Учебное пособие Якупов Т. Р. Молекулярная биотехнология Биоинженерия Казань 2016

Структурная организация нуклеиновых кислот
Различают первичную, вторичную и третичную структуру ДНК.
Первичная структура ДНК - последовательность нуклеотидов, образуется благодаря сложноэфирной связи, возникающей между остатком фосфорной кислоты у одного мононуклеотида и с 3'углеродом дезоксирибозы другого мононуклеотида.

Рис 2. Схема строения цепи молекулы ДНК
Вторичная структура ДНК - спирализация полинуклеотидной цепи, вернее двух цепей образуя двойную спираль. Выяснение вторичной структуры ДНК - это одно из крупнейших открытий в биологии, так как при этом был раскрыт молекулярный механизм передачи генетической информации в ряду поколений. Модель вторичной структуры ДНК бы­ла пред­ло­же­на в 1953 г. Дж. Уот­со­ном и Ф. Кри­ком на ос­но­ва­нии дан­ных рент­ге­но­ст­рук­тур­но­го ана­ли­за. При этом бы­ло также ус­та­нов­ле­но, что ДНК склон­на к по­ли­мор­физ­му и в раз­лич­ных ус­ло­ви­ях су­ще­ст­ву­ет в ви­де по-раз­но­му упо­ря­до­чен­ных во­лок­ни­сто-кри­стал­ли­че­ских струк­тур. Их су­ще­ст­ву­ет бо­лее де­сят­ка, но наи­бо­лее рас­про­стра­не­ны и изу­че­ны ме­то­дом рент­ге­но­ст­рук­тур­но­го ана­ли­за толь­ко че­ты­ре: А-, В-, С- и Т-фор­мы. Все они яв­ля­ют­ся пра­во­зак­ру­чен­ны­ми спи­ра­ля­ми. Су­ще­ст­во­ва­ние та­ко­го ко­ли­че­ст­ва вто­рич­ных струк­тур ДНК обу­слов­ле­но тем, что в ка­ж­дый мо­мент сво­его су­ще­ст­во­ва­ния ДНК об­ра­зу­ет наи­бо­лее удоб­ных для вы­пол­няе­мых ею функ­ций кон­фи­гу­ра­ции:
– А-фор­ма мо­ле­кул наи­бо­лее удоб­на для про­цес­са транс­крип­ции;
– В-фор­ма – для ре­п­ли­ка­ци­он­ных про­цес­сов;
– С-фор­ма – для об­ра­зо­ва­ния комплексов между мо­ле­ку­лой ДНК и бел­ка­ми хро­ма­ти­на.
В 70-х го­дах XX ве­ка бы­ли по­лу­че­ны дан­ные о су­ще­ст­во­ва­нии двух но­вых кон­фор­ма­ций вто­рич­ной струк­ту­ры ДНК – Z-фор­мы и SBS-кон­фор­ма­ции. Z-фор­ма пред­став­ле­на ле­во­зак­ру­чен­ны­ми по­ли­­нук­ле­о­тид­ны­ми це­пя­ми с зиг­за­го­об­раз­ным рас­по­ло­же­ни­ем фос­фат­ных групп. В Z-фор­ме ДНК уча­ст­ву­ет в раз­лич­ных ме­та­бо­ли­че­ских про­цес­сах. SBS-кон­фор­ма­ция ДНК ха­рак­те­ри­зу­ет­ся от­сут­ст­ви­ем взаи­мо­за­кру­чен­ных по­ли­­нук­ле­о­тид­ных це­пей в бис­пи­раль­ную мо­ле­ку­лу. Они рас­по­ла­га­ют­ся бок о бок, очень лег­ко рас­па­ри­ва­ют­ся, рас­хо­дят­ся, что иг­ра­ет боль­шую роль при био­син­те­зе ДНК.
Третичной структурой ДНК можно представить организацию её молекулы в хроматиновые волокна в ядрах клеток тканей организма. Молекула ДНК является очень длинной, поэтому в ядре плотно «упакована» путем сверхспирализации с участием белков основного характера. ДНК клетки в основном находится в составе хромосом и лишь небольшая часть ее находится в митохондриях. Суммарный материал хромосом - хроматин - содержит ДНК, гистоны, негистоновые белки и небольшое количество РНК.
Основой генетического аппарата эукариот являются хромосомы, в основе которых лежит линейная двуспиральная правозакрученная молекула ДНК, связанная со специфическими белками-гистонами. Известно 5 типов гистонов: Н1, Н2А, Н2В, НЗ, Н4. В ядрах эритроцитов птиц Н1 частично замещается на Н5. У дрожжей отсутствует Н1, а у некоторых видов хламидомонад гистоны вообще не обнаружены. Гистоны Н2 – Н4 эволюционно устойчивы: из 102 аминокислот Н4 наблюдаются различия лишь по 1-2 аминокислотам у высших растений, рыб и млекопитающих. Гистон Н1 весьма вариабелен, и даже в тканях одного организма встречаются 3 – 6 вариантов этого белка.
Гистоны Н2 – Н4 образуют белковое ядро из 8 полипептидов (каждый гистон повторяется 2 раза). Вокруг этого ядра уложен участок ДНК длиной 140 п.н., образующий 1,75 витка по периферии. Такая структура называется нуклеосома. Отдельные нуклеосомы – это дисковидные частицы диаметром около 10 нм. Закручивание ДНК вокруг нуклеосомы уменьшает ее длину в семь раз. Участки ДНК между нуклеосомами длиной 10 - 15 п.н. называются связывающими (линкерами). Структура линкеров стабилизируется с помощью гистона Н1.

Рис. 3 Упаковка ДНК в хромосоме

Последовательность нуклеосом, в свою очередь, образует еще одну спираль диаметром 20 - 25 нм (соленоид), или последовательность нуклеосомных группировок – нуклеомеров. Эти высшие структуры образуют петли или домены. Конденсация ДНК в структуре соленоида дополнительно (к нуклеосомному уровню) уменьшает ее длину в шесть раз.
В интерфазных хромосомах путем еще одного цикла конденсации соленоиды образуют полые трубочки диаметром 200 нм, что уменьшает длину ДНК еще в 18 раз.
Описанная структура хромосом у эукариот обеспечивает их устойчивость. При транскрипции и репликации происходит деспирализация хромосом, что обеспечивает возможность контакта определенных участков ДНК с ДНК-полимеразой или РНК-полимеразой.
В метафазе вследствие дальнейшей конденсации возникает большая образованная дезоксинуклеопротеидом спираль диаметром около 600 нм. В результате строго упорядоченной иерархии спиралей, в основе которой лежит нуклеосома, в митозе и мейозе хромосомы эукариот совершают цикл компактизации — декомпактизации.

Рис.4 Изображение человеческих хромосом (кариограмма)

Генетическая информация каждого человека сохраняется в 23 парах хромосом, которые отличаются и размерами и формой. Хромосома 1 - самая большая, ее размер более чем в три раза больше, чем размер 22 хромосомы. Двадцать третья пара хромосом - это две специальные хромосомы - X и Y, которые определяют наш пол (половые хромосомы).
В центре каждой хромосомы содержится - центромера, небольшой участок, который делит хромосому на две части, образуя при этом длинное плечо (q) и короткое плечо (р).
При детальном исследовании хромосом, используя метод окраски специальными красителями, обнаруживается уникальная полосатая структура каждой хромосомы. Если каждой полоске присвоить номер, то можно определить (локализировать) конкретную часть хромосомы (локус). Метод изучения генома, при котором положение данного гена определяется размещением его на конкретной полосе хромосомы, называется цитогенетическим картированием. Например, ген β-гемоглобина (HBB) размещен на хромосоме 11p15.4. Это означает, что ген HBB расположен на коротком плече (р) хромосомы 11 и находится на 4 полосе 15 участка этой хромосомы.