24.Вторичная и третичная структура днк. Строение и организация хроматина. Вторичная структура днк

Наиболее распространённой формой вторичной структуры ДНК является двойная спираль. Эта структура образуется из двух взаимно комплементарных антипараллельных полидезоксирибонуклеотидных цепей, закрученных относительно друг друга и общей оси в правую спираль^[5]. При этом азотистые основания обращены внутрь двойной спирали, а сахарофосфатный остов — наружу. Впервые эту структуру описали Джеймс Уотсон и Френсис Крик в 1953 году^[6].

В формировании вторичной структуры ДНК участвуют следующие типы взаимодействий:

• водородные связи между комплементарными основаниями (две между аденином и тимином, три — между гуанином и цитозином);

• стэкинг-взаимодействия(расположения ароматическихмолекул, которое напоминает расположение монет в стопке и поддерживается ароматическими взаимодействиями.);

• электростатические взаимодействия;

• Ван-дер-Ваальсовы взаимодействия(К ван-дер-ваальсовым силам относятся взаимодействия между диполями – короче связи между положительными и отриц. ионами).

В зависимости от внешних условий параметры двойной спирали ДНК могут меняться, причём иногда существенно. Правоспиральные ДНК со случайной нуклеотидной последовательностью можно грубо разделить на два семейства — А и В, главное отличие между которыми — конформациядезоксирибозы. К В-семейству также относятся С- и D-формы ДНК^[7].

Третичная структура Третичная структура (или трехмерная структура-клубок)  — пространственное строение всей молекулы белка или другой макромолекулы, состоящей из единственной цепи

В стабилизации третичной структуры белка принимают участие:

• ковалентные связи (между двумя остатками цистеина — дисульфидные мостики);

• ионные связи между противоположно заряженными боковыми группами аминокислотных остатков;

• водородные связи;

• гидрофильно-гидрофобные взаимодействия. При взаимодействии с окружающими молекулами воды белковая молекула «стремится» свернуться так, чтобы неполярные боковые группы аминокислот оказались изолированы от водного раствора; на поверхности молекулы оказываются полярные гидрофильные боковые группы.

Хроматин Хроматин (греч.chroma — цвет, краска и греч.nitos — нить) — это вещество хромосом — комплекс ДНК, РНК и белков. Хроматин находится внутри ядра клеток эукариот и входит в состав нуклеоида у прокариот. Именно в составе хроматина происходит реализация генетической информации, а также репликация и репарация ДНК.

Основную массу хроматина составляют белки гистоны. Гистоны являются компонентом нуклеосом, — надмолекулярных структур, участвующих в упаковке хромосом. Нуклеосомы располагаются довольно регулярно, так что образующаяся структура напоминает бусы. Нуклеосома состоит из белков четырех типов: H2A, H2B, H3 и H4. В одну нуклеосому входят по два белка каждого типа — всего восемь белков. Нить ДНК с нуклеосомами образует нерегулярную соленоид-подобную структуру толщиной около 30 нанометров, так называемую 30 нм фибриллу. Дальнейшая упаковка этой фибриллы может иметь различную плотность. Если хроматин упакован плотно его называют конденсированным или гетерохроматином, он хорошо видим под микроскопом. ДНК, находящаяся в гетерохроматине не транскрибируется(не синтезируется РНК)- обычно это состояние характерно для незначащих или молчащих участков. В интерфазе гетерохроматин обычно располагается по периферии ядра (пристеночный гетерохроматин). Полная конденсация хромосом происходит перед делением клетки.

Если хроматин упакован неплотно, его называют эу- или интерхроматином. Этот вид хроматина гораздо менее плотный при наблюдении под микроскопом и обычно характеризуется наличием транскрипционной активности. Плотность упаковки хроматина во многом определяется модификациями гистонов — ацетилированием и фосфорилированием

Считается, что в ядре существуют так называемые функциональные домены хроматина (ДНК одного домена содержит приблизительно 30 тысяч пар оснований), то есть каждый участок хромосомы имеет собственную «территорию». Вопрос пространственного распределения хроматина в ядре изучен пока недостаточно. Известно, что теломерные (концевые) и центромерные (отвечающие за связывание сестринских хроматид в митозе) участки хромосом закреплены на белках ядерной ламины.

Ядерная ламина— фибриллярная сеть жесткой структуры, подстилает ядерную мембрану (находится под ядерной мембраной), участвует в организации хроматина. 25.Типы РНК и их функции

В цитоплазме клеток присутствуют три типа РНК: – транспортные

(тРНК), матричные (мРНК) и рибосомальные (рРНК). Они различаются по

первичной структуре, молекулярной массе, конформации, продолжительно-

сти жизни и выполняемым функциям.

Первичная структура РНК – порядок чередования рибонуклеозидмоно

фосфатов в полинуклеотидной цепи. Нуклеотиды в РНК, как и в ДНК связа-

ны 3′,5′-фосфодиэфирными связями. На одном конце полинуклеотидной цепи

находится фосфорилированная ОН-группа 5′- углеродного атома, на другом –

ОН-группа 3′-углеродного атома рибозы. Гидроксильная группа у 2′-

углеродного атома рибозы делает молекулу РНК нестабильной. Для всех ти-

пов РНК характерно наличие специализированных участков. Отдельные уча-

стки РНК за счет водородных связей с комплементарными азотистыми осно-

ваниями образуют петли – «шпильки». Участки цепи РНК спиральных струк-

турах антипараллельны, но не всегда полностью комплементарны. В них

встречаются неспаренные нуклеотидные остатки или даже одноцепочечные

петли, не образующие двойную спираль.

Транспортные РНК

Независимо от различий в последовательности нуклеотидов, простран-

ственная структура любых тРНК описывается универсальной моделью «кле-

верного листа». Последовательность тРНК включают 70-90 нуклеотидов и

около 10% минорных компонентов. Структура «клеверного листа» состоит из

четырех или пяти двуцепочечных спиральных стеблей и трех петель.

Каждый стебель содержит 4-7 пар комплементарных оснований. Разли-

чают акцепторный, антикодоновый, дигидроуридиловый, псевдоуридиловый

и добавочный «стебли». Акцепторный «стебель» содержит 3′- и 5′-концы по-

линуклеотидной цепи. К 3′-концу, оканчивающемуся CCA-ОН, присоединя-

ется специфическая аминокислота, отвечающая последовательности антико-

донового триплета в антикодоновой петле. Число нуклеотидов в «стеблях»

и петлях, кроме вариабельной петли, постоянно (от 4 до 21 нуклеотида). Раз-

ные тРНК содержат инвариантные основания (присутствуют во всех тРНК),

ответственные в «третичных» взаимодействиях за образование Г-образной

структуры

Г-образная структура состоит из двух спиралей расположенных почти

перпендикулярно в А-РНК, длина которой равна около 7 нм, ширина – 2 нм.

Одну спираль образуют «уложенные» друг за другом антикодоновый (А) и

дигидроуридиловый (D) «стебли», другую – акцепторный и псевдоуридило-

вый (Т) «стебли». В состав тРНК входят минорные основания, представлен-

ные метилированными основаниями, изомерами и аналогами пиримидинов.

Минорные основания выполняют две функции: они делают тРНК устойчи-

выми к действию нуклеаз и поддерживают определенную третичную струк-

туру молекулы, т.к. не участвуют в образовании комплементарных пар и

препятствуют спирализации определенных участков тРНК. Антикодон имеет

жесткую архитектуру, которая позволяет ему быстро считывать матричную

РНК.

Матричные РНК

Матричные РНК эукариот и прокариот различаются по строению. Бо-

лее сложную организацию имеют матричные РНК. Этот тип РНК, независи-

мо от уникальности кодирующих последовательностей нуклеотидов, имеет

одинаковое строение 5′- и 3′-концов.

Схема строения матричной РНК эукариот

На 5′ конце присутствует модифицированный нуклеотид 7-

метилгуанозин-5′-трифосфат – кэп (от англ. сар – «шапочка», рис. 11.7). Не-

сколько десятков нуклеотидов (5′-нетранслируемая область) отделяют кэп от

инициирующего кодона, (обычно это – -AUG-), далее идет кодирующий уча-

сток, а за ним следует один из терминирующих кодонов (-UGA-, -UUA-, -

UAG -). За стоп-кодоном идет 3′-нетранслируемая область и далее полиаде-

нилатный «хвост», состоящий из 50-400 оснований. Полагают, что полиаде-

нилатная область молекулы мРНК участвует в процессинге мРНК, предопре-

деляет время жизни мРНК, способствует переносу мРНК из ядра в цитоплаз-

му и принимает участие в трансляции. Предполагают, что вторичная (спира-

лизация сама на себя) и третичная структуры менее компактны, чем тРНК и

рРНК.

Рибосомальные РНК

Они принимают участие в образовании рибонуклеопротеинов, форми-

рующих немембранные комплексы – рибосомы. Клетки прокариот и эукари-

от содержат рибосомы, имеюшие общий план строения. В рибосомы входят

высокомолекулярные рРНК, дающие начало 30S-40S- и 50S-60S-субчастицам

рибосом; рРНК взаимодействуют с мРНК и аминоацил-тРНК в процессе

трансляции. 5S-рРНК выступает в роли посредника между пептидилтрансфе-

разным центром и доменом белкового фактора трансляции, обладающим

GTP-азной активностью.

Рибосомальные РНК содержат несколько модифицированных нуклео-

тидов. Чаще всего это метильные производные азотистых оснований или ри-

бозы. Вторичная структура рРНК характеризуется спирализацией самой на

себя полирибонуклеотидной цепи. Биспиральные и линейные участки этих

молекул формируют постоянные вариабельные домены, которые затем укла-

дываются в более компактные структуры более высокого порядка.

25.Физико-Химические свойства нуклеиновых кислот. Денатурация и ренатурация. Молекулярная гибридизация нуклеиновых кислот. Физико-химические свойства нуклеиновых кислот определяются высокой молекулярной массой и особенностями структурной организации. Для них характерны следующие свойства:

1. Коллойдные и осмотические свойства;

2. Высокая вязкость и плотность растворов;

3. Оптические свойства; Спирализованные (организованные) участки нуклеиновых кислот оптически активны, вращают плоскость поляризованного света, поглощают в ультрофиолете при максимуме 260 нм, но интенсивность поглощения нуклеиновыми кислотами ниже, чем смесью нуклеотидов – гипохромный эффект.

4. Денатурация;

5. Амфотерность.

Коллоидные свойства характерны для всех высокомолекулярных веществ. При растворении их образуются вязкие растворы типа коллоидов, истинные растворы можно получить толь при большом разведении. Гидрофильность нуклеиновых кислот зависит в основном от фосфатов. В растворах нуклеиновые кислоты имеют вид полианиона с резко выраженными кислыми свойствами. При физиологических значениях рН все нуклеиновые кислоты – полианионы и окружены противоанионами из белков и неорганических катионов. Растворимость двуспиральной ДНК хуже, чем односпиральная РНК. Денатурация свойственна макромалекулам, имеющим пространственную организацию. Она может быть вызвана нагреванием, воздействием химических веществ, которые нарушают Ван-дер-Вальсовы взаимодействия, разрывают водородные связи, стабилизирующие вторичную и третичную структуры.

При нагревании происходит разделение двунитевой ДНК на одиночные полинуклеотидные цепи. При медленном охлаждении они снова воссоединяются по принципу комплементарности, образуются нативная двунитевая полинуклеотидная цепь ДНК – этот процесс называется ренатурацией и при быстром охлаждении она не происходит.

Факторы денатурации такие же, как для белков, но к ним можно добавить механическое воздействие. Поскольку молекула ДНК спирализована, то мех. воздействие приводит к разрыву связей, поскольку молекула находится в напряженном состоянии, то она раскручивается. В отношении РНК механическое воздействие имеет меньший эффект.

Ренатурация нуклеиновых кислот при снятии воздействия может осуществляться лишь до вторичной структуры, т.к. структуры высшего порядка образуются при участии ферментов с затратой энергии.

Так же как и у белков, денатурация бывает полной и частичной, обратимой и необратимой.

Необратимой будет при разрушении фосфодиэфирных связей между нуклеотидами.

Гибридизация нуклеиновых кислот.

Все клетки одного организма содержат абсолютно одинаковые молекулы ДНК. Поэтому, если из клеток разных тканей выделить ДНК, денатурировать её и разделить цепи, а потом смешать одноцепочечные молекулы, то одноцепочечные молекулы, выделенные из разных клеток могут полностью комплиментарно спариться- образовать совершенный гибрид ДНК-ДНК.

В том случае, если смешиваются ДНК разных организмов, то степень их комплим. спарив. будет зависеть от степени родстатва организмов или видов-образуются несовершенные гибриды ДНК-ДНК.

Если гибридизуются ДНК и разные виды РНК, выделенные из прокариотных клеток, то гибридизация будет полной, так как у прокариот первичный транскрипт просто разделяется на РНК разных видов. Подобная гибридизация для эукариотных клеток приводит к образованию несовершенных гибридов, т.к. считанная с ДНК гетерогенная ядерная РНК подвергается процессингу и сплойсингу(вырезанию участков, не имеющих кодирующего значения). 27. Репликация РНК как один из видов матричных синтезов. Этапы репликации. Особенности процесса в эукариотических клетках.

Репликация (самоудвоение, биосинтез) ДНК В 1953 г. Уотсон и Крик открыли принцип комплементарности (взаимодополняемости). Так, А=Т, а Г=Ц. Условия, необходимые для репликации: 1. строительный материал - дезоксинуклеозидтрифосфаты (дАТФ, дГТФ, дЦТФ ТТФ); 2. энергия, которая выделяется из вышеперечисленных трифосфатов: дАТФ ®дАМФ + ФФн +Q; 3. ионы Мg2+, играющие стабилизирующую роль; 4 матрица - расплетенная двойная спираль ДНК. Это расплетение называется репликативной вилкой [рис. расплетенной ДНК и образовавщейся репликативной вилки]; 5. репликативный комплекс ферментов: - ДНК-раскручивающие белки; - ДНК-полимераза; - ДНК-лигаза. Основные этапы репликации: 1. образование репликативных вилок при участии ДНК-раскручивающих белков, вызывающих разрыв водородных связей между комплементарными основаниями [рис. репликативной вилки, на одном краю которой сплошная линия, а на другом – фрагментами – это фрагменты Оказаки. Помечены 5’ и 3‘ концы]; 2. синтез новых нитей ДНК при участии ДНК-полимеразы, катализирующей образование фосфодиэфирной связи между новыми нуклеотидами. Присоединение нуклеотидов идет в соответствии с принципом комплементарности. Синтез идет 5’-конца к 3’-концу. На одной цепи синтез происходит непрерывно, а на другой - прерывается с образованием коротких фрагментов. В результате на одной цепи образуются короткие фрагменты - фрагменты Оказаки; 3. соединение коротких фрагментов с помощью ДНК-лигазы с образованием дочерних нитей. В результате репликации на одной материнской нити синтезируются 2 комплементарных дочерних ДНК. Т.е. из одной молекулы ДНК образуются 2 копии ДНК. Репликация протекает в ядре и частично в митохондриях в синтетическую фазу митотического цикла (S фаза). Значение репликации состоит в передаче информации от ДНК матери к дочерней ДНК. Репликация линейных геномов эукариот: особенности

Кольцевые замкнутые геномы характерны для многих бактерий, их плазмид и некоторых вирусов. У большинства других организмов геном представлен линейными молекулами ДНК в составе одной или нескольких хромосом. Существует так называемая проблема отстающей цепи ДНК. Синтез отстающей цепи ДНК происходит в виде коротких фрагментов Оказаки , для инициации синтеза которых требуются РНК- затравки ( рис. I.49 ). После удаления затравки на конце одной из вновь синтезированных молекул ДНК образуется одноцепочечная брешь, которая не может быть заполнена ДНК-полимеразой, поскольку она не функционирует в отсутствие праймера. Вследствие этого в каждом раунде репликации должно было бы происходить укорачивание хромосом с обоих концов, что приводило бы к потере генетической информации, закодированной в концевых фрагментах ДНК.

Кроме того, большие размеры молекул ДНК, заключенных в индивидуальные хромосомы, требуют специальной организации их реплицирующего аппарата.

28.Система репарации и принципы её деятельности. Нерепарируемые мутации и способы их коррекции, существующие в клетке. Репарация — особая функция клеток, заключающаяся в способности исправлять химические повреждения и разрывы в молекулах ДНК, повреждённой при нормальном биосинтезе ДНК в клетке или в результате воздействия физических или химических агентов. Осуществляется специальными ферментными системами клетки.

Источники повреждения ДНК

• УФ излучение

• Радиация

• Химические вещества

• Ошибки репликации ДНК

• Апуринизация — отщепление азотистых оснований от сахарофосфатного остова

• Дезаминирование — отщепление аминогруппы от азотистого основания

Основные типы повреждения ДНК

• Повреждение одиночных нуклеотидов

• Повреждение пары нуклеотидов

• Разрыв цепи ДНК

• Образование поперечных сшивок между основаниями одной цепи или разных цепей ДНК

Устройство системы репарации

Каждая из систем репарации включает следующие компоненты:

• фермент, «узнающий» химически изменённые участки в цепи ДНК и осуществляющий разрыв цепи вблизи от повреждения;

• фермент, удаляющий повреждённый участок;

• фермент (ДНК-полимераза), синтезирующий соответствующий участок цепи ДНК взамен удалённого;

• фермент (ДНК-лигаза), замыкающий последнюю связь в полимерной цепи и тем самым восстанавливающий её непрерывность.