Δεσοξυριβονουκλεϊκό οξύ - DNA - χρησιμεύει ως φορέας κληρονομικών πληροφοριών που μεταδίδονται από ζωντανούς οργανισμούς στις επόμενες γενιές και ως μήτρα για την κατασκευή πρωτεϊνών και διαφόρων ρυθμιστικών παραγόντων που απαιτούνται από το σώμα στις διαδικασίες ανάπτυξης και ζωής. Σε αυτό το άρθρο, θα επικεντρωθούμε σε ποιες είναι οι πιο κοινές μορφές δομής του DNA. Θα δώσουμε επίσης προσοχή στο πώς χτίζονται αυτές οι μορφές και σε ποια μορφή το DNA βρίσκεται μέσα σε ένα ζωντανό κύτταρο.
Επίπεδα οργάνωσης του μορίου DNA
Υπάρχουν τέσσερα επίπεδα που καθορίζουν τη δομή και τη μορφολογία αυτού του γιγαντιαίου μορίου:
- Το πρωτογενές επίπεδο, ή δομή, είναι η σειρά των νουκλεοτιδίων στην αλυσίδα.
- Η δευτερεύουσα δομή είναι η περίφημη «διπλή έλικα». Είναι αυτή η φράση που έχει καθίσει, αν και στην πραγματικότητα μια τέτοια δομή μοιάζει με βίδα.
- Η τριτοταγής δομή σχηματίζεται λόγω του γεγονότος ότι οι ασθενείς δεσμοί υδρογόνου προκύπτουν μεταξύ μεμονωμένων τμημάτων του δίκλωνου συνεστραμμένου κλώνου του DNA,δίνοντας στο μόριο μια σύνθετη χωρική διαμόρφωση.
- Η τεταρτοταγής δομή είναι ήδη ένα πολύπλοκο σύμπλεγμα DNA με ορισμένες πρωτεΐνες και RNA. Σε αυτή τη διαμόρφωση, το DNA συσκευάζεται σε χρωμοσώματα στον πυρήνα του κυττάρου.
Κύρια Δομή: Συστατικά του DNA
Τα μπλοκ από τα οποία είναι δομημένο το μακρομόριο του δεοξυριβονουκλεϊκού οξέος είναι νουκλεοτίδια, τα οποία είναι ενώσεις, καθεμία από τις οποίες περιλαμβάνει:
- αζωτούχα βάση - αδενίνη, γουανίνη, θυμίνη ή κυτοσίνη. Η αδενίνη και η γουανίνη ανήκουν στην ομάδα των βάσεων πουρίνης, η κυτοσίνη και η θυμίνη ανήκουν στην πυριμιδίνη.
- δεοξυριβόζη μονοσακχαρίτη πέντε άνθρακα;
- Υπόλειμμα ορθοφωσφορικού οξέος.
Στον σχηματισμό μιας πολυνουκλεοτιδικής αλυσίδας, σημαντικό ρόλο παίζει η σειρά των ομάδων που σχηματίζονται από άτομα άνθρακα σε ένα κυκλικό μόριο σακχάρου. Το φωσφορικό υπόλειμμα στο νουκλεοτίδιο συνδέεται με την 5'-ομάδα (διαβάστε "πέντε πρώτοι") της δεοξυριβόζης, δηλαδή με το πέμπτο άτομο άνθρακα. Η επέκταση της αλυσίδας συμβαίνει με την προσάρτηση ενός υπολείμματος φωσφορικού του επόμενου νουκλεοτιδίου στην ελεύθερη 3'-ομάδα της δεοξυριβόζης.
Έτσι, η πρωτογενής δομή του DNA με τη μορφή πολυνουκλεοτιδικής αλυσίδας έχει 3'- και 5'-άκρα. Αυτή η ιδιότητα του μορίου DNA ονομάζεται πολικότητα: η σύνθεση μιας αλυσίδας μπορεί να πάει μόνο προς μία κατεύθυνση.
Σχηματισμός δευτερογενούς δομής
Το επόμενο βήμα στη δομική οργάνωση του DNA βασίζεται στην αρχή της συμπληρωματικότητας των αζωτούχων βάσεων - την ικανότητά τους να συνδέονται σε ζεύγη μεταξύ τουςμέσω δεσμών υδρογόνου. Η συμπληρωματικότητα - αμοιβαία αντιστοιχία - συμβαίνει επειδή η αδενίνη και η θυμίνη σχηματίζουν διπλό δεσμό και η γουανίνη και η κυτοσίνη σχηματίζουν έναν τριπλό δεσμό. Επομένως, όταν σχηματίζεται μια διπλή αλυσίδα, αυτές οι βάσεις στέκονται η μία απέναντι από την άλλη, σχηματίζοντας τα αντίστοιχα ζεύγη.
Οι πολυνουκλεοτιδικές αλληλουχίες βρίσκονται στη δευτερεύουσα δομή αντιπαράλληλη. Έτσι, εάν μία από τις αλυσίδες μοιάζει με 3' - AGGZATAA - 5', τότε το αντίθετο θα μοιάζει με αυτό: 3' - TTATGTST - 5'.
Όταν σχηματίζεται ένα μόριο DNA, η διπλασιασμένη πολυνουκλεοτιδική αλυσίδα συστρέφεται και η συγκέντρωση των αλάτων, ο κορεσμός του νερού και η δομή του ίδιου του μακρομορίου καθορίζουν ποιες μορφές μπορεί να πάρει το DNA σε ένα δεδομένο δομικό βήμα. Πολλές τέτοιες μορφές είναι γνωστές, που συμβολίζονται με λατινικά γράμματα A, B, C, D, E, Z.
Οι διαμορφώσεις C, D και E δεν βρίσκονται στην άγρια ζωή και έχουν παρατηρηθεί μόνο σε εργαστηριακές συνθήκες. Θα εξετάσουμε τις κύριες μορφές του DNA: τα λεγόμενα κανονικά Α και Β, καθώς και τη διαμόρφωση Ζ.
A-DNA είναι ένα ξηρό μόριο
Το σχήμα Α είναι μια δεξιά βίδα με 11 συμπληρωματικά ζεύγη βάσεων σε κάθε στροφή. Η διάμετρός του είναι 2,3 nm και το μήκος μιας στροφής της σπείρας είναι 2,5 nm. Τα επίπεδα που σχηματίζονται από τις ζευγαρωμένες βάσεις έχουν κλίση 20° ως προς τον άξονα του μορίου. Τα γειτονικά νουκλεοτίδια είναι συμπαγή διατεταγμένα σε αλυσίδες - υπάρχει μόνο 0,23 nm μεταξύ τους.
Αυτή η μορφή DNA εμφανίζεται με χαμηλή ενυδάτωση και με αυξημένη ιοντική συγκέντρωση νατρίου και καλίου. Είναι χαρακτηριστικό γιαδιεργασίες κατά τις οποίες το DNA σχηματίζει σύμπλοκο με το RNA, καθώς το τελευταίο δεν είναι σε θέση να λάβει άλλες μορφές. Επιπλέον, η μορφή Α είναι ιδιαίτερα ανθεκτική στην υπεριώδη ακτινοβολία. Σε αυτή τη διαμόρφωση, το δεοξυριβονουκλεϊκό οξύ βρίσκεται σε σπόρια μυκήτων.
Υγρό B-DNA
Με χαμηλή περιεκτικότητα σε άλατα και υψηλό βαθμό ενυδάτωσης, δηλαδή υπό κανονικές φυσιολογικές συνθήκες, το DNA λαμβάνει την κύρια μορφή του Β. Τα φυσικά μόρια υπάρχουν, κατά κανόνα, στη μορφή Β. Είναι αυτή που βρίσκεται κάτω από το κλασικό μοντέλο Watson-Crick και απεικονίζεται συχνότερα σε εικονογραφήσεις.
Αυτή η μορφή (είναι και δεξιόχειρας) χαρακτηρίζεται από λιγότερο συμπαγή τοποθέτηση νουκλεοτιδίων (0,33 nm) και μεγάλο βήμα βίδας (3,3 nm). Μια στροφή περιέχει 10,5 ζεύγη βάσεων, η περιστροφή καθενός από αυτά σε σχέση με την προηγούμενη είναι περίπου 36 °. Τα επίπεδα των ζευγών είναι σχεδόν κάθετα στον άξονα της «διπλής έλικας». Η διάμετρος μιας τέτοιας διπλής αλυσίδας είναι μικρότερη από αυτή της μορφής Α - φτάνει μόνο τα 2 nm.
Μη κανονικό Z-DNA
Σε αντίθεση με το κανονικό DNA, το μόριο τύπου Ζ είναι μια αριστερόστροφη βίδα. Είναι το πιο λεπτό από όλα, με διάμετρο μόλις 1,8 nm. Οι σπείρες του, μήκους 4,5 nm, φαίνονται να είναι επιμήκεις. αυτή η μορφή DNA περιέχει 12 ζεύγη βάσεων ανά στροφή. Η απόσταση μεταξύ γειτονικών νουκλεοτιδίων είναι επίσης αρκετά μεγάλη - 0,38 nm. Έτσι το σχήμα Ζ έχει τη μικρότερη περιστροφή.
Σχηματίζεται από μια διαμόρφωση τύπου Β σε εκείνες τις περιοχές όπου η πουρίνηκαι βάσεις πυριμιδίνης, με αλλαγή στην περιεκτικότητα ιόντων στο διάλυμα. Ο σχηματισμός του Z-DNA σχετίζεται με βιολογική δραστηριότητα και είναι μια πολύ βραχυπρόθεσμη διαδικασία. Αυτή η μορφή είναι ασταθής, γεγονός που δημιουργεί δυσκολίες στη μελέτη των λειτουργιών της. Μέχρι στιγμής, δεν είναι ακριβώς σαφείς.
αντιγραφή DNA και η δομή του
Και οι δύο πρωτογενείς και δευτερογενείς δομές του DNA προκύπτουν κατά τη διάρκεια ενός φαινομένου που ονομάζεται αντιγραφή - ο σχηματισμός δύο πανομοιότυπων "διπλών ελίκων" από το μητρικό μακρομόριο. Κατά τη διάρκεια της αντιγραφής, το αρχικό μόριο ξετυλίγεται και συσσωρεύονται συμπληρωματικές βάσεις στις απελευθερωμένες απλές αλυσίδες. Δεδομένου ότι τα μισά του DNA είναι αντιπαράλληλα, αυτή η διαδικασία προχωρά πάνω τους σε διαφορετικές κατευθύνσεις: σε σχέση με τις μητρικές αλυσίδες από το 3'-άκρο στο 5'-άκρο, δηλαδή, νέες αλυσίδες αναπτύσσονται προς την κατεύθυνση 5' → 3'. Ο οδηγός κλώνος συντίθεται συνεχώς προς τη διχάλα αντιγραφής. στον υστερούντα κλώνο, η σύνθεση πραγματοποιείται από το πιρούνι σε ξεχωριστά τμήματα (θραύσματα Okazaki), τα οποία στη συνέχεια ράβονται μεταξύ τους από ένα ειδικό ένζυμο, τη λιγάση DNA.
Ενώ η σύνθεση συνεχίζεται, τα ήδη σχηματισμένα άκρα των θυγατρικών μορίων υφίστανται ελικοειδή συστροφή. Στη συνέχεια, πριν ολοκληρωθεί η αντιγραφή, τα νεογέννητα μόρια αρχίζουν να σχηματίζουν μια τριτογενή δομή σε μια διαδικασία που ονομάζεται υπερέλιξη.
Super Twisted Molecule
Η υπερτυλιγμένη μορφή του DNA εμφανίζεται όταν ένα δίκλωνο μόριο κάνει μια επιπλέον συστροφή. Μπορεί να είναι δεξιόστροφα (θετικό) ήκατά (στην προκειμένη περίπτωση μιλάμε για αρνητική υπερέλιξη). Το DNA των περισσότερων οργανισμών είναι αρνητικά υπερτυλιγμένο, δηλαδή ενάντια στις κύριες στροφές της «διπλής έλικας».
Ως αποτέλεσμα του σχηματισμού πρόσθετων βρόχων - υπερπηνίων - το DNA αποκτά μια πολύπλοκη χωρική διαμόρφωση. Στα ευκαρυωτικά κύτταρα, αυτή η διαδικασία συμβαίνει με το σχηματισμό συμπλεγμάτων στα οποία το DNA περιελίσσεται αρνητικά γύρω από τα σύμπλοκα πρωτεΐνης ιστόνης και παίρνει τη μορφή νήματος με σφαιρίδια νουκλεοσώματος. Τα ελεύθερα τμήματα του νήματος ονομάζονται συνδετήρες. Οι μη ιστονικές πρωτεΐνες και οι ανόργανες ενώσεις συμμετέχουν επίσης στη διατήρηση του υπερτυλιγμένου σχήματος του μορίου του DNA. Έτσι σχηματίζεται η χρωματίνη - η ουσία των χρωμοσωμάτων.
Οι κλώνοι χρωματίνης με νουκλεοσωμικά σφαιρίδια μπορούν να περιπλέξουν περαιτέρω τη μορφολογία σε μια διαδικασία που ονομάζεται συμπύκνωση χρωματίνης.
Τελική συμπύκνωση του DNA
Στον πυρήνα, το σχήμα του μακρομορίου δεοξυριβονουκλεϊκού οξέος γίνεται εξαιρετικά περίπλοκο, συμπιέζοντας σε πολλά βήματα.
- Πρώτον, το νήμα τυλίγεται σε μια ειδική δομή τύπου σωληνοειδούς - ένα ινίδιο χρωματίνης πάχους 30 nm. Σε αυτό το επίπεδο, το DNA διπλώνει και μειώνει το μήκος του κατά 6-10 φορές.
- Επιπλέον, το ινίδιο σχηματίζει ζιγκ-ζαγκ βρόχους με τη βοήθεια ειδικών πρωτεϊνών ικριώματος, οι οποίες μειώνουν το γραμμικό μέγεθος του DNA ήδη κατά 20-30 φορές.
- Σχηματίζονται πυκνά συσσωρευμένοι τομείς βρόχου στο επόμενο επίπεδο, που συνήθως έχουν ένα σχήμα που συμβατικά ονομάζεται "βούρτσα λαμπτήρα". Προσκολλώνται στην ενδοπυρηνική πρωτεΐνημήτρα. Το πάχος τέτοιων δομών είναι ήδη 700 nm, ενώ το DNA μειώνεται κατά περίπου 200 φορές.
- Το τελευταίο επίπεδο μορφολογικής οργάνωσης είναι το χρωμοσωμικό. Οι τομείς βρόχου συμπιέζονται σε τέτοιο βαθμό ώστε να επιτυγχάνεται συνολική βράχυνση 10.000 φορές. Εάν το μήκος του τεντωμένου μορίου είναι περίπου 5 cm, τότε μετά τη συσσώρευση στα χρωμοσώματα μειώνεται στα 5 μικρά.
Το υψηλότερο επίπεδο επιπλοκής της μορφής του DNA φτάνει στην κατάσταση της μετάφασης της μίτωσης. Τότε είναι που αποκτά μια χαρακτηριστική εμφάνιση - δύο χρωματίδες που συνδέονται με ένα κεντρομερές συστολής, το οποίο εξασφαλίζει την απόκλιση των χρωματίδων στη διαδικασία της διαίρεσης. Το ενδιάμεσο DNA οργανώνεται μέχρι το επίπεδο της περιοχής και κατανέμεται στον κυτταρικό πυρήνα χωρίς ιδιαίτερη σειρά. Έτσι, βλέπουμε ότι η μορφολογία του DNA σχετίζεται στενά με τις διάφορες φάσεις της ύπαρξής του και αντανακλά τα χαρακτηριστικά της λειτουργίας αυτού του πιο σημαντικού μορίου για τη ζωή.
