Более высокие уровни структурной организации ДНК: от нуклеосомы до хромосомы

В зависимости от нуклеотидного состава и гидратации ДНК может принимать большое количество разнообразных двуспиральных третичных структур, часть из которых мы обсудили выше. Однако молекула ДНК обладает способностью компактизоваться сама по себе, в присутствии солей и некоторых полимеров. В таких условиях происходит спонтанная конденсация с образованием различного рода агрегатов, в которых молекулы ДНК уложены бок о бок. Например, если в водном растворе постепенно увеличивать концентрацию ионов магния и полиаминов, то молекула ДНК компактизуется в конденсированные формы с различной морфлогией - от макроскопически плотной, называемой ψ-ДНК, до сверхспирализованных нитей или слегка изогнутых палочек. Конкретная морфология зависит от природы добавленных агентов, однако важно отметить, что во всех конденсированных структурах ДНК находится в B-форме.

В клеточном ядре ДНК компактизуется с помощью четырех видов белков, называемых гистонами. При агрегации 4 пар гистонов разного типа образуется глобулярный гистоновый октамер, на который навивается ДНК длиной 146 пар оснований, образующая 1¾ левых сверхвитка (рис. 3.11). К такой структуре, называемой нуклеосомным ядром, прикрепляется еще один белок, гистон H1. Эта структура называется нуклеосомой. Структура нуклеосомы с высоким разрешением будет обсуждаться в Лекции 36 , посвященной рентгеноструктурному анализу.

Рис. 3.11. Схематическая структура различных уровней структурной организации ДНК

На этом компактизация ДНК не заканчивается. Цепь ДНК с нуклеосомами, разделенными участками ДНК длиной 50-100 пар оснований образует новый виток структуры, напоминающий нитку бус (рис. 3.11). Эта структура образуется при низкой ионной силе и называется хроматином. При дальнейшем увеличении ионной силы цепь компактизируется в структуру, напоминающую соленоид с 3-6 нуклеосомами на виток. Такой соленоид диаметром около 30 нм закручивается в спиральную структуру, называемую хромосомой. Хромосомы животных содержат двухцепочечную ДНК и имеют хорошо известную Х-образную форму (рис. 3.11). Их размеры могут меняться от 0.2 до 20 мкм.

Рибонуклеиновые кислоты (РНК)

Молекула ДНК, несущая в себе генетическую информацию, не используется клеткой непосредственно. Рабочие копии генов состоят из другой нуклеиновой кислоты, обычно обозначаемой как мРНК. Переписывание информации от ДНК к посреднику мРНК, называется транскрипцией и осуществляется специальной молекулой, называемой РНК-полимеразой. У неe две функции: раскрыть двойную спираль и произвести РНК посредника (рис. 3.13). Описание работы РНК-полимеразы как транскрипционной машины мы дадим в Лекции 31, посвященной биологическим моторам. При транскрипции копируется только одна из нитей ДНК.

Рис. 3.13. РНК-полимераза из T.thermophiluss в процессе репликации (зеленым). РНК показана красным, ДНК – синим. PDB код 2PPB

Как мы видели, ДНК представляет собой линейную цепь из фосфатов, сахаров и оснований. Верно ли это для РНК? Ответ «ДА». Однако он требует уточнения, поскольку между молекулами ДНК и РНК имеются определенные различия. Эти различия проявляются в трех пунктах. Первое отличие: в ДНК углеводом является дезоксирибоза, а в РНК – рибоза (рис. 3.14, слева). Как видно из рисунка дезоксирибоза содержит на один атом кислорода меньше, чем рибоза. Второе отличие состоит в том, что в РНК основание тимин (Т) заменено на урацил (U). Как видно из рисунка 3.14 (справа) урацил не содержит СH₃ группу. И, наконец, последнее: ДНК имеет двуцепочечную структуру, тогда как РНК преимущественно одноцепочечную.

Рис 3.14. Химическая структура рибозы и дезоксирибозы (слева), тимина и урацила (справа)

Фосфатные группы РНК отрицательно заряжены при физиологических pH, делая РНК заряженной молекулой (полианионом). Водородные связи образуются между C и G, А и U и G и U. Не исключены также связи между аденинами, особенно при образовании выступов. Важная структурная черта РНК, отличающая ее от ДНК, состоит в наличии гидроксильной группы в положении 2' рибозного сахара. Это приводит к тому, что А-форма спирали предпочтительна для РНК, а в самой РНК появляются гибкие области. Химическое строение полинуклеотида РНК дано на рисунке 3.15.

Рис. 3.15. Химическое строение полинуклеотида РНК