Разнообразие форм организации ДНК в клетках

Молекула ДНК может быть двунитевой или однонитевой (у вирусов); линейной или в виде замкнутого кольца. Кольцевые формы характерны для маленьких молекул ДНК почти всех бактериальных хромосом, вирусов, митохондрий и пластид эукариотических клеток.

У эукариот различают ядерную и внеядер- ную ДНК. Ядерная ДНК составляет основную мас- су ДНК у эукариот; заключена в ядре клетки в составе хромосом. Длина одной молекулы ДНК у человека составляет 2-6 см; Общая длина ДНК в 46 хромосомах человека равна 190 см; в каждой хромо- соме она представляет собой единую гигантскую молекулу и имеет линейную форму (рис.97).

Рис. 97. Линейная форма молекулы ДНК (Из: Северин, 2007)

Внехромосомная (внеядерная) ДНК соста- ляет небольшую часть ДНК клетки. К ней относятся: ДНК митохондрий, хлоропластов, плазмиды, виру- соподобные частицы. На долю ДНК митохонд- рии, например, приходится менее 1% всей клеточной ДНК.

Кольцевая ДНК митохондрии (мтДНК) (рис.98) не велика по размеру: содержит 15000 нуклеотидных пар (что в 10⁵ раз меньше ядерной ДНК); кодирует 10-20 митохондриальных белков (5% от всех белов митохондрии), 2 вида рРНК и 22 вида тРНК. Гене- тический код митохондрии ДНК имеет некоторые отличия от кода ядер- ной ДНК:

1 - код некоторых аминокислот отличается от кода ядерной ДНК;

2 - митохондриальный генетический код имеет измененные стоп-кодоны.

3 - перед делением митохондрии мтДНК удваивается, но её репликация не связана с S-периодом интерфазы.

4 - собственная ДНК, способная к репликации и транскрипции, собственные рибосомы обеспечивают митохондриям наличие автономного генома.

Подобный геном характерен и для хлоропластов, что подтверждает гипотезу симбиотического происхождения этих двух органоидов, согласно которой митохондрии и хлоропласты - потомки древних прокариот, которые образовали симбиоз с эукариотической клеткой.

Рис. 98. Кольцевая ДНК митохондрий

Плазмиды - это кольцевые фрагменты внехромосомной ДНК, способные существовать и размножатся отдельно от геномной (ядерной) ДНК. Иногда плазмиды проникают в ядро и начинают реплицироваться в составе хромосомы ДНК. В этом случае их называют эписомы.

Совокупность генов, расположенных в цитоплазматических молекулах ДНК (ДНК митохондрий, пластид, плазмиды, эписомы) называется плазмоном. Он определяет цитоплазматическую наследственность. Эти гены подчиняются менделеевским законам наследования. Новый организм в процессе оплодотворения получает цитоплазму яйцеклетки и,следовательно, весь плазмон.Таким образом, цитоплазматическое наследование признаков осуществляется по материнской линии. Такой тип наследования был открыт в 1908 году К. Корренсом и получил название – материнский эффект.

ДНК бактерии входит в состав нуклеоида - эквивалента ядра у бактерий и имеет вид двунитевой молекулы замкнутой в кольцо и плотно уложенной в клубок. Обычно в клетке бактерии одна хромосома (хромосома бактерии не имеет нуклеосомной организации) содержит в среднем 3.2*10⁶ нуклеотидных пар (н.п.) и имеет молекулярную массу 2,5*10⁶ кДа. Бактериальная хромосома имеет гаплоидный набор генов. Иногда при нарушении делении клетки у бактерии может быть 4 и более хромосом (рис.99).

Рис. 99. Кольцевая хромосома E. сoli (Из: Алиханян и др.,1989)

Плазмиды бактерий - это двуцепочные кольцевые молекулы ДНК размером от 10³ до 10⁶ н.п. Они содержат информацию, обеспечивающую устойчивость бактерии к антибиотикам, продукцию факторов патогенности, способность к синтезу антибиотических средств, образование ферментов рестрикции и модификации. Иногда некоторые плазмиды встраиваются в бактериальную хромосому и реплицируются вместе с ней. Такие плазмиды называются эписомами. Крупные плазмиды обладают способностью передаваться из клетки в клетку; их называют трансмиссивными (конъюгативными). В случае если плазмида мелкая,то она передается вместе с крупной и называется мобилизуемой. Плазмиды, обеспечивающие устойчивость к антибиотикам, называются R-плазмиды (resistanse-противоядие), а клетки, содержащие их резистент - ными. Некоторые плазмиды содержат гены, белки которых бактерицидны по отношению к другим бактериям (Col-плазмида), другие детермини- руют синтез факторов патогенности у болезнетворных бактерии (например; Ent –плазмида и Нly-плазмида).

У вирусов генетический материал представлен ДНК (ДНК-вирусы) или РНК (РНК-вирусы). ДНК вирусов могут быть двунитевыми (двунитевые ДНК-вирусы) или однонитевыми (однонитевые ДНК-вирусы). К двунитевым ДНК-вирусам относятся герпесвирусы, аденовирусы с линейной двунитевой ДНК и папилломавирусы, вирус гепатита В с кольцевой двунитевой ДНК. К однонитевым ДНК-вирусам относятся парвовирусы с линейной молекулы ДНК цирциновирусы – с кольцевой ДНК (рис.100).

Рис. 100. Морфология вирусов (Из: Воробьев, 2003)

Линейные и кольцевые формы двунитевой молекулы ДНК у вирусов могут переходить друг в друга. Линейная форма может иметь комплементарные одноцепочные концы («липкие концы»), которые замыкаются, образуя замкнутое кольцо (рис.101).

Рис. 101. Взаимопревращения линейной и кольцевой форм ДНК фага λ

Анализ последовательности у ядерной и внеядерной ДНК показал, что многие её участки содержат так называемые палиндромы, то есть, последовательности нуклеотидов, которые одинаково читаются в обеих направлениях, симметрично относительно оси симметрии в середине палиндрома.

3′- Г-Т-А-Т-Ц-Ц-|-Г-Г-А-Т-А-Ц - 5′

5′- Ц-А-Т-А-Г-Г-|-Ц-Ц-Т-А-Т-Г - 3′

Палиндромы или инвертированные повторы образуют ответвления: кресты или шпильки и играют роль регуляторных участков. Например, выполняют роль терминаторов в процессах синтеза или явля - ются узнаваемыми участками для ДНК-связывающихся белков.

Молекула ДНК как материальный носитель наследственности должна быть очень стабильной, устойчивой к внешним воздействиям, обладать способностью к устранению, возникающих в ней изменений. Для передачи наследственной информации она должна обладать способностью к точному самокопированию. Этим условиям отвечает уотсон-криковская модель ДНК, обеспечивающая два главных её свойства: самовоспроизведение и самосохранение, которые реализуются в процессе репликации и репарации ДНК.

Модель Уотсона-Крика простым и удачным образом решает основные проблемы: объясняет физико-химическую природу ДНК, её роль носителя наследственной информации и генетические свойства: способность кодировать информацию, реплицировать гены, мутировать.

ДНК, являясь материальным носителем генетической информации, реализует её в процессе синтеза белков. Белки, как известно, обеспечивают клетку необходимыми «инструкциями» для развития признаков и функционирования клетки. Биосинтез белков является центральным процессом живой материи, требует четкую программу и механизм точного воспроизведения этой программы в поколениях. Эту программу несёт молекула ДНК, а механизм воспроизведения обеспечивают рибонуклеиновые кислоты (РНК).

Нуклеиновые кислоты в клетке обеспечивают существования потока информации, направление которого определено центральной догмой молекулярной биологии, сформулированной Ф.Криком, суть которой заключается в том, что информация передается только в направлении от ДНК к РНК и от РНК к белку. В этом потоке рибонуклеиновые кислоты выполняют несколько функций.

4. 5. РНК: виды, структура и функции.

Молекулы РНК обнаруживаются во всех частях клетки; они короче ДНК: их длина не превышает 0,01 мм.

Химическая структура РНК подобна химической структуре ДНК:

а) обе молекулы являются линейными полимерами; б) мономеры –нуклеотиды являются фосфорилированными N-гликозидами, которые соединяются фосфодиэфирной связью; в) в состав РНК входят также 4 нуклеотида; г) полинуклеотидная цепь РНК полярна –имеет четко различимые 5`- и 3`- концы (рис.102).

Отличают молекулу РНК от ДНК следующие особенности строения:

а) РНК – одноцепочный полимер;

б) сахарный остаток мономера - рибоза, которая содержит дополнительную гидроксильную группу;

в) среди главных (мажорных) азотистых оснований вместо тимина содержится урацил, который отличается от тимина отсутствием метильной группы в 5-ом положении;

г) в молекуле РНК высоко содержание минорных оснований и нуклеозидов.

Таким образом, полимерная цепь молекулы РНК – это линейный сахаро-фосфатный остов с азотистыми основаниями в качестве боковых цепей.

Двойная цепь в молекуле РНК не образуется в связи с тем, что:

а) рибоза из-за наличия дополнительной гидроксильной группы делает двойную цепь менее компактной;

б) отсутствие СН₃-группы в урациле делает связь А:У менее стабильной, чем А:Т, вследствие уменьшения гидрофобного взаимодейст- вия;

в) высокое содержание минорных оснований препятствует образованию двуцепочной структуры, из-за того, что минорные основа- ния не могут учавствовать в комплиментарных взаимодействиях.

Рис. 102. Участок нити молекулы

РНК (Из: Николаев, 2007)

В тоже время, азотистые основания полимера РНК могут взаимо- действовать друг с другом, фосфатами и гидроксилами сахарофосфатного остова, что приводит к:

1 -образованию на некоторых участках петель или «шпилек» с двуцепочной структурой (рис.103);

Рис. 103. «Шпилька» в цепи РНК

2 - скручиванию одноцепочного полимера в компактное образова- ние, формирующее уникальные пространственные структуры, с возника- ющими внутриспиральными участками (рРНК и тРНК).

Молекулы РНК синтезируются на основании информации ДНК (транскрипция ДНК) с помощью ферментов РНК-полимераз. Участки ДНК, кодирующие клеточные белки, переписываются в виде мРНК (матричные РНК), которые затем транслируются в процессе матричного синтеза в определенные типы белков (трансляция РНК). Многочисленные копии тРНК(транспортные РНК) и рРНК(рибосомальные РНК) переписы- ваются с определенных участков ДНК без последующей трансляции в белок.

РНК – рибонуклеиновая кислота по особенностям строения и функ- ций делится на 3 вида: иРНК (информационная) или мРНК (матричная), тРНК (транспортная) и рРНК (рибосомальная).

Молекулы РНК содержат от нескольких десятков до десятков ты- сяч нуклеотидных остатков; молекулярная масса РНК составляет 10⁴-10⁶ кДа. Гены, кодирующие РНК у эукариот находятся в хромосомах в районе ядрышкого организатора в сотнях, тысячах копий и расположены тандемно. У прокариот - это 5-10 копий в разных участках молекулы ДНК. Синтез мРНК и тРНК осуществляется в кариоплазме ядра, рРНК - в ядрышках ядра клетки.

Пространственная структура молекул РНК представлена 3 уровня- ми:

1. Первичная структура - это порядок чередования рибонуклео- зидмонофосфатов (рибонуклеотидов) в полинуклеотидной цепи РНК с полярными 5`-3`концами.

2. Вторичная структура -этопространственные формы, образую- щиеся за счет возникновения водородных связей между комплементар- ными азотистыми основаниями на отдельных участках молекулы. В резуль- тате образуются спирализованные петли – «шпильки» с антипара- ллельными участками цепей.

3. Третичная структура - возникает за счет взаимодействия спирализованных элементов - «шпилек» вторичной структуры. Связи образуются между нуклеотидными остатками или между ОН-группами остатков рибозы и основаниями. Третичная структура стабилизирована ионами двухвалентных металлов, например Са²⁺ или Mg^2+.

Дата добавления: 2015-06-04