4.4. Разнообразие форм организации днк в клетках.

Молекула ДНК может быть двунитевой или однонитевой (у вирусов); линейной или в виде замкнутого кольца. Кольцевые формы характерны для маленьких молекул ДНК почти всех бактериальных хромосом, вирусов, митохондрий и пластид эукариотических клеток.

У эукариот различают ядерную и внеядер- ную ДНК. Ядерная ДНК составляет основную мас- су ДНК у эукариот; заключена в ядре клетки в составе хромосом. Длина одной молекулы ДНК у человека составляет 2-6 см; Общая длина ДНК в 46 хромосомах человека равна 190 см; в каждой хромо- соме она представляет собой единую гигантскую молекулу и имеет линейную форму (рис.97).

Рис. 97. Линейная форма молекулы ДНК (Из: Северин, 2007)

Внехромосомная (внеядерная) ДНК соста- ляет небольшую часть ДНК клетки. К ней относятся: ДНК митохондрий, хлоропластов, плазмиды, виру- соподобные частицы. На долю ДНК митохонд- рии, например, приходится менее 1% всей клеточной ДНК.

Кольцевая ДНК митохондрии (мтДНК) (рис.98) не велика по размеру: содержит 15000 нуклеотидных пар (что в 10⁵ раз меньше ядерной ДНК); кодирует 10-20 митохондриальных белков (5% от всех белов митохондрии), 2 вида рРНК и 22 вида тРНК. Гене- тический код митохондрии ДНК имеет некоторые отличия от кода ядер- ной ДНК:

1 - код некоторых аминокислот отличается от кода ядерной ДНК;

2 - митохондриальный генетический код имеет измененные стоп-кодоны.

3 - перед делением митохондрии мтДНК удваивается, но её репликация не связана с S-периодом интерфазы.

4 - собственная ДНК, способная к репликации и транскрипции, собственные рибосомы обеспечивают митохондриям наличие автономного генома.

Подобный геном характерен и для хлоропластов, что подтверждает гипотезу симбиотического происхождения этих двух органоидов, согласно которой митохондрии и хлоропласты - потомки древних прокариот, которые образовали симбиоз с эукариотической клеткой.

Рис. 98. Кольцевая ДНК митохондрий

Плазмиды - это кольцевые фрагменты внехромосомной ДНК, способные существовать и размножатся отдельно от геномной (ядерной ) ДНК. Иногда плазмиды проникают в ядро и начинают реплицироваться в составе хромосомы ДНК. В этом случае их называют эписомы.

Совокупность генов, расположенных в цитоплазматических молекулах ДНК (ДНК митохондрий , пластид, плазмиды, эписомы) называется плазмоном. Он определяет цитоплазматическую наследственность. Эти гены подчиняются менделеевским законам наследования. Новый организм в процессе оплодотворения получает цитоплазму яйцеклетки и,следовательно, весь плазмон.Таким образом, цитоплазматическое наследование признаков осуществляется по материнской линии. Такой тип наследования был открыт в 1908 году К. Корренсом и получил название – материнский эффект.

ДНК бактерии входит в состав нуклеоида - эквивалента ядра у бактерий и имеет вид двунитевой молекулы замкнутой в кольцо и плотно уложенной в клубок. Обычно в клетке бактерии одна хромосома (хромосома бактерии не имеет нуклеосомной организации) содержит в среднем 3.2*10⁶ нуклеотидных пар (н.п.) и имеет молекулярную массу 2,5*10⁶ кДа. Бактериальная хромосома имеет гаплоидный набор генов. Иногда при нарушении делении клетки у бактерии может быть 4 и более хромосом (рис.99).

Рис. 99. Кольцевая хромосома E. сoli ( Из: Алиханян и др.,1989)

Плазмиды бактерий - это двуцепочные кольцевые молекулы ДНК размером от 10³ до 10⁶ н.п. Они содержат информацию, обеспечивающую устойчивость бактерии к антибиотикам, продукцию факторов патогенности, способность к синтезу антибиотических средств, образование ферментов рестрикции и модификации. Иногда некоторые плазмиды встраиваются в бактериальную хромосому и реплицируются вместе с ней. Такие плазмиды называются эписомами. Крупные плазмиды обладают способностью передаваться из клетки в клетку; их называют трансмиссивными(конъюгативными). В случае если плазмида мелкая ,то она передается вместе с крупной и называется мобилизуемой. Плазмиды, обеспечивающие устойчивость к антибиотикам, называются R-плазмиды (resistanse-противоядие), а клетки, содержащие их резистент - ными. Некоторые плазмиды содержат гены, белки которых бактерицидны по отношению к другим бактериям (Col-плазмида), другие детермини- руют синтез факторов патогенности у болезнетворных бактерии (например; Ent –плазмида и Нly-плазмида).

У вирусов генетический материал представлен ДНК (ДНК-вирусы) или РНК (РНК-вирусы). ДНК вирусов могут быть двунитевыми (двунитевые ДНК-вирусы) или однонитевыми (однонитевые ДНК-вирусы). К двунитевым ДНК-вирусам относятся герпесвирусы, аденовирусы с линейной двунитевой ДНК и папилломавирусы, вирус гепатита В с кольцевой двунитевой ДНК. К однонитевым ДНК-вирусам относятся парвовирусы с линейной молекулы ДНК цирциновирусы – с кольцевой ДНК (рис.100).

Рис. 100. Морфология вирусов (Из: Воробьев, 2003)

Линейные и кольцевые формы двунитевой молекулы ДНК у вирусов могут переходить друг в друга. Линейная форма может иметь комплементарные одноцепочные концы («липкие концы»), которые замыкаются, образуя замкнутое кольцо (рис.101).

Рис. 101. Взаимопревращения линейной и кольцевой форм ДНК фага λ

Анализ последовательности у ядерной и внеядерной ДНК показал, что многие её участки содержат так называемые палиндромы, то есть, последовательности нуклеотидов, которые одинаково читаются в обеих направлениях, симметрично относительно оси симметрии в середине палиндрома.

3′- Г-Т-А-Т-Ц-Ц-|-Г-Г-А-Т-А-Ц - 5′

5′- Ц-А-Т-А-Г-Г-|-Ц-Ц-Т-А-Т-Г - 3′

Палиндромы или инвертированные повторы образуют ответвления: кресты или шпильки и играют роль регуляторных участков. Например, выполняют роль терминаторов в процессах синтеза или явля - ются узнаваемыми участками для ДНК-связывающихся белков.

Молекула ДНК как материальный носитель наследственности должна быть очень стабильной, устойчивой к внешним воздействиям, обладать способностью к устранению, возникающих в ней изменений. Для передачи наследственной информации она должна обладать способностью к точному самокопированию. Этим условиям отвечает уотсон-криковская модель ДНК, обеспечивающая два главных её свойства: самовоспроизведение и самосохранение, которые реализуются в процессе репликации и репарации ДНК.

Модель Уотсона-Крика простым и удачным образом решает основные проблемы: объясняет физико-химическую природу ДНК, её роль носителя наследственной информации и генетические свойства: способность кодировать информацию, реплицировать гены, мутировать.

ДНК, являясь материальным носителем генетической информации, реализует её в процессе синтеза белков. Белки, как известно, обеспечивают клетку необходимыми «инструкциями» для развития признаков и функционирования клетки. Биосинтез белков является центральным процессом живой материи, требует четкую программу и механизм точного воспроизведения этой программы в поколениях. Эту программу несёт молекула ДНК, а механизм воспроизведения обеспечивают рибонуклеиновые кислоты (РНК).

Нуклеиновые кислоты в клетке обеспечивают существования потока информации, направление которого определено центральной догмой молекулярной биологии, сформулированной Ф.Криком, суть которой заключается в том, что информация передается только в направлении от ДНК к РНК и от РНК к белку. В этом потоке рибонуклеиновые кислоты выполняют несколько функций.