Альтернативные формы двойной спирали днк реферат
Обновлено: 05.07.2024
Рассмотренная модель ДНК соответствует В-форме, которая характеризуется плоскопараллельным расположением пар нуклеотидных оснований внутри двойной спирали. Плоскости почти перпендикулярны оси спирали и отстоят друг от друга на 3,4 А, на один виток спирали приходится 10 пар оснований. B-форма характерна для волокон ДНК при очень высокой влажности (92 %) и в растворах солей низкой ионной силы. Считают, что именно в такой форме ДНК обычно находится в живой клетке.
Известны другие типы ДНК – отличающиеся от В-формы числом нуклеотидов на виток и расстоянием между нуклеотидами, шагом спирали и углом наклона между плоскостью оснований и осью спирали. Конфигурация зависит от содержания солей в препарате, нуклеотидного состава ДНК и относительной влажности препарата. Монокристаллический рентгеновский анализ увеличил разрешение от 5 до 1, позволил рассмотреть каждый атом в молекуле и получить более точную и подробную структуру.
А-форма обнаружена в волокнах ДНК при 75% влажности и концентрированных растворах с высокой ионной силой, нуждается в присутствии ионов натрия, калия и цезия, несущих противоположный заряд или в сухой ДНК. Основания наклонены по отношению к оси спирали – угол наклона 20 , число оснований на виток больше, чем в В-форме – 11, диаметр 23. А-форма близка к структуре гибридов ДНК-РНК и двуспиральных участков РНК, этим она интересна с биологической точки зрения.
С-форма образуется, когда ДНК находится при влажности 66%, в присутствии ионов лития. Число пар оснований на виток меньше, чем в В-форме – 9 1/3.
В формах А-, В- и С- могут находиться все ДНК, независимо от их нуклеотидной последовательности.
D-форма и Е-форма (возможно, крайние варианты одной и той же формы) имеют наименьшее число пар оснований на виток (8 и 7,5) и обнаружены только в определенных молекулах ДНК, не содержащих гуанина. Недавно описана Р-ДНК.
Z-форма представляет собой наиболее резкий контраст с выше рассмотренными формами (открыта в 1979 г. Эндрю Ванг и Александром Рич). Эта форма левосторонняя, тогда как все остальные – правосторонние. Числа пар оснований на виток – 12, то есть она менее скрученная и более тонкая (d = 18). Сахарофосфатный остов образует вдоль спирали зигзагообразную линию. Найдена Z-форма двойной спирали в полимерах, имеющих многократно повторяющиеся динуклеотидные пары:
polu-d (GC ) n и polu-d ( AC)n – 26-32 дуплета.
Z-форма существует только при очень высоких концентрациях соли, что объясняется необходимостью противостоять повышенному электростатическому отталкиванию между нуклеотидами, сжатыми из-за уменьшения диаметра двойной спирали Z-формы.
Белки оказывают значительное влияние на возможность перехода из В-формы в Z-форму. Например, ДНК, связанная с гистонами, не переходит из одной формы в другую в тех условиях, когда это наблюдают у свободной ДНК. Одним из условий, необходимых для образования Z-ДНК in vivo, по-видимому, является присутствие особых белков, стабилизирующих ее структуру. Присутствие Z-ДНК in vivo пока не доказано.
Водородные связи и анализ структуры нуклеиновых кислот.
Природа водородных связей уникальна. При слабом нагревании двойная спираль денатурирует и раскручивается. При медленном охлаждении смеси комплементарных одноцепочечных молекул ДНК они реассоциируют, вновь образуя двойную спираль. У молекул с более высоким содержанием пар Г-Ц (три водородных связи) по сравнению с А-Т температура плавления выше.
Методы молекулярной гибридизации
В основе методов молекулярной гибридизации лежит способность нуклеиновых кислот к обратимой денатурации. При соответствующей температуре между ДНК разных видов, между ДНК и РНК образуются гибридные молекулы, что говорит о сходстве их последовательностей.
Репликация ДНК
ДНК может быть представлена линейной формой. Длина молекул ДНК, выделенных из клеток из дрозофилы, составляет 1,2 см. У мелких вирусов, хлоропластов и митохондрий геном представляет собой кольцевую ДНК, в которой обе цепи двойной спирали замкнуты в непрерывное кольцо. У E. coli длина кольца около 1 мм. В бактериальном и эукариотическом геномах ДНК может находиться в виде больших петель.
Репликация важнейшая функция генетического материала, которая необходима для поддержания генетической непрерывности клеток. Репликация – это создание себе подобной структуры, что позволяет точно воспроизводить генетическую информацию, хотя возможны и ошибки. Во второй статье в Nature Уотсон и Крик предложили полуконсервативную модель репликации ДНК, которая была впоследствии подтверждена на вирусах, прокариотах и эукариотах.
Репликация линейных молекул начинается в определенных точках с образованием репликационных вздутий. В небольших молекулах ДНК вирусов репликация может начинаться с одной точки, в больших молекулах ДНК, образующих хромосомы эукариот, иногда насчитываются сотни точек инициации репликации. Соседние вздутия могут сливаться, а когда вздутие достигает конца молекулы, образуется характерная Y-образная конфигурация.
Точка, в которой происходит репликация, получила название репликационной вилки (иногда называемой точкой роста). Репликационная вилка – это область между нерасплетенной родительской двухцепочечной ДНК и вновь синтезированными дочерними двойными цепями ДНК. Репликация может осуществляться либо в одном, либо в двух направлениях. При однонаправленной репликации движется одна репликационная вилка вдоль ДНК. При двунаправленной репликации от точки начала в противоположных направлениях расходятся две репликационные вилки.
После расплетания и разделения родительские цепи двойной спирали ДНК выступают в роли матриц, по которым синтезируются растущие комплементарные дочерние цепи.
Синтез ДНК как у про-, так и у эукариот осуществляется при участии множества разных ферментов. Основную роль играет ДНК-полимераза, которая последовательно присоединяет новые звенья к растущей полинуклеотидной цепи в соответствии с принципом комплементарности и катализирует образование фосфодиэфирных связей. Для действия ДНК-полимеразы необходимо наличие 3-ОН-затравки, без 3-ОН-затравки фермент не способен направлять синтез цепи.
Нуклеиновые кислоты синтезируются только от 5 к 3 концу. Так как цепи двойной спирали ДНК антипараллельны, то есть в области репликационной вилки присутствуют и 3- и 5- концы синтезируемых цепей, то синтез одной цепи идет непрерывно (ведущая цепь), а другой прерывисто (отстающая цепь). Для синтеза отстающей цепи необходимо образование новых затравочных участков. Синтез ведущей и отстающей цепей происходит по мере продвижения репликационной вилки вдоль двойной спирали родительской ДНК. Процесс расплетания и экспонирования двух матричных цепей ДНК происходит при участии белков трех типов и сопровождается значительными энергетическими затратами. Белок первого типагеликаза осущетвляет собственно расплетание спирали, а необходимая энергия поставляется за счет гидролиза АТР.
Белок второго типа SSB специфически связывается с одноцепочечной ДНК, предотвращая преждевременную реассоциацию цепей.
Расплетание двойной спирали без вращения приводит к образованию дополнительных витков или узлов на участках ДНК вблизи репликационной вилки. Белок третьего типа топоизомераза, способствует релаксации сверхскрученных участков ДНК, внося одноцепочечные разрывы фосфодиэфирных связей и раскручивая узлы в области родительской двойной спирали перед репликационной вилкой. После такого раскручивания и снятия напряжения, связанного с образованием дополнительных витков спирали, топоизомераза вновь замыкает разорванные фосфодиэфирные связи и восстанавливает структурную целостность родительской ДНК.
ДНК синтезируется довольно быстро, колеблется от 500 нуклеотидов в 1 сек у бактерий, до 50 нуклеотидов в 1 сек у млекопитающих.
1889 г . Нуклеин разделен на нуклеиновую кислоту и белок. Появился термин "нуклеиновая кислота". Рихард Альтман.
1938 г . Рентгеноструктурный анализ показал, что расстояние между нуклеотидами в ДНК 3,4 А. При этом азотистые основания уложены стопками. Уильям Астбюри, Флорин Белл.
1947 г . С помощью прямого и обратного титрования установлено, что в ДНК есть водородные связи между группами N - H и С=О. Гулланд
1953 г . С помощью кислотного гидролиза ДНК с последующей хроматографией и количественным анализом установлены закономерности: А/Т=1; Г/Ц=1; (Г+Ц)/ (А+Т)=К - коэффициент специфичности, постоянен для каждого вида. Эрвин Чаргафф.
Правила Чаргаффа . В ДНК всегда А/Т=1; Г/Ц=1; (Г+Ц)/(А+Т)=К -коэффициент специфичности, постоянен для каждого биологического вида.
Принципы строения ДНК
1. Нерегулярность. Существует регулярный сахарофосфатный остов, к которому присоединены азотистые основания. Их чередование нерегулярно.
2. Антипараллельность. ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, ориентированных антипа-раллельно, т.е. идущих навстречу друг другу. 3'-конец одной цепи расположен напротив 5-конца другой.
3. Комплементарность (дополнительность). Каждому азотистому основанию одной цепи соответствует строго определенное азотистое снование другой цепи. Соответствие их друг другу задается химической структурой оснований. Пурины - более длинные основания, и поэтому для сохранения равномерной толщины двойной цепи они могут связываться только с более короткими пиримидинами. Пурин и пиримидин в паре образуют водородные связи. В паре А-Т две водородные связи, в паре Г-Ц — три.
4. Наличие регулярной вторичной структуры. Две комплементарные, антипараллельно расположенные полинуклеотидные цепи образуют правые спирали с общей осью.
В основной - В-форме на виток приходится 10 комплементарных пар.
Z – форма. В – форма. А — форма.
А-форма - 11 пар азотистых оснований на виток. Плоскости азотистых оснований отклонены от нормали к оси спирали на 20°. Отсюда следует наличие внутренней пустоты диаметром 5Å. Высота витка 28Å. Такие же параметры у гибрида из одной цепи ДНК и одной цепи РНК.
Есть еще несколько форм правых спиралей и всего одна левая спираль ( Z -форма). Высота витка в Z -форме -44.5Å, на виток приходится 12 пар нуклеотидов. Ни А-, ни Z - формы не могут существовать в водном растворе без дополнительных воздействий (белки или суперспирализация).
Нуклеотид = нуклеозид + фосфорная кислота = азотистое основание + пентоза+ фосфорная кислота.
Нуклеотиды соединяются друг с другом в полимерную цепочку с помощью фосфодиэфирных связей. Азотистые основания не принимают участия в соединении нуклеотидов одной цепи.
Существует два класса азотистых оснований. Пурины: аденин (А) и гуанин (Г) - содержат два гетероцикла. Пиримидины: тимин (Т), цитозин (Ц) и урацил (У) - содержат один гетероцикл.
3. Реализация генетической информации в виде белков, а также любых других соединений, образующихся с помощью белков-ферментов.
Лекции
Лабораторные
Справочники
Эссе
Вопросы
Стандарты
Программы
Дипломные
Курсовые
Помогалки
Графические
Доступные файлы (1):
Университет Российской Академии Образования
Реферат по биологии
Москва 2007 год
2. Структура дезоксирибонуклеиновой (ДНК) кислоты---------------------------4
4. Данные, указывающие на роль ДНК в наследственности----------------------6
5. Сохранение информации от поколения к поколению---------------------------7
Из всего, что нас окружает, самой необъяснимой кажется жизнь. Мы привыкли, что она всегда вокруг нас и в нас самих, и потеряли способность удивляться. Но пойдите в лес, взгляните, так, будто вы их увидели впервые, на деревья, траву, цветы, на птиц и муравьёв, и вас охватит чувство беспомощности перед лицом великой тайны жизни. Неужели во всём этом есть нечто общее, нечто такое, что объединяет все живые существа, будь то человек или невидимый глазом микроб? Что определяет преемственность жизни, её возрождение вновь и вновь из поколения в поколение? Эти вопросы стары как мир, но только во второй половине XX века удалось впервые получить на них ответы. В сущности, ответы оказались не слишком сложными и, главное, ослепительно красивыми. О том, как их удалось получить и в чём они состоят, я попробую рассказать в своём реферате.
Генетика – наука о законах наследственности и изменчивости живых организмов. Под наследственностью понимают свойство организма повторять в ряду поколений признаки, сходные типы обмена веществ и индивидуального развития в целом. Другими словами, наследственность обеспечивает воспроизведение нового поколения в строгих формах исходного вида за счёт передачи наследственной информации о признаках и свойствах. Изменчивость – прямо противоположное свойство. Благодаря ему у потомства появляются новые признаки. Изменённая наследственная информация передаётся в последующем от поколения к поколению.
Наследственность как свойство всех организмов интересовала людей с древних времён. Но только в XIX в. это явление стали объективно изучать. Определяющий вклад в понимание механизмов наследования признаков внес чешский исследователь Грегор Иоганн Мендель. Его можно считать основателем научной генетики. В 1866 г. Г. Мендель опубликовал результаты экспериментов на горохе, в которых показал, что наследственность передаётся через половые клетки от одного поколения к другому. Эти законы были приняты только в 1900г. Этот год считается годом рождения генетики как науки.
В последующие 100 лет к наиболее значимым открытиям в генетике можно отнести:
- обоснование хромосомной теории наследственности (1910 – 1920 гг.);
- доказательства информационной роли дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) и расшифровка её стереохимической структуры (1930 – 1953 гг.);
- расшифровка генетического кода и генетических механизмов синтеза белка (60-е годы XX в.);
- создание технологий рекомбинантных ДНК (генная инженерия, 70-е годы XX в.);
- расшифровка геномов организмов (1980 – 1990 гг.).
Наследственность и изменчивость являются первичными неотъемлемыми свойствами живых организмов. Они лежат в основе всех жизненных проявлений. Без наследственности и изменчивости невозможна была бы эволюция на Земле.
^ 2. Структура дезоксирибонуклеиновой (ДНК) кислоты.
Нуклеиновые кислоты обладают первичной структурой и трёхмерной структурой. Интерес к структуре ДНК усилился, когда в начале XX в. возникло предположение, что ДНК, возможно, представляет собой генетический материал.
В начале пятидесятых годов американский химик Лайнус Полинг обратился к исследованию структуры ДНК, которая, по имеющимся в то время сведениям, также представлялась фибриллярной молекулой.
Одновременно в Лондоне Морис Уилкинс и Розалинда Франклин пытались решить ту же проблему методом рентгеноструктурного анализа, получая сложные дифракционные картины. С помощью этих картин можно было, выявить лишь общую структуру молекулы ДНК.
Тем временем Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик в Кембриджском университете избрали иной подход, который в конечном счёте и обеспечил успешное решение проблемы. Используя все физические и химические данные, какие оказались в их распоряжении, Уотсон и Кирк стали строить пространственные модели ДНК в надежде на то, что рано или поздно им удастся получить достаточно убедительную структуру.
Уотсон и Крик задались целью проверить предположение, что молекула ДНК состоит из двух спиральных полинуклеотидных цепей, удерживаемых вместе благодаря спариванию оснований, принадлежащим соседним цепям. Основания удерживаются вместе водородными связями. Аденин спаривается с Тимином, а гуанин – с цитозином; АТ-пара соединяется двумя
подогнанными друг к другу и что общий размер и форма двух этих пар оснований одинаковы, так как обе пары содержат по три кольца. Водородные связи при других сочетаниях оснований в принципе возможны, но они гораздо слабее. После того как все эти обстоятельства выяснились, можно было наконец приступить к созданию достоверной модели ДНК.
^ 3. Строение молекулы ДНК.
Уотсон и Кирк показали, что ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей. Каждая цепь закручена а спираль вправо, и обе они свиты вместе, т.е. закручены вправо вокруг одной и той же оси, образуя двойную спираль. Цепи антипараллельны, т.е. направлены в противоположные стороны. Каждая цепь состоит из сахаросфатного остова, вдоль которого перпендикулярно длинной оси двойной спирали располагаются основания; находящиеся друг
существует, но в силу правила спаривания оснований эта последовательность в одной цепи определяет собой последовательность нуклеотидов в другой цепи. Поэтому мы говорим, что две цепи двойной спирали комплементарны друг другу.
нести в себе закодированную информацию.
точно воспроизводиться (реплицироваться).
^ 4. Данные, указывающие на роль ДНК в наследственности.
Явление это было открыто в опытах с пневмококками, то есть с бактериями, вызывающими воспаление легких. Известны две формы пневмококков: А-форма с полисахаридной капсулой и Б-форма без капсулы. Оба эти признака наследственны. Пневмококки А-формы при заражении ими мышей вызывают воспаление легких, от которого мыши погибают. Б-форма для них безвредна.
В 1928 году английский бактериолог Ф.Гриффитс заражал мышей смесью, состоящей из убитых нагреванием пневмококков А-формы и живых пневмококков Б-формы. Ученый предполагал, что мыши не заболеют. Но вопреки ожиданиям подопытные животные погибли. Ф. Гриффитсу удалось выделить из тканей погибших мышей пневмококки. Все они оказались капсулированными, то есть А-формы. Следовательно, убитая форма каким-то образом передавала свои свойства живым клеткам Б-формы. Но как? С помощью какого именно вещества: полисахарида, из которого состоит капсула, белка или ДНК?
От решения этого вопроса зависело многое, так как, установив вещество, передающее наследственный признак – образование капсулы, можно было получить нужный ответ. Однако сделать это не удавалось довольно долго. Лишь спустя 16 лет после опытов Ф. Гриффитса, в 1944 году, американский ученый А. Эвери с сотрудниками, поставив ряд четких экспериментов, сумел с полным обоснованием доказать, что полисахарид и белок не имеют никакого отношения к передаче наследственных свойств пневмококка А-формы.
В процессе этих экспериментов с помощью специального фермента растворили полисахаридную капсулу убитых пневмококков А-формы и проверили, продолжают ли остатки клетки формы А передавать наследственную информацию клеткам формы Б. Оказалось, что продолжают. Стало ясно, что полисахарид как источник генетической информации отпадает.
Далее ученые при помощи других ферментов удалили из остатков пневмококков А белки и снова проверили их действие. Передача наследственной информации от А к Б продолжалась. Следовательно, и белок ни при чем.
Таким образом, методом исключения было установлено, что наследственную информацию в клетке хранит и передает молекула ДНК. И действительно, когда разрушили ДНК, образование капсульных форм А из бескапсульных Б прекратилась.
Явление преобразования, то есть наследственного изменения свойств одной формы бактерий под воздействием веществ другой формы, было названо трансформацией. Вещество же, вызывающее трансформацию, получило название трансформирующего агента. Им, как было установлено, служит ДНК.
^ 5. Сохранение информации от поколения к поколению.
Ферменты, осуществляющие синтез ДНК, называются ДНК-полимеразами. Впервые ДНК-полимераза I была получена в очищенном виде А. Корнбергом из Е.Coli в 1958 г. В клетках содержится три различные формы ДНК-полимераз, все они обладают синтезирующей активностью и способны удлинять цепи ДНК. Репликацию ДНК осуществляет ДНК-полимераза α, исправление повреждённых участков ДНК осуществляют ДНК-полимеразы I, II.
РНК-полимераза – фермент, осуществляющий транскрипцию РНК.
Эндонуклеазы – ферменты, разрезающие двухнитевую молекулу ДНК в местах, соответствующих последовательностям из 4 – 12 нуклеотидов.
ДНК-лигазы – ферменты, контролирующие образование фосфодиэфирной связи между 3′- и 5′-концами фрагментов ДНК.
6. Заключение.
Изучение генетики человека, несмотря на всю сложность, важно не только с точки зрения науки. Трудно переоценить и прикладное значение проводимых исследований.
Достижения в этой области оказывают заметное влияние на другие отрасли наук о человеке – медицину, психиатрию, психологию, педагогику.
В частности, велика роль развивающейся генетики человека в решении проблем наследственных болезней. Современные данные свидетельствуют, что человеком наследуются многие болезни, такие, как несвертываемость крови, цветовая слепота, ряд психических заболеваний. Кроме того, генетика человека призвана решать и другие вопросы.
Значение развития генетики человека очевидно. Можно с полной уверенностью сказать, что, например, в молекулах ДНК клеток человека запрограммирована генетическая информация, контролирующая каждый миг нашей жизни. Это касается здоровья, нормального развития, продолжительности жизни, наследственных болезней, сердечно-сосудистых заболеваний, злокачественных опухолей, предрасположенности к тем или иным инфе6кционным заболеваниям, старости и даже смерти.
Если выделить из ядра одной клетки человека все генетические молекулы ДНК и расположить их в линию одна за другой, то общая длина этой линии составит семь с половиной сантиметров. Такова биохимическая рабочая поверхность хромосом. Это сконцентрированное в молекулярной записи наследие веков прошедшей эволюции.
Закономерности генетики в большинстве случаев носят универсальный характер. Они одинаково важны для растений, для животных. Велико их значение и для человека.
Все, о чем мы говорили, касалось наиболее распространенной, так называемой В-формы двойной спирали ДНК. Известны также два других изомерных типа двойной спирали. Они образуются благодаря тому, что валентные углы между основаниями и сахаром могут меняться, а дезоксирибозное кольцо и сахарофосфатный остов достаточно гибки, чтобы могли сформироваться альтернативные конфигурации. Редко встречающаяся А-форма, существующая только при пониженной влажности, отличается от В-формы тем, что плоскости оснований составляют с перпендикуляром к оси спирали угол 20°. Поэтому расстояние между парами оснований по вертикали уменьшается до 0,29 нм, а число пар на виток увеличивается до 11-12. Какова биологическая функция А-формы ДНК-пока неясно.
Характерной особенностью В-формы ДНК является то, что сахарофосфатные остовы обеих цепей образуют правую спираль. Однако при определенных условиях участки ДНК, для которых характерно чередование пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов, принимают форму левой спирали. При этом расстояние между соседними парами оснований увеличивается до 0,77 нм, а число пар на один виток-до 12. Остов молекулы ДНК имеет зигзагообразный вид, поэтому подобная форма получила название Z-ДНК. Вопрос о том, существует ли Z-ДНК в естественных условиях и образуется ли она в определенных участках В-спирали под действием специфических белков, способных переводить В-форму в Z-форму, сейчас интенсивно исследуется.
Г. Размер молекул ДНК
Обычно размер молекулы ДНК выражается в числе пар нуклеотидов, при этом за единицу берется тысяча пар нуклеотидов. Мол. масса одной т.п. н. В-ДНК равна в среднем 6,6"10 5 , а ее длина составляет 340 нм. Если принять все необходимые меры, чтобы не разрушить ДНК при выделении, и использовать мягкие методы измерения длины, то обнаружится удивительное соответствие между длиной молекулы ДНК и массой одной небольшой хромосомы. Так, молекулы ДНК единственных хромосом, из которых состоят геномы бактериофагов X и Т4, а также адено - и герпесвирусов, имеют длину, соответствующую числу пар оснований в одной хромосоме, составляющей геном каждого из этих вирусов. Полный геном E. coli также представлен единственной молекулой ДНК и имеет длину 1,4 мм. Есть все основания считать, что каждая из хромосом дрожжей, Drosophila и даже человека состоит из одной молекулы ДНК размером от нескольких десятков тысяч до многих миллионов пар нуклеотидов.
Д. Разнообразие форм ДНК
Существовавшее до недавнего времени мнение о том, что В-ДНК - это совершенная двойная спираль, геометрия которой одинакова независимо от нуклеотидной последовательности, в действительности не совсем корректно. Детальный рентгеноструктурный анализ, построение моделей и термодинамические расчеты показали, что плоскости соседних пар оснований не строго параллельны. Каждая комплементарная пара оснований является как бы клином, отклоняющим ось спирали в одном или в другом направлении. Наибольший "крен" наблюдается тогда, когда два соседних аденина в одной цепи спарены с двумя тиминами другой. В этом месте происходит локальное искривление спирали. Если такие пары встречаются с периодичностью примерно один раз на 10 пар, то молекула ДНК приобретает заметно искривленную форму. Искривленная, или изогнутая, структура была, например, обнаружена в линейных фрагментах ДНК кинетопластов трипаносомы Leishmanial tarentolae по аномально малой подвижности этих фрагментов при электрофорезе в полиакриламидном геле. Изгибы в молекуле ДНК наблюдаются в тех участках последовательности, где с необычно высокой частотой встречаются повторы 5-6, разделенные GC-богатыми участками из четырех-шести нуклеотидов. Биологическая роль искривления ДНК окончательно не установлена. Предрасположенность к такому изгибанию, зависящая от последовательности оснований, может иметь значение при наматывании молекулы ДНК на гистоновые октамеры в хроматине. Возможно, изгибание ДНК существенно и при специфическом связывании ДНК с белками в процессе регуляции экспрессии генов.
ДНК может находиться в линейной или кольцевой форме. Бактериальные плазмиды, хромосомы некоторых бактерий, большинство митохондриальных и хлоропластных ДНК, геномы вирусов млекопитающих представлены единственной ковалентно замкнутой кольцевой дуплексной молекулой ДНК. Хромосома бактериофага X на разных стадиях жизненного цикла существует то как линейная молекула, то как замкнутая кольцевая структура, то как кольцо с разрывами. По-видимому, никакого верхнего предела для размера кольцевой двухцепочечной молекулы ДНК не существует.
ДНК в клетке обычно находится в комплексе с белками. Связанный белок слегка раскручивает спираль ДНК, соответственно и число витков спирали на единицу длины становится меньше, чем у свободной В-ДНК. При удалении белка восстанавливается обычное число правозакрученных витков спирали. В линейной молекуле ДНК это происходит достаточно легко, поскольку обе цепи свободно вращаются одна вокруг другой. В замкнутой же кольцевой молекуле общее число витков спирали топологически фиксировано, и число оборотов одной цепи вокруг другой не может быть изменено без компенсаторного образования витков противоположного знака где-нибудь в другом месте молекулы. Итак, когда естественные кольцевые дуплексы освобождаются от белков, с которыми они часто бывают связаны in vivo, происходит следующее:
1) число правозакрученных витков спирали возрастает до величины, характерной для В-ДНК;
2) в самом дуплексе образуется столько же витков противоположного знака, чтобы компенсировать увеличение скрученности спирали. О таких молекулах говорят, что они обладают отрицательной сверхспиральностью. При внесении одного разрыва в сверхспиральную кольцевую ДНК сверхспиральность снимается и кольцевая структура переходит в релаксированное состояние, при котором топологические ограничения отсутствуют. Любые химические или физические изменения, приводящие к уменьшению числа витков спирали на молекулу, уменьшают или вообще снимают отрицательную сверхспиральность в замкнутой кольцевой ДНК.
Не все ДНК in vivo являются двухцепочечными. Геномы некоторых мелких вирусов бактерий, растений и животных представляют собой ковалентно замкнутые кольца, состоящие только из одной цепи. Все известные одноцепочечные кольцевые ДНК относительно малы: ДНК бактериофагов фХ174 и М13 содержат примерно 5300 и 6000 нуклеотидов соответственно и имеют длину 1,5-2 мкм; длина молекул ДНК парвовирусов животных и некоторых вирусов растений составляет 2/3 и 1/2 указанных величин соответственно. Однако для репликации любой из этих вирусных ДНК совершенно необходимо превращение одноцепочечного кольца в соответствующее двухцепочечное, из которого затем образуются одноцепочечные кольцевые ДНК вирусного потомства. Более того, экспрессия генетической информации в таких геномах всегда осуществляется в фазе двухцепочечной ДНК, поскольку именно она является субстратом для транскрипции последовательности ДНК в РНК.
Читайте также: