7.1: Структура ДНК
- Page ID
- 3507
Як видно на малюнці1, нуклеотиди змінюються лише незначно, і тільки в азотистій основі. У випадку ДНК цими основами є аденін, гуанін, цитозин та тимін. Відзначимо схожість форм аденіну і гуаніна, а також схожість між цитозином і тиміном. А і G класифікуються як пурини, тоді як С і Т класифікуються як піримідини. Поки ми називаємо речі, зверніть увагу на «дезоксирибоза» та «рибоза». Як випливає з назви, дезоксирибоза - це всього лише рибоза без кисню. Більш конкретно, там, де є гідроксильна група, приєднана до 2-вуглецю рибози, є лише водень, приєднаний до 2-вуглецю дезоксирибози. Це єдина різниця між двома цукрами.
При випадковому побудові однієї нитки нуклеїнової кислоти in vitro немає особливих правил щодо упорядкування нуклеотидів щодо їх основ. Ідентичність їх азотистих основ не має значення, оскільки нуклеотиди приєднуються фосфодіефірними зв'язками через фосфатну групу та пентозу. Тому його часто називають цукрово-фосфатною кісткою. Якщо ми розбиваємо слово «фосфодіефір», ми побачимо, що воно досить зручно описує зв'язок: цукри з'єднані двома ефірними зв'язками (—O—) з фосфором між ними. Однією з ідей, яка часто бентежить учнів, є спрямованість цього зв'язку, а отже, нуклеїнових кислот взагалі. Наприклад, коли ми говоримо про ДНК-полімеразу, фермент, який каталізує додавання нуклеотидів в живі клітини, ми говоримо, що він працює в напрямку від 5 до 5 простих (5') до 3-простих (3'). Це може здатися таємним молекулярно-біологічним говорити, але насправді це дуже просто. Погляньте ще раз на два нуклеотиди, з'єднані між собою фосфодіефірним зв'язком (рисунок\(\PageIndex{1}\), зліва внизу). До нуклеотиду цитозину приєднується нуклеотид аденіну. Фосфодіефірний зв'язок завжди пов'язує 5-вуглець однієї дезоксирибози (або рибози в РНК) з 3-вуглецем наступного цукру. Це також означає, що на одному кінці ланцюга зв'язаних нуклеотидів буде вільна 5' фосфатна (-PO 4) група, а на іншому - вільний 3' гідроксил (-OH). Вони визначають спрямованість нитка ДНК або РНК.

ДНК зазвичай зустрічається як дволанцюгова молекула в клітині, тоді як РНК в основному одноланцюгова. Однак важливо розуміти, що при відповідних умовах ДНК може бути зроблена однонитковими, а РНК може бути дволанцюговою. Насправді молекули настільки схожі, що навіть можна створити дволанцюгові гібридні молекули з однією ниткою ДНК і однією з РНК. Цікаво, що подвійні спіралі РНК-РНК та подвійні спіралі РНК-ДНК насправді трохи стабільніші, ніж більш звичайна подвійна спіраль ДНК-ДНК.
Основою двоцепочечной природи ДНК, а фактично основи нуклеїнових кислот як середовища для зберігання і передачі генетичної інформації, є спарювання основи. Спарювання основи відноситься до утворення водневих зв'язків між аденінами і тимінами, а також між гуанінами і цитозинами. Ці пари значно стійкіші, ніж будь-які асоціації, утворені з іншими можливими підставами. Крім того, коли ці асоціації базової пари утворюються в контексті двох ниток нуклеїнових кислот, їх інтервал також є рівномірним і дуже стабільним. Ви можете згадати, що водневі зв'язки є відносно слабкими зв'язками. Однак у контексті ДНК водневий зв'язок - це те, що робить ДНК надзвичайно стабільною і тому добре підходить як довгостроковий носій для зберігання генетичної інформації. Оскільки навіть у простих прокаріотів подвійні спіралі ДНК мають довжину щонайменше тисячі нуклеотидів, це означає, що існує кілька тисяч водневих зв'язків, що утримують дві нитки разом. Хоча будь-яка індивідуальна взаємодія зв'язку нуклеотиду з нуклеотидом з нуклеотидом може бути легко тимчасово порушена невеликим підвищенням температури або незначною зміною іонної сили розчину, повна подвійна спіраль ДНК вимагає дуже високих температур (як правило, понад 90° С) до повністю денатурувати подвійну спіраль на окремі пасма.
Оскільки відбувається точне спарювання нуклеотидів один до одного, виходить, що дві нитки по суті є резервними копіями один одного - підстрахувальною сіткою в тому випадку, якщо нуклеотиди втрачаються з однієї нитки. Насправді, навіть якщо частини обох пасом пошкоджені, до тих пір, поки інша пасмо ціла в області пошкодження, то істотна інформація все одно є в доповнюючої послідовності протилежної пасма і може бути записана на місце. Майте на увазі, що хоча одна нитка ДНК може таким чином діяти як «резервна копія» іншої, дві нитки не ідентичні - вони доповнюють один одного. Цікавим наслідком цієї системи взаємодоповнюючих і антипаралельних пасом є те, що дві пасма можуть нести унікальну інформацію.
Двонаправлені генні пари - це два гени на протилежних нитках ДНК, але поділяють промотор, який лежить між ними. Оскільки ДНК може бути зроблена лише в одному напрямку, від 5 до 3', цей двонаправлений промотор, часто острів CpG (див. Наступний розділ), таким чином, посилає РНК-полімеразу для кожного гена в протилежних фізичних напрямках. Це було показано для ряду генів, що беруть участь у ракових захворюваннях (молочної залози, яєчників), і є механізмом координації експресії мереж генних продуктів.
Нитки подвійної спіралі ДНК є антипаралельними. Це означає, що якби ми подивилися на подвійну спіраль ДНК зліва направо, одна нитка була б побудована в напрямку 5' до 3', тоді як додаткова нитка побудована в напрямку від 3 'до 5'. Це важливо для функції ферментів, які створюють і відновлюють ДНК, про що ми будемо обговорювати найближчим часом. На малюнку\(\PageIndex{1}\) ліва пасмо становить 5 'до 3' зверху вниз, а інша - від 5' до 3' знизу вгору.
З фізичної точки зору молекули ДНК негативно заряджені (всі ці фосфати), і, як правило, подвійна спіраль з правостороннім поворотом. У цьому нормальному (також званому конформацією «B») стані один повний скручування молекули охоплює 11 пар основ, з 0,34 нм між кожною основою нуклеотидів. Кожна з азотистих підстав плоска, а в парі з комплементарним підставою утворює на «сходах» ДНК рівну «щаблю». Вони перпендикулярні поздовжній осі ДНК. Велика частина вільно плаваючої ДНК в клітині, і більшість ДНК у будь-якому водному розчині майже фізіологічної осмолярності та рН, знаходиться в цій конформації B. Однак були знайдені інші конформації, як правило, за дуже конкретних екологічних обставин. Стиснута конформація, А-ДНК, спостерігалася як артефакт кристалізації in vitro, з трохи більшою кількістю основ на повороті, коротшою довжиною повороту та парами основ, які не перпендикулярні поздовжній осі. Інший, Z-ДНК, здається, тимчасово утворюється в багатих ГК ділянках ДНК, в яких, що цікаво, ДНК закручується в протилежному напрямку.

Було висловлено припущення, що і A, і Z форми ДНК насправді є фізіологічно релевантними. Існують дані, які свідчать про те, що форма А може виникати в гібридних подвійних спіралі РНК-ДНК, а також коли ДНК комплексується деякими ферментами. Конформація Z може виникнути у відповідь на метилювання ДНК. Крім того, «нормальна» конформація B-ДНК - це щось на зразок ідеалізованої структури, заснованої на повній гідратації, як, безумовно, дуже ймовірно всередині клітини. Однак цей стан гідратації постійно змінюється, хоча і щонайменше, тому конформація ДНК часто буде дещо відрізнятися від параметрів B-конформації на малюнку\(\PageIndex{2}\).
У прокаріотів ДНК знаходиться в цитоплазмі (досить очевидно, оскільки іншого вибору у цих простих організмів немає), тоді як у еукаріотів ДНК знаходиться всередині ядра. Незважаючи на відмінності в їх розташуванні, рівні захисту від зовнішніх сил, а найбільше їх розмірів, як прокаріотична, так і еукаріотична ДНК упакована білками, які допомагають організувати і стабілізувати загальну хромосомну структуру. Щодо прокаріотичної хромосомної упаковки розуміється відносно мало, хоча існують структурні подібності між деякими білками, що містяться в прокаріотичних та еукаріотичних хромосомах. Тому більшість вступних курсів клітинної біології дотримуються еукаріотичної хромосомної упаковки.

Гола ДНК, будь то прокаріотична чи еукаріотична, є надзвичайно тонкою ниткою матеріалу діаметром приблизно 11 нм. Однак, враховуючи розмір еукаріотичних геномів, якби ДНК зберігалася таким чином всередині ядра, вона стала б некерованою заплутаною. Уявіть відро, в яке ви кинули сто метрів пряжі без будь-яких спроб організувати його, намотуючи його або пучок. Тепер подумайте, чи зможете ви дістатися до цього відра, потягніть на одну пасмо, і очікуйте підтягнути лише одну пасмо, або якщо замість цього ви, швидше за все, підтягнете хоча б невеликий клубок пряжі. Клітина робить по суті те, що ви зробили б з пряжею, щоб зберегти її організованою: вона акуратно упакована в менші, керовані мотки. Що стосується ДНК, кожна хромосома зациклена навколо комплексу гістонів, щоб сформувати перший порядок хромосомної організації: нуклеосому.

30-нм волокно утримується разом двома наборами взаємодій. По-перше, лінкерний гістон, H1, зводить нуклеосоми разом у приблизну 30-нм структуру. Потім ця структура стабілізується дисульфідними зв'язками, які утворюють між H2A гістоном однієї нуклеосоми і H4 гістоном її сусіда.
Гістони - сімейство основних (позитивно заряджених) білків. Всі вони функціонують в першу чергу в організації ДНК, і нуклеосома утворюється при обгортанні ДНК (трохи більше 2 разів) навколо ядра з восьми гістонів - по два з H2A, H2B, H3 і H4. Кількість і положення позитивних зарядів (в основному з лізинів і аргінінів) мають вирішальне значення для їх здатності щільно зв'язувати ДНК, яка, як було зазначено раніше, дуже негативно заряджена. Те, що «протилежності приваблюють» ідея - це не просто порада знайомств із стовпців порад.

При дослідженні тривимірної структури комплексу ядра гістонів ми бачимо, що, хоча відносно незаряджені домени взаємодії білків утримують гістони разом в центрі, позитивно заряджені залишки знаходять навколо зовнішнього боку комплексу, доступні для взаємодії з негативно зарядженими фосфатами ДНК.
У наступному розділі ми обговоримо, як ферменти читають ДНК, щоб транскрибувати її інформацію на менші, більш керовані шматки РНК. Наразі нам потрібно лише знати, що в будь-який момент часу значна частина ДНК упакована щільно, тоді як деякі частини ДНК - ні. Оскільки частини, які доступні для використання, можуть змінюватися залежно від того, що відбувається/в клітці в будь-який момент часу, упаковка ДНК повинна бути динамічною. Повинен бути механізм швидкого послаблення зв'язування ДНК з гістонами, коли ця ДНК потрібна для експресії генів, і посилити зв'язування, коли це не так. Як з'ясовується, цей процес передбачає ацетилювання і деацетилювання гістонів.

Гістонові ацетилтрансферази (HATS) - це ферменти, які розміщують ацетильну групу на лізин гістонового білка. Ацетильні групи негативно заряджені, а ацетилювання не тільки додає негативно заряджену групу, але і знімає позитивний заряд з лізину. Це має ефект не тільки нейтралізації точки тяжіння між білком і ДНК, але навіть трохи відштовхує його (з подібними зарядами). З іншого боку механізму гістонові деактилази (HDAC) - це ферменти, які видаляють ацетилювання, і тим самим відновлюють взаємодію між білком гістону і ДНК. Оскільки це такі важливі ферменти, цілком зрозуміло, що їм не дозволяється діяти волею-неволею на будь-якому доступному гістоні, і насправді вони часто зустрічаються в комплексі з іншими білками, які контролюють і координують їх активацію з іншими процесами, такими як активація транскрипції.