Формы ДНК, структура и синтез

Дезоксирибонуклеиновая кислота – ДНК – служит носителем наследственной информации, передаваемой живыми организмами следующим поколениям, и матрицей для строительства белков и различных регуляторных факторов, потребных организму в процессах роста и жизнедеятельности. В этой статье мы остановимся на том, какими бывают наиболее распространенные формы структуры ДНК. Также мы обратим внимание на то, как строятся эти формы и в каком виде ДНК пребывает внутри живой клетки.

Уровни организации молекулы ДНК

Различают четыре уровня, определяющих строение и морфологию этой гигантской молекулы:

• Первичный уровень, или структура – это порядок нуклеотидов в цепи.
• Вторичная структура представляет собой знаменитую «двойную спираль». Устоялось именно это словосочетание, хотя на самом деле подобная структура напоминает винт.
• Третичная структура образуется вследствие того, что между отдельными участками двухцепочечной закрученной нити ДНК возникают слабые водородные связи, придающие молекуле сложную пространственную конформацию.
• Четвертичная структура – это уже сложный комплекс ДНК с некоторыми белками и РНК. В такой конфигурации ДНК упакована в хромосомы в ядре клетки.

Первичная структура: компоненты ДНК

Блоками, из которых строится макромолекула дезоксирибонуклеиновой кислоты, являются нуклеотиды, представляющие собой соединения, в состав каждого из которых входят:

• азотистое основание – аденин, гуанин, тимин или цитозин. Аденин и гуанин относятся к группе пуриновых оснований, цитозин и тимин – пиримидиновых;
• пятиуглеродный моносахарид дезоксирибоза;
• остаток ортофосфорной кислоты.

При образовании полинуклеотидной цепочки важную роль играет порядок групп, образуемых атомами углерода в кольцевой молекуле сахара. Фосфатный остаток в нуклеотиде соединен с 5’-группой (читается «пять прайм») дезоксирибозы, то есть с пятым атомом углерода. Наращивание цепочки происходит путем присоединения к свободной 3’-группе дезоксирибозы фосфатного остатка следующего нуклеотида.

Таким образом, первичная структура ДНК в форме полинуклеотидной цепи – имеет 3’- и 5’-концы. Это свойство молекулы ДНК называется полярностью: синтез цепи может идти только в одном направлении.

Образование вторичной структуры

Следующий шаг в структурной организации ДНК базируется на принципе комплементарности азотистых оснований – их способности попарно соединяться друг с другом посредством водородных связей. Комплементарность – взаимное соответствие – возникает по той причине, что аденин и тимин образуют двойную связь, а гуанин и цитозин – тройную. Поэтому при формировании двойной цепи эти основания встают друг напротив друга, образуя соответствующие пары.

Полинуклеотидные последовательности располагаются во вторичной структуре антипараллельно. Так, если одна из цепочек имеет вид 3’ – АГГЦАТАА – 5’, то противоположная будет выглядеть следующим образом: 3’ – ТТАТГЦЦТ – 5’.

При образовании молекулы ДНК происходит закручивание сдвоенной полинуклеотидной цепи, причем от концентрации солей, от водонасыщенности, от строения самой макромолекулы зависит, какие формы может принимать ДНК на данной структурной ступени. Известно несколько таких форм, обозначаемых латинскими буквами A, B, C, D, E, Z.

Конфигурации C, D и E не встречены в живой природе и наблюдались только в лабораторных условиях. Мы рассмотрим основные формы ДНК: так называемые канонические A и B, а также конфигурацию Z.

А-ДНК – сухая молекула

А-форма – это правый винт с 11 комплементарными парами оснований в каждом витке. Диаметр его составляет 2,3 нм, а длина одного витка спирали – 2,5 нм. Плоскости, образуемые спаренными основаниями, имеют наклон 20° по отношению к оси молекулы. Соседние нуклеотиды расположены в цепочках компактно – между ними всего 0,23 нм.

Такая форма ДНК возникает при низкой гидратации и при повышенной ионной концентрации натрия и калия. Она характерна для процессов, в которых ДНК образует комплекс с РНК, поскольку последняя не способна принимать иные формы. Кроме того, А-форма весьма устойчива к ультрафиолетовому облучению. В этой конфигурации дезоксирибонуклеиновая кислота содержится в грибных спорах.

Влажная B-ДНК

При малом содержании солей и высокой степени гидратации, то есть в нормальных физиологических условиях, ДНК принимает свою главную форму B. Природные молекулы существуют, как правило, в В-форме. Именно она лежит в основе классической модели Уотсона-Крика и чаще всего изображается на иллюстрациях.

Данной форме (она также правозакрученная) свойственна меньшая компактность размещения нуклеотидов (0,33 нм) и большой шаг винта (3,3 нм). Один виток содержит 10,5 пары оснований, поворот каждой из них относительно предыдущей составляет около 36°. Плоскости пар почти перпендикулярны оси «двойной спирали». Диаметр такой сдвоенной цепочки меньше, чем у А-формы – он достигает только 2 нм.

Неканоническая Z-ДНК

В отличие от канонических ДНК, молекула типа Z представляет собой левозакрученный винт. Она самая тонкая из всех, имеет диаметр всего 1,8 нм. Витки ее длиной 4,5 нм как бы вытянуты; эта форма ДНК содержит 12 спаренных оснований на каждый виток. Расстояние между соседними нуклеотидами также достаточно велико – 0,38 нм. Так что Z-форма характеризуется наименьшей степенью скрученности.

Образуется она из конфигурации B-типа на тех участках, где в составе нуклеотидной последовательности чередуются пуриновые и пиримидиновые основания, при изменении содержания ионов в растворе. Формирование Z-ДНК связано с биологической активностью и является очень кратковременным процессом. Подобная форма нестабильна, что создает трудности при исследовании ее функций. Пока что они в точности не ясны.

Репликация ДНК и ее строение

И первичная, и вторичная структуры ДНК возникают в ходе явления, называемого репликацией – образования из материнской макромолекулы двух идентичных ей «двойных спиралей». При репликации исходная молекула расплетается, и на освободившихся одиночных цепочках происходит наращивание комплементарных оснований. Поскольку половинки ДНК антипараллельны, этот процесс протекает на них в разных направлениях: по отношению к материнским цепочкам от 3’-конца к 5’-концу, то есть новые цепочки растут в направлении 5’ → 3’. Лидирующая цепь синтезируется непрерывно в сторону репликационной вилки; на отстающей цепи синтез совершается от вилки отдельными участками (фрагменты Оказаки), которые затем сшивает между собой особый фермент – ДНК-лигаза.

Пока продолжается синтез, уже сформированные концы дочерних молекул претерпевают винтообразное закручивание. Затем, еще до окончания репликации новорожденные молекулы начинают образовывать третичную структуру в процессе, именуемом сверхспирализацией.

Суперскрученная молекула

Сверхспирализованная форма ДНК возникает, когда двухцепочечная молекула совершает дополнительное закручивание. Оно может быть направлено по часовой стрелке (положительно) либо против (в этом случае говорят об отрицательной сверхспирализации). ДНК большинства организмов суперскручена отрицательно, то есть против основных витков «двойной спирали».

В результате образования дополнительных петель – супервитков – ДНК приобретает сложную пространственную конфигурацию. В клетках эукариот этот процесс происходит с формированием комплексов, в которых ДНК отрицательно навивается на гистоновые белковые комплексы и принимает вид нити с бусинами-нуклеосомами. Свободные участки нити называются линкерами. В поддержании суперскрученной формы молекулы ДНК принимают участие и негистоновые белки, а также неорганические соединения. Так образуется хроматин – вещество хромосом.

Хроматиновые нити с нуклеосомными бусинами способны к дальнейшему усложнению морфологии в процессе, называемом конденсацией хроматина.

Окончательная компактизация ДНК

В ядре форма макромолекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты становится чрезвычайно сложной, компактизируясь в несколько этапов.

1. Во-первых, нить сворачивается в особую структуру типа соленоида – хроматиновую фибриллу толщиной в 30 нм. На этом уровне ДНК, сворачиваясь, сокращает свою длину в 6-10 раз.
2. Далее фибрилла при помощи специфических скэффолд-белков образует зигзагообразные петли, что уменьшает линейный размер ДНК уже в 20-30 раз.
3. На следующем уровне формируются плотно упакованные петельные домены, чаще всего имеющие форму, условно названную «ламповая щетка». Они прикрепляются к внутриядерному белковому матриксу. Толщина таких структур составляет уже 700 нм, ДНК при этом укорачивается приблизительно в 200 раз.
4. Последний уровень морфологической организации – хромосомный. Петельные домены уплотняются настолько, что достигается общее укорочение в 10 000 раз. Если длина растянутой молекулы – около 5 см, то после упаковки в хромосомы она уменьшается до 5 мкм.

Высшего уровня усложнения формы ДНК достигает в состоянии метафазы митоза. Именно тогда она приобретает характерный облик – две хроматиды, соединенные перетяжкой-центромерой, которая обеспечивает расхождение хроматид в процессе деления. Интерфазная ДНК организована до доменного уровня и распределяется в ядре клетки без особого порядка. Таким образом, мы видим, что морфология ДНК тесно связана с различными фазами ее существования и отражает особенности функционирования этой важнейшей для жизни молекулы.