Первичная, вторичная, третичная и четвертичная структуры днк

Как было сказано ранее, ДНК — биологическая макромолекула, носитель генетической информации во всех эукариотических и прокариотических клетках и во многих вирусах. ДНК состоит из многих тысяч соединенных друг с другом мономерных единиц — дезоксирибонуклеотидов четырех разных типов, образующих характерные для каждого организма специфические последовательности (рис. 8.3).

Рис. 8.3. Структура двойной спирали ДНК:

а — общий вид; б — радиальная пространственная и в — последовательная схемы расположения азотистых оснований и водородных связей между ними; г — геометрические параметры двойной спирали.

Первичной структурой ДНК являются последовательно соединенные мономерные единицы — дезоксирибонуклеотиды.

Вторичная структура — это двойная спираль. Согласно трехмерной модели, молекула ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, которые образуют правую спираль относительно одной и той же оси, отсюда и название — двойная спираль.

Направление цепей взаимно противоположное, сахарофосфатный остов располагается по периферии двойной спирали, а азотистые основания находятся внутри, и их плоскости перпендикулярны оси спирали. Между основаниями образуются специфические водородные связи, в результате чего осуществляется комплементарное спаривание оснований. Аденин образует водородные связи с тимином, а гуанин с цитозином. Более объемные пурины всегда спариваются с пиримидинами — молекулами меньшего размера. Это приводит к тому, что расстояния между Ci-атомами дезоксирибозы в двух цепях оказываются одинаковыми для АТи GC-nap и равными 1,085 нм. Каждое основание в одной цепи связано с комплементарным ему основанием другой цепи ДНК. Геометрия двойной спирали такова, что соседние пары находятся друг от друга на расстоянии 0,34 нм и повернуты на 36° вокруг оси спирали. Таким образом, на один виток спирали приходится 10 пар оснований и шаг спирали равен 3,4 нм. Диаметр двойной спирали составляет около 2,0 нм. На двойной спирали имеются два желобка — большой и малый, так как сахарофосфатный остов расположен дальше от оси спирали, чем основания.

Стабильность двойной спирали обусловлена разными взаимодействиями. Отчасти за нее ответственны водородные связи между основаниями. Однако важную роль играет и межплоскостное взаимодействие оснований — стэкинг. При этом обеспечиваются не только выгодные вандерваальсовы контакты между атомами, но и возникает дополнительная стабилизация благодаря перекрыванию л-орбитапей атомов контактирующих оснований. Стабилизация осуществляется также за счет благоприятного гидрофобного эффекта, проявляющегося в том, что неполярные основания защищены от непосредственного контакта с растворителем, а сахарофосфатный остов с его полярными группами и заряженными атомами сольватирован молекулами растворителя.

Полиморфизм ДНК проявляется в способности двойной спирали принимать различные конформации.

Третичная и четвертичная структуры — это способы упаковки ДНК в клетках, что позволяет компактно поместить эту полимерную молекулу в ядре клетки. Третичная структура — конденсация двухцепочечной ДНК, в результате которой линейные размеры молекул уменьшаются в 10 000 раз. Существуют два способа — сфероидальная намотка (имеет место только в вирусах) и образование сверхспиральной ДНК в результате закручивания в спираль оси двойной спирали (образование сверхвитков).

Следующий уровень упаковки ДНК в клетках — это ассоциация сверхспиральной ДНК с различными специфическими белковыми молекулами {гистонами), обладающими основными свойствами и состоящими в основном из аргинина и лизина. Таким образом, в неактивном состоянии для ДНК характерны четыре степени спирализации: двойная спираль нуклеотидной последовательности, скручивание двойной спирали, наматывание двойной спирали на гистоновые белки, скручивание белково-нуклеотидной структуры. Расспирализация происходит во время репликации ДНК (удвоения) в момент деления клетки или в момент транскрипции.

Аминокислотная последовательность гистонов консервативна, обладает высоким постоянством структуры и практически не отличается у различных видов организмов. У всех эукариотических клеток имеется пять основных классов гистонов: гистон Н1 — белок, богатый лизином (29%); гистоны Н2А и Н2 В содержат много и лизина, и аргинина; гистоны НЗ и Н4 являются белками, богатыми аргинином. В табл. 8.1 приведены основные характеристики гистонов.

Таблица 8.1

Молекулярная масса и основной аминокислотный состав гистонов.

Гистоны Н2А, Н2 В, НЗ, Н4 образуют октамерный белковый комплекс, называемый нукпеосомной сердцевиной, вокруг которого молекула ДНК обвивается два раза (около 146 пар оснований). Такой комплекс октамера гистоновых белков с ДНК образует структурную единицу — нуклеосому. Гистоновые белки, входящие в структуру ДНК, характеризуются щелочной реакцией.

Есть несколько уровней нуклеосомной организации ДНК: 1) закручивание вокруг нуклеосом; 2) упаковка нуклеосом в нить толщиной 30 нм; 3) образование петли длиной в тысячи нуклеосом, прикрепленной к центральному поддерживающему белку; 4) формирование из петли спирали (или складки). В результате такой конденсации длина ДНК уменьшается еще в 100 раз. Получившийся в конечном счете комплекс называется хромосомой.

Следует отметить, что хромосома прокариотических клеток представляет собой одну длинную двухцепочечную молекулу ДНК — полинуклеотид. Эукариотические клетки содержат большое количество молекул ДНК, каждая из которых, как правило, длиннее ДНК прокариот.

Во время наблюдения в микроскоп за ядром делящихся эукариотических клеток обнаружено, что их генетический материал распределен по хромосомам, число которых зависит от вида организма. В соматической клетке человека в норме находится 46 хромосом.