Блок дополнительной информации. ДНК и Хромосомы

ДНК и Хромосомы.

В ядре диплоидной клетки человека — 46 хромосом.

В пресинтетический (постмитотический) период жизненного цикла делящихся клеток, а также всегда в неделящихся клетках каждая хромосома содержит лишь одну молекулу ДНК.Каждая из этих столь протяженных молекул включает 2 полинуклеотидные цепи, образующие двойную спираль.

Последняя связана с основными (гистоновыми) и кислыми (негистоновыми) белками.Общая длина всех 46 молекул ДНК, находящихся в ядре человеческой клетки, — около 190 см. Эти молекулы существенно различаются по размеру; средняя же длина одной из них, как нетрудно найти, — примерно 4 см.

В свою очередь, каждая цепь — это линейная последовательность нуклеотидов(точнее, дезоксирибонуклеотидов) четырех видов: дАМФ, дГМФ, дЦМФ и дТМФ.

Любой из названных нуклеотидов имеет 3 компонента (рис. 1.).

Исходя из этого, и составляются названия нуклеотидов ДНК: дАМФ —дезоксиаденозинмонофосфат, дГМФ — дезоксигуанозинмонофосфат, дЦМФ — дезоксицитидинмонофосфат, дТМФ — дезокситимидинмонофосфат.

В цепи ДНК нуклеотиды связываются с помощью фосфатных групп (рис. 2).

Рис. 2.Структура ДНК

Конец З' конец

З' конец 5' конец

Как видно из рис. 2, остов цепей образуется чередующимися остатками пентозы и фосфата. При этом фосфатные остатки расположены между 5'- и 3'-положениями пентоз соседних нуклеотидов. (В нумерации атомов углерода пентозы используются штрихи.)

Азотистые же основания цепей обращены друг к другу, спариваясь по принципу комплементарности: А с Т, Г сЦ.

Принципиальное значение для протекающих на ДНК процессов имеет полярностьцепей. На т. н. 5'-конце цепи свободно (5'атом углерода не участвует в образовании межнуклеотидной связи). Соответственно, на З'-конце в образовании межнуклеотидной связи не участвует этот З'атом углерода.

Из представленной схемы также видно, что цепи в молекуле ДНК являются антипараллельными.

При «горизонтальном» изображении ДНК принято располагать ее так, чтобы у верхней цепи слеванаходился 5'-конец; например:

(5)--АТТГАЦАГГЦ--(3)

(3)--ТААЦТГТЦЦГ--(5)

В двойной спирали на 1 виток ДНК приходится 10 нуклеотидных пар. Длина витка — 3,4 нм.

Примерно 60-80 % хромосомных белков представлены гистонами. Последние обогащены аминокислотами с основными (аргинин, лизин) и гидрофобными (валин и т. п.) радикалами. Благодаря основным радикалам, гистоны взаимодействуют с ДНК, а благодаря гидрофобным радикалам — друг с другом. Эти взаимодействия приводят к образованию нуклеосом. Основа нуклеосомы — глобула из 8 белковых молекул (октамер): она включает по 2 молекулы гистонов четырех видов (Н2А, Н2В, НЗ и Н4). Вокруг одной такой глобулы молекула ДНК делает примерно 2 оборота, что и образует в итоге нуклеосому (рис. 3).

Рис. 3. Три последовательные нуклеосомы.

Нуклеосомы расположены на молекуле ДНК не вплотную: между ними имеются линкерные (соединительные) участки (iDNA) длиной 60 н. п. С каждым линкерным участком связана 1 молекула еще одного вида гистонов — HI.

Следовательно, всего в хромосомах встречаются гистоны 5 видов, а период нуклеосомной организации составляет 200 н. п.

Молекула ДНК участвует в образовании очень большого числа нуклеосом (в среднем 600 000). В результате на данном уровне организации каждая хромосома (не считая негистоновых белков) представляет собой длинную нить «бусинок» — нуклеосом диаметром 10 нм. По сравнению с молекулой ДНК, длина нуклеосомной нити примерно в 6,2 раза меньше.

В неделящемся ядре клетки хромосомы не различимы, а воспринимаются все вместе как хроматин.

При этом выделяют гетеро- и эухроматин.

В хроматине к нуклеосомному уровню добавляются последующие уровни укладки хромосомы. Считается, что нуклеосомная нить закручивается в спираль типа соленоида, а та, возможно, образует суперспираль. В этих процессах, видимо, ключевую роль играет гистон HI. В итоге формируется хроматиновая нить диаметром 30 нм.

Хроматиновая нить короче нуклеосомной примерно в 18 раз и короче упакованной в ней молекулы ДНК в 6,2 х 18=100 раз.

В свою очередь, хроматиновые нити образуют петли, которые собираются в розетки, где основания петель крепятся к белкам ядерного матрикса. Наибольшей компактизации хромосомы достигают в процессе деления - митоза (на стадии метафазы). Точная укладка хромосомных нитей при этом неизвестна. По одной из версий, хроматиновая нить многократно складывается по длине хромосомы (рис. 4).

Рис. 4. Укладка нити ДНК в спирализованной хромосоме.

Дополнительная литература.

1. Грин Н., Стаут У., Тейлор Д. Биология: В 3-х т. Т.1: Пер с англ. / Под ред. Р. Сопера.- М.: Мир, 1993. С.316-319.

2. Мушкамбаров Н.Н., Кузнецов С.Л. Молекулярная биология. М.: 2003 554 с.