикновено се намират в отрицателна свръхнавивка, която се въвежда от ензими – топоизомерази. Тези ензими премахват допълнителното усукване, което се получава в ДНК в резултат на транскрипция и репликация.
В краищата на линейните хромозоми има специализирани ДНК структури, наречени теломери. Основната функция на тези региони е да поддържат целостта на краищата на хромозомите. Теломерите също защитават краищата на ДНК от разграждане от екзонуклеази и предотвратяват активирането на системата за възстановяване. Тъй като конвенционалните ДНК полимерази не могат да репликират 3" краищата на хромозомите, специален ензим, теломераза, прави това.
В човешките клетки теломерите често са едноверижна ДНК и се състоят от няколко хиляди повтарящи се единици от последователността TTAGGY. Тези богати на гуанин последователности стабилизират краищата на хромозомите, образувайки много необичайни структури, наречени G-квадплекси, които се състоят от четири, а не от две взаимодействащи си бази. Четири гуанинови бази, всички атоми на които са в една равнина, образуват плоча, стабилизирана от водородни връзки между базите и хелатиране на метален йон (най-често калиев) в центъра. Тези плочи са подредени една над друга.
В краищата на хромозомите могат да се образуват и други структури: базите могат да бъдат разположени в една и съща верига или в различни паралелни вериги. В допълнение към тези подредени структури, теломерите образуват големи структури, подобни на бримки, наречени Т-бримки или теломерни бримки. При тях едноверижната ДНК е подредена под формата на широк пръстен, стабилизиран от теломерни протеини. В края на Т-примката, едноверижна теломерна ДНК се присъединява към двойноверижна ДНК, нарушавайки сдвояването на нишките в тази молекула и образувайки връзки с една от нишките. Тази триверижна формация се нарича D-примка.
ДНК е носител на генетична информация, записана като последователност от нуклеотиди с помощта на генетичния код. Две основни свойства на живите организми са свързани с ДНК молекулите - наследственост и изменчивост. По време на процес, наречен репликация на ДНК, се формират две копия на оригиналната верига, които се наследяват от дъщерните клетки, когато се разделят, така че получените клетки са генетично идентични с оригинала.
Генетичната информация се реализира по време на експресията на генома в процесите на транскрипция (синтез на РНК молекули върху ДНК шаблон) и транслация (синтез на протеини върху РНК шаблон).
Последователността от нуклеотиди „кодира“ информация за различни видове РНК: информационна или шаблонна (mRNA), рибозомна (rRNA) и транспортна (tRNA). Всички тези видове РНК се синтезират от ДНК по време на процеса на транскрипция. Тяхната роля в биосинтезата на протеини (процес на транслация) е различна. Месинджър РНК съдържа информация за последователността на аминокиселините в протеина, рибозомната РНК служи като основа за рибозомите (сложни нуклеопротеинови комплекси, чиято основна функция е сглобяването на протеини от отделни аминокиселини на базата на иРНК), трансферните РНК доставят амино киселини до мястото на сглобяване на протеини - до активния център на рибозомата, "пълзейки" по иРНК.
Повечето естествени ДНК имат двойноверижна структура, линейна (еукариоти, някои вируси и определени родове бактерии) или кръгова (прокариоти, хлоропласти и митохондрии). Някои вируси и бактериофаги съдържат линейна едноверижна ДНК. Молекулите на ДНК са в плътно опаковано, кондензирано състояние. В еукариотните клетки ДНК е разположена главно в ядрото под формата на набор от хромозоми. Бактериалната (прокариотна) ДНК обикновено е представена от единична кръгова ДНК молекула, разположена в структура с неправилна форма в цитоплазмата, наречена нуклеоид. Генетичната информация на генома се състои от гени. Генът е единица за предаване на наследствена информация и участък от ДНК, който засяга определена характеристика на даден организъм. Генът съдържа отворена четяща рамка, която се транскрибира, както и регулаторни елементи, като промотор и енхансер, които контролират експресията на отворените четящи рамки.
При много видове само малка част от цялата последователност на генома кодира протеини. Така само около 1,5% от човешкия геном се състои от протеин-кодиращи екзони, а повече от 50% от човешката ДНК се състои от некодиращи повтарящи се ДНК последователности. Причините за наличието на такова голямо количество некодираща ДНК в еукариотните геноми и огромната разлика в размерите на генома (C-стойност) е една от неразрешените научни мистерии; Изследванията в тази област също показват голям брой реликтови вирусни фрагменти в тази част от ДНК.
В момента се натрупват все повече и повече доказателства, които противоречат на идеята за некодиращите последователности като „нежелана ДНК“. нежелана ДНК). Теломерите и центромерите съдържат малък брой гени, но те са важни за функцията и стабилността на хромозомите. Често срещана форма на човешки некодиращи последователности са псевдогените, копия на гени, инактивирани в резултат на мутации. Тези последователности са нещо като молекулярни вкаменелости, въпреки че понякога могат да служат като изходен материал за генно дублиране и последваща дивергенция. Друг източник на разнообразие от протеини в тялото е използването на интрони като "линии за рязане и залепване" при алтернативно снаждане. И накрая, непротеинови кодиращи последователности могат да кодират клетъчни допълнителни РНК, като snRNA. Скорошно изследване на транскрипцията на човешкия геном показа, че 10% от генома води до полиаденилирана РНК, а изследване на миши геном показа, че 62% от него се транскрибира.
Генетичната информация, кодирана в ДНК, трябва да бъде прочетена и в крайна сметка изразена в синтеза на различните биополимери, които изграждат клетките. Последователността на базите в една верига на ДНК директно определя последователността на базите в РНК, към която тя е „пренаписана“ в процес, наречен транскрипция. В случая на иРНК тази последователност определя аминокиселините на протеина. Връзката между нуклеотидната последователност на иРНК и аминокиселинната последователност се определя от правилата за транслация, които се наричат генетичен код. Генетичният код се състои от трибуквени „думи“, наречени кодони, съставени от три нуклеотида (т.е. ACT CAG TTT и т.н.). По време на транскрипцията нуклеотидите на гена се копират върху РНК, която се синтезира от РНК полимераза. В случая на иРНК, това копие се декодира от рибозома, която „чете“ последователността на иРНК чрез сдвояване на информационната РНК с транспортни РНК, които са прикрепени към аминокиселини. Тъй като трибуквените комбинации използват 4 бази, има общо 64 възможни кодона (4³ комбинации). Кодоните кодират 20 стандартни аминокиселини, всяка от които съответства в повечето случаи на повече от един кодон. Един от трите кодона, които се намират в края на иРНК, не означава аминокиселина и определя края на протеина, това са "стоп" или "безсмислени" кодони - TAA, TGA, TAG.
Клетъчното делене е необходимо за едноклетъчно възпроизвеждане и многоклетъчен растеж, но преди да се раздели, клетката трябва да дублира своя геном, така че дъщерните клетки да съдържат същата генетична информация като оригиналната клетка. От няколко теоретично възможни механизма на удвояване (репликация) на ДНК се прилага полуконсервативният. Двете вериги се разделят и след това всяка липсваща комплементарна ДНК последователност се възпроизвежда от ензима ДНК полимераза. Този ензим изгражда полинуклеотидна верига, като намира правилната база чрез сдвояване на комплементарни бази и я прикрепя към нарастващата верига. ДНК полимеразата не може да започне нова верига, а само да удължи съществуваща, така че се нуждае от къса верига от нуклеотиди (праймер), синтезирана от праймаза. Тъй като ДНК полимеразите могат да изградят верига само в посока 5" --> 3", се използват различни механизми за копиране на антипаралелни вериги.
Всички функции на ДНК зависят от нейното взаимодействие с протеините. Взаимодействията могат да бъдат неспецифични, като протеинът се свързва с всяка ДНК молекула или зависят от наличието на специфична последователност. Ензимите също могат да взаимодействат с ДНК, най-важните от които са РНК полимеразите, които копират последователността от ДНК бази върху РНК при транскрипция или при синтеза на нова ДНК верига - репликация.
Добре проучени примери за взаимодействия между протеини и ДНК, които са независими от нуклеотидната последователност на ДНК, са взаимодействията със структурни протеини. В клетката ДНК е свързана с тези протеини, за да образува компактна структура, наречена хроматин. При прокариотите хроматинът се образува чрез прикрепването на малки алкални протеини - хистони - към ДНК; по-малко подреденият хроматин на прокариотите съдържа хистоноподобни протеини. Хистоните образуват дисковидна протеинова структура - нуклеозома, около всяка от които се побират две навивки на спиралата на ДНК. Неспецифичните връзки между хистоните и ДНК се образуват поради йонни връзки между алкалните аминокиселини на хистоните и киселинните остатъци на захарно-фосфатния скелет на ДНК. Химичните модификации на тези аминокиселини включват метилиране, фосфорилиране и ацетилиране. Тези химични модификации променят силата на взаимодействията между ДНК и хистоните, засягайки достъпността на специфични последователности до транскрипционни фактори и променяйки скоростта на транскрипция. Други протеини в хроматина, които се свързват с неспецифични последователности, са протеини с висока подвижност в гелове, които се свързват предимно с нагъната ДНК. Тези протеини са важни за образуването на структури от по-висок порядък в хроматина. Специална група ДНК-свързващи протеини са протеини, които се свързват с едноверижна ДНК. Най-добре характеризираният протеин от тази група при хората е репликационен протеин А, без който повечето процеси, при които двойната спирала се развива, включително репликация, рекомбинация и възстановяване, не могат да възникнат. Протеините в тази група стабилизират едноверижната ДНК и предотвратяват образуването на стволови бримки или разграждане от нуклеази.
В същото време други протеини разпознават и се прикрепят към специфични последователности. Най-изследваната група от такива протеини са различните класове транскрипционни фактори, тоест протеини, които регулират транскрипцията. Всеки от тези протеини разпознава различна последователност, често в промотор, и активира или потиска генната транскрипция. Това се случва, когато транскрипционните фактори се асоциират с РНК полимераза, директно или чрез междинни протеини. Полимеразата първо се свързва с протеини и след това започва транскрипция. В други случаи транскрипционните фактори могат да се прикрепят към ензими, които модифицират хистони, разположени върху промотори, което променя достъпа на ДНК до полимеразите.
Тъй като специфични последователности се срещат на много места в генома, промените в активността на един вид транскрипционен фактор могат да променят активността на хиляди гени. Съответно, тези протеини често се регулират в отговор на промените в околната среда, развитието на организма и клетъчната диференциация. Специфичността на взаимодействието на транскрипционните фактори с ДНК се осигурява от множество контакти между аминокиселини и ДНК бази, което им позволява да „четат“ ДНК последователността. Повечето контакти на основата се появяват в големия жлеб, където основите са по-достъпни.
Добре проучени примери за взаимодействия между протеини и ДНК, които са независими от нуклеотидната последователност на ДНК, са взаимодействията със структурни протеини. В клетката ДНК е свързана с тези протеини, за да образува компактна структура, наречена хроматин. При прокариотите хроматинът се образува чрез прикрепването на малки алкални протеини - хистони - към ДНК; по-малко подреденият хроматин на прокариотите съдържа хистоноподобни протеини. Хистоните образуват дисковидна протеинова структура - нуклеозома, около всяка от които се побират две навивки на спиралата на ДНК. Неспецифичните връзки между хистоните и ДНК се образуват поради йонни връзки между алкалните аминокиселини на хистоните и киселинните остатъци на захарно-фосфатния скелет на ДНК. Химичните модификации на тези аминокиселини включват метилиране, фосфорилиране и ацетилиране. Тези химични модификации променят силата на взаимодействията между ДНК и хистоните, засягайки достъпността на специфични последователности до транскрипционни фактори и променяйки скоростта на транскрипция. Други протеини в хроматина, които се свързват с неспецифични последователности, са протеини с висока подвижност в гелове, които се свързват предимно с нагъната ДНК. Тези протеини са важни за образуването на структури от по-висок порядък в хроматина. Специална група ДНК-свързващи протеини са тези, които се свързват с едноверижна ДНК. Най-добре характеризираният протеин от тази група при хората е репликационен протеин А, без който повечето процеси, при които двойната спирала се развива, включително репликация, рекомбинация и възстановяване, не могат да възникнат. Протеините в тази група стабилизират едноверижната ДНК и предотвратяват образуването на стволови бримки или разграждане от нуклеази.
Много автори сравняват градовете с живи организми или дори хора като цяло, давайки им метафизичната способност да имат чувства, органи и дори мисли. Китайски художник Лу СиндзянДаже рисувах ДНК структура, и различни за различни мегаполисите на света.
Сайтът Culturology.RF ни научи, че географска карта може да се направи буквално от всичко. Например, или.
Китайският художник Liu Xinjiang също създаде много необичайни карти на най-големите градове в света. Самият той обаче казва, че е нарисувал ДНК-то на тези градове.
Този необичаен проект на Liu Xinjiang започна с факта, че той разгледа сателитни изображения на различни градове по света чрез програмата Google Eatrh. Още тогава тя започва да прави скици, опитвайки се да представи карти на мегаполиси под формата на конвенционални линии и икони.
С течение на времето тези скици бяха прехвърлени в цифров формат и обработени с помощта на Adobe Illustrator. Така се появяват картините от поредицата „ДНК на града”.
Само на пръв поглед върху произведенията на Лиу Синдзян изглежда, че там са нарисувани само хаотично разположени линии и други геометрични елементи. Всъщност всички тези изображения имат ясна топографска структура, базирана на топографията на градове като Москва, Лос Анджелис, Токио, Шанхай, Стокхолм и др.
Така че всеки човек, запознат с картите на тези мегаполиси, може лесно да разпознае един или друг град в произведенията на Лю Синдзян. И това въпреки факта, че някои от картините са стилизирани като нещо разпознаваемо от съвсем различни източници. Като например ДНК картата на Ню Йорк, която разкрива полето на играта Pac-Man.