Деоксирибонуклеинова киселина - ДНК - служи като носител на наследствена информация, предавана от живите организми на следващите поколения, и матрица за изграждане на протеини и различни регулаторни фактори, необходими на тялото в процесите на растеж и живот. В тази статия ще се съсредоточим върху това кои са най-често срещаните форми на ДНК структура. Ще обърнем внимание и на това как са изградени тези форми и в каква форма ДНК се намира в жива клетка.
Нива на организация на молекулата на ДНК
Има четири нива, които определят структурата и морфологията на тази гигантска молекула:
- Първичното ниво или структура е редът на нуклеотидите във веригата.
- Вторичната структура е известната "двойна спирала". Именно тази фраза се е установила, въпреки че всъщност подобна структура прилича на винт.
- Третичната структура се формира поради факта, че възникват слаби водородни връзки между отделните участъци от двойноверижната усукана верига на ДНК,придавайки на молекулата сложна пространствена конформация.
- Кватернерната структура вече е сложен комплекс от ДНК с някои протеини и РНК. В тази конфигурация ДНК е пакетирана в хромозоми в клетъчното ядро.
Първична структура: Компоненти на ДНК
Блоковете, от които е изградена макромолекулата на дезоксирибонуклеинова киселина, са нуклеотиди, които са съединения, всяко от които включва:
- азотна основа - аденин, гуанин, тимин или цитозин. Аденинът и гуанинът принадлежат към групата на пуриновите бази, цитозинът и тиминът принадлежат към пиримидин;
- петвъглероден монозахарид дезоксирибоза;
- Остатък от ортофосфорна киселина.
При образуването на полинуклеотидна верига важна роля играе редът на групите, образувани от въглеродни атоми в кръгова захарна молекула. Фосфатният остатък в нуклеотида е свързан с 5'-групата (четете "пет прости числа") на дезоксирибозата, тоест с петия въглероден атом. Удължаването на веригата се осъществява чрез прикрепване на фосфатен остатък от следващия нуклеотид към свободната 3'-група на дезоксирибоза.
По този начин, първичната структура на ДНК под формата на полинуклеотидна верига има 3'- и 5'-края. Това свойство на ДНК молекулата се нарича полярност: синтезът на верига може да върви само в една посока.
Образуване на вторична структура
Следващата стъпка в структурната организация на ДНК се основава на принципа на комплементарността на азотните бази - способността им да се свързват по двойки една с другачрез водородни връзки. Допълняемостта - взаимното съответствие - възниква, защото аденинът и тиминът образуват двойна връзка, а гуанинът и цитозинът образуват тройна връзка. Следователно, когато образуват двойна верига, тези основи застават една срещу друга, образувайки съответните двойки.
Полинуклеотидните последователности са разположени във вторичната структура антипаралелно. Така че, ако една от веригите изглежда като 3' - AGGZATAA - 5', тогава обратното ще изглежда така: 3' - TTATGTST - 5'.
Когато се образува ДНК молекула, удвоената полинуклеотидна верига се усуква и концентрацията на соли, наситеността с вода и структурата на самата макромолекула определят какви форми може да приеме ДНК на даден структурен етап. Известни са няколко такива форми, обозначени с латински букви A, B, C, D, E, Z.
Конфигурации C, D и E не се срещат в дивата природа и са наблюдавани само в лабораторни условия. Ще разгледаме основните форми на ДНК: така наречените канонични A и B, както и Z конфигурацията.
А-ДНК е суха молекула
A-образната форма е десен винт с 11 допълващи се двойки основи във всеки завой. Диаметърът му е 2,3 nm, а дължината на един завой на спиралата е 2,5 nm. Равнините, образувани от сдвоените бази, имат наклон от 20° спрямо оста на молекулата. Съседните нуклеотиди са компактно подредени във вериги - между тях има само 0,23 nm.
Тази форма на ДНК се среща при ниска хидратация и с повишена йонна концентрация на натрий и калий. Характерно е запроцеси, при които ДНК образува комплекс с РНК, тъй като последната не е в състояние да приема други форми. Освен това А-формата е силно устойчива на ултравиолетово лъчение. В тази конфигурация дезоксирибонуклеинова киселина се намира в гъбични спори.
Wet B-DNA
С ниско съдържание на сол и висока степен на хидратация, тоест при нормални физиологични условия, ДНК приема основната си форма В. Естествените молекули по правило съществуват във В-форма. Именно тя е в основата на класическия модел на Уотсън-Крик и най-често се изобразява в илюстрации.
Тази форма (също е дясна) се характеризира с по-малко компактно разположение на нуклеотидите (0,33 nm) и голяма стъпка на винта (3,3 nm). Един завой съдържа 10,5 базови двойки, като въртенето на всеки от тях спрямо предишния е около 36 °. Равнините на двойките са почти перпендикулярни на оста на "двойната спирала". Диаметърът на такава двойна верига е по-малък от този на A-формата - достига само 2 nm.
Неканонична Z-ДНК
За разлика от каноничната ДНК, молекулата от Z-тип е винт с лява ръка. Той е най-тънкият от всички, с диаметър само 1,8 nm. Намотките му, дълги 4,5 nm, изглеждат удължени; тази форма на ДНК съдържа 12 сдвоени бази на ход. Разстоянието между съседни нуклеотиди също е доста голямо – 0,38 nm. Така Z-образната форма има най-малко усукване.
Образува се от B-тип конфигурация в онези области, където има пурини пиримидинови основи, с промяна в съдържанието на йони в разтвора. Образуването на Z-ДНК е свързано с биологична активност и е много краткотраен процес. Тази форма е нестабилна, което създава трудности при изучаването на нейните функции. Засега не са съвсем ясни.
ДНК репликация и нейната структура
Както първичната, така и вторичната структура на ДНК възниква по време на явление, наречено репликация - образуването на две идентични "двойни спирали" от родителската макромолекула. По време на репликацията оригиналната молекула се развива и върху освободените единични вериги се натрупват комплементарни бази. Тъй като половинките на ДНК са антипаралелни, този процес протича върху тях в различни посоки: по отношение на родителските вериги от 3'-края до 5'-края, тоест нови вериги растат в посока 5' → 3'. Водещата верига се синтезира непрекъснато към репликационната вилка; върху изоставащата верига, синтезът се извършва от вилицата на отделни участъци (фрагменти на Оказаки), които след това се зашиват заедно от специален ензим, ДНК лигаза.
Докато синтезът продължава, вече образуваните краища на дъщерните молекули се подлагат на спираловидно усукване. След това, преди да завърши репликацията, новородените молекули започват да образуват третична структура в процес, наречен супернавиване.
Супер усукана молекула
Свръхнавитата форма на ДНК възниква, когато двуверижна молекула направи допълнителен обрат. Тя може да бъде по посока на часовниковата стрелка (положителна) илисрещу (в този случай се говори за отрицателно супернавиване). ДНК на повечето организми е отрицателно свръхнавита, тоест срещу главните завои на „двойната спирала“.
В резултат на образуването на допълнителни бримки - супернамотки - ДНК придобива сложна пространствена конфигурация. В еукариотните клетки този процес протича с образуването на комплекси, в които ДНК се навива негативно около хистонови протеинови комплекси и приема формата на нишка с нуклеозомни перли. Свободните секции от нишката се наричат линкери. Нехистоновите протеини и неорганичните съединения също участват в поддържането на супернавитата форма на ДНК молекулата. Така се образува хроматинът - веществото на хромозомите.
Хроматиновите нишки с нуклеозомни зърна са способни допълнително да усложнят морфологията в процес, наречен хроматинова кондензация.
Окончателно компактизиране на ДНК
В ядрото формата на макромолекулата на дезоксирибонуклеинова киселина става изключително сложна, уплътнявайки се в няколко стъпки.
- Първо, нишката се навива в специална структура от тип соленоид - хроматинова фибрила с дебелина 30 nm. На това ниво ДНК се сгъва и скъсява дължината си с 6-10 пъти.
- Освен това фибрилът образува зигзагообразни бримки с помощта на специфични скелетни протеини, което намалява линейния размер на ДНК вече с 20-30 пъти.
- Гъсто опаковани кръгови домейни се формират на следващото ниво, като най-често имат форма, условно наречена „четка на лампата“. Те се прикрепят към вътреядрения протеинматрица. Дебелината на такива структури вече е 700 nm, докато ДНК се скъсява приблизително 200 пъти.
- Последното ниво на морфологична организация е хромозомно. Примковите домейни се уплътняват до такава степен, че се постига общо скъсяване от 10 000 пъти. Ако дължината на разтегнатата молекула е около 5 см, то след пакетирането в хромозоми тя намалява до 5 микрона.
Най-високото ниво на усложнение на формата на ДНК достига в състоянието на метафаза на митоза. Тогава той придобива характерен вид - две хроматиди, свързани чрез стеснение-центромера, което осигурява разминаването на хроматидите в процеса на делене. Интерфазната ДНК е организирана до ниво на домейн и се разпределя в клетъчното ядро без определен ред. Така виждаме, че морфологията на ДНК е тясно свързана с различните фази на нейното съществуване и отразява особеностите на функционирането на тази най-важна за живота молекула.
