ПЕРВИННА, ВТОРИННА, ТРЕТИННУ І ЧЕТВЕРТИННИХ СТРУКТУРИ ДНК

Як було сказано раніше, ДНК - біологічна макромолекула, носій генетичної інформації у всіх еукаріотичних і прокаріотичних клітинах і в багатьох віруси. ДНК складається з багатьох тисяч з'єднаних один з одним мономерних одиниць - дезоксирибонуклеотидов чотирьох різних типів, що утворюють характерні для кожного організму специфічні послідовності (рис. 8.3).

Мал. 8.3. Структура подвійної спіралі ДНК:

а - загальний вигляд; б - радіальна просторова і в - послідовна схеми розташування азотистих основ і водневих зв'язків між ними; г - геометричні параметри подвійної спіралі

Первинною структурою ДНК є послідовно з'єднані мономерні одиниці - дезоксирибонуклеотидів.

Вторинна структура - це подвійна спіраль. Згідно тривимірної моделі, молекула ДНК складається з двох полінук- леотідних ланцюгів, які утворюють праву спіраль щодо однієї і тієї ж осі, звідси і назва - подвійна спіраль.

Напрямок ланцюгів взаємно протилежне, сахарофосфатний остов розташовується по периферії подвійної спіралі, а азотисті основи знаходяться всередині, і їх площині перпендикулярні осі спіралі. Між підставами утворюються специфічні водневі зв'язку, в результаті чого здійснюється комплементарне спаровування підстав. Аденін утворює водневі зв'язки з тиміном, а гуанін з цитозином. Більш об'ємні пурини завжди спаровуються з піримідину - молекулами меншого розміру. Це призводить до того, що відстані між Ci-атомами дезоксирибози в двох ланцюгах виявляються однаковими для АТ- і GC-nap і рівними 1,085 нм. Кожна основа в одного ланцюга пов'язане з комплементарним йому підставою іншого ланцюга ДНК. Геометрія подвійної спіралі така, що сусідні пари знаходяться один від одного на відстані 0,34 нм і повернені на 36 ° навколо осі спіралі. Таким чином, на один виток спіралі доводиться 10 пар основ і крок спіралі дорівнює 3,4 нм. Діаметр подвійної спіралі становить близько 2,0 нм. На подвійної спіралі є два жолобка - великий і малий, так як сахарофосфатний остов розташований далі від осі спіралі, ніж підстави.

Стабільність подвійної спіралі обумовлена різними взаємодіями. Частково за неї відповідальні водневі зв'язку між підставами. Однак важливу роль відіграє і межплоскостное взаємодія підстав - стекінг. При цьому забезпечуються не тільки вигідні вандерваальсови контакти між атомами, але і виникає додаткова стабілізація завдяки перекривання л-орбітапей атомів контактуючих підстав. Стабілізація здійснюється також за рахунок сприятливого гидрофобного ефекту, який проявляється в тому, що неполярні підстави захищені від безпосереднього контакту з розчинником, а сахарофосфатний остов з його полярними групами і зарядженими атомами сольватованих молекулами розчинника.

Поліморфізм ДНК проявляється в здатності подвійної спіралі приймати різні конформації.

Третинна і четвертинна структури - це способи упаковки ДНК в клітинах, що дозволяє компактно розмістити цю полімерну молекулу в ядрі клітини. Третинна структура - конденсація двухцепочечной ДНК, в результаті якої лінійні розміри молекул зменшуються в 10 000 разів. Існують два способи - сфероїдальних намотування (має місце тільки у вірусах) і освіту сверхспіральной ДНК в результаті закручування в спіраль осі подвійної спіралі (освіта сверхвітков).

Наступний рівень упаковки ДНК в клітинах - це асоціація сверхспіральной ДНК з різними специфічними білковими молекулами {гистонами), що володіють основними властивостями і складаються в основному з аргініну і лізину. Таким чином, в неактивному стані для ДНК характерні чотири ступені спирализации: подвійна спіраль нуклеотидноїпослідовності, скручування подвійної спіралі, намотування подвійної спіралі на гістонові білки, скручування білково-нуклеотидной структури. Расспіралізація відбувається під час реплікації ДНК (подвоєння) в момент поділу клітини або в момент транскрипції.

Амінокислотна послідовність гістонів консервативна, має високий сталістю структури і практично не відрізняється у різних видів організмів. У всіх еукаріотів є п'ять основних класів гістонів: гистон Н1 - білок, багатий на лізин (29%); гістони Н2А і Н2В містять багато і лізину, і аргініну; гістони НЗ і Н4 є білками, багатими аргинином. У табл. 8.1 наведені основні характеристики гістонів.

Таблиця 8.1

Молекулярна маса і основний амінокислотний склад гістонів

Гістони Н2А, Н2В, НЗ, Н4 утворюють октамерний білковий комплекс, званий нукпеосомной серцевиною, навколо якого молекула ДНК обвивається два рази (близько 146 пар основ). Такий комплекс октамера гістонових білків з ДНК утворює структурну одиницю - нуклеосому. Гістонові білки, що входять до структури ДНК, характеризуються лужною реакцією.

Є кілька рівнів нуклеосомної організації ДНК: 1) закручування навколо нуклеосом; 2) упаковка нуклеосом в нитку товщиною 30 нм; 3) освіту петлі довжиною в тисячі нуклеосом, прикріпленою до центрального підтримує білку; 4) формування з петлі спіралі (або складки). В результаті такої конденсації довжина ДНК зменшується ще в 100 раз. Одержаний в кінцевому рахунку комплекс називається хромосомою.

Слід зазначити, що хромосома прокаріотів клітин є однією довгою двухцепочечную молекулу ДНК - полинуклеотид. Еукаріотичні клітини містять велику кількість молекул ДНК, кожна з яких, як правило, довше ДНК прокаріот.

Під час спостереження в мікроскоп за ядром діляться еукаріотів виявлено, що їх генетичний матеріал розподілений по хромосомах, число яких залежить від виду організму. У соматичної клітці людини в нормі знаходиться 46 хромосом.