7.1: Структура ДНК

Двонаправлені генні пари – це два гени на протилежних нитках ДНК, але поділяють промотор, який лежить між ними. Оскільки ДНК може бути зроблена лише в одному напрямку, від 5 до 3′, цей двонаправлений промотор, часто острів CpG (див. Наступний розділ), таким чином, посилає РНК-полімеразу для кожного гена в протилежних фізичних напрямках. Це було показано для ряду генів, що беруть участь у ракових захворюваннях (молочної залози, яєчників), і є механізмом координації експресії мереж генних продуктів.

Нитки подвійної спіралі ДНК є антипаралельними. Це означає, що якби ми подивилися на подвійну спіраль ДНК зліва направо, одна нитка була б побудована в напрямку 5′ до 3′, тоді як додаткова нитка побудована в напрямку від 3 ‘до 5’. Це важливо для функції ферментів, які створюють і відновлюють ДНК, про що ми будемо обговорювати найближчим часом. На малюнку \(\PageIndex<1>\) ліва пасмо становить 5 ‘до 3′ зверху вниз, а інша – від 5′ до 3’ знизу вгору. З фізичної точки зору молекули ДНК негативно заряджені (всі ці фосфати), і, як правило, подвійна спіраль з правостороннім поворотом. У цьому нормальному (також званому конформацією «B») стані один повний скручування молекули охоплює 11 пар основ, з 0,34 нм між кожною основою нуклеотидів. Кожна з азотистих підстав плоска, а в парі з комплементарним підставою утворює на «сходах» ДНК рівну «щаблю». Вони перпендикулярні поздовжній осі ДНК. Велика частина вільно плаваючої ДНК в клітині, і більшість ДНК у будь-якому водному розчині майже фізіологічної осмолярності та рН, знаходиться в цій конформації B. Однак були знайдені інші конформації, як правило, за дуже конкретних екологічних обставин. Стиснута конформація, А-ДНК, спостерігалася як артефакт кристалізації in vitro, з трохи більшою кількістю основ на повороті, коротшою довжиною повороту та парами основ, які не перпендикулярні поздовжній осі. Інший, Z-ДНК, здається, тимчасово утворюється в багатих ГК ділянках ДНК, в яких, що цікаво, ДНК закручується в протилежному напрямку. Малюнок \(\PageIndex\) . Три конформації ДНК. B-ДНК найбільш поширена, А-ДНК, ймовірно, є артефактом кристалізації in vitro, а Z-ДНК може формуватися тимчасово в частині хромосоми.

Було висловлено припущення, що і A, і Z форми ДНК насправді є фізіологічно релевантними. Існують дані, які свідчать про те, що форма А може виникати в гібридних подвійних спіралі РНК-ДНК, а також коли ДНК комплексується деякими ферментами. Конформація Z може виникнути у відповідь на метилювання ДНК. Крім того, «нормальна» конформація B-ДНК – це щось на зразок ідеалізованої структури, заснованої на повній гідратації, як, безумовно, дуже ймовірно всередині клітини. Однак цей стан гідратації постійно змінюється, хоча і щонайменше, тому конформація ДНК часто буде дещо відрізнятися від параметрів B-конформації на малюнку \(\PageIndex<2>\) .

У прокаріотів ДНК знаходиться в цитоплазмі (досить очевидно, оскільки іншого вибору у цих простих організмів немає), тоді як у еукаріотів ДНК знаходиться всередині ядра. Незважаючи на відмінності в їх розташуванні, рівні захисту від зовнішніх сил, а найбільше їх розмірів, як прокаріотична, так і еукаріотична ДНК упакована білками, які допомагають організувати і стабілізувати загальну хромосомну структуру. Щодо прокаріотичної хромосомної упаковки розуміється відносно мало, хоча існують структурні подібності між деякими білками, що містяться в прокаріотичних та еукаріотичних хромосомах. Тому більшість вступних курсів клітинної біології дотримуються еукаріотичної хромосомної упаковки. Малюнок \(\PageIndex<3>\) . Упаковка ДНК. (А) Оголена нитка ДНК має діаметр приблизно 2 нм. (B) Гістони, які є октамерними білками, зображеними тут як приблизно циліндричний білок, мають позитивні заряди, розподілені на зовнішній поверхні для взаємодії з негативно зарядженою кісткою ДНК. (C) Навіть організація, що надається зв’язуванням гістонів, може залишити некерований клубок ДНК, особливо з більш тривалими еукаріотичними геномами, і тому гістонозв’язана ДНК упаковується в «30-нм нитку». Це утримується разом, частково, гістоновими взаємодіями. (D) 30-нм волокна петлі в 700-нм волокна, які самі утворюються в типову еукаріотичну хромосому (Е). Гола ДНК, будь то прокаріотична чи еукаріотична, є надзвичайно тонкою ниткою матеріалу діаметром приблизно 11 нм. Однак, враховуючи розмір еукаріотичних геномів, якби ДНК зберігалася таким чином всередині ядра, вона стала б некерованою заплутаною. Уявіть відро, в яке ви кинули сто метрів пряжі без будь-яких спроб організувати його, намотуючи його або пучок. Тепер подумайте, чи зможете ви дістатися до цього відра, потягніть на одну пасмо, і очікуйте підтягнути лише одну пасмо, або якщо замість цього ви, швидше за все, підтягнете хоча б невеликий клубок пряжі. Клітина робить по суті те, що ви зробили б з пряжею, щоб зберегти її організованою: вона акуратно упакована в менші, керовані мотки. Що стосується ДНК, кожна хромосома зациклена навколо комплексу гістонів, щоб сформувати перший порядок хромосомної організації: нуклеосому. Малюнок \(\PageIndex\) . Нуклеосома складається з трохи більше двох витків ДНК навколо ядра гістону, що містить дві копії гістонів H2A, H2B, H3 та H4. H1 гістон не є частиною основної одиниці і функціонує в колірно-даруючою взаємодії між нуклеосомами.

30-нм волокно утримується разом двома наборами взаємодій. По-перше, лінкерний гістон, H1, зводить нуклеосоми разом у приблизну 30-нм структуру. Потім ця структура стабілізується дисульфідними зв’язками, які утворюють між H2A гістоном однієї нуклеосоми і H4 гістоном її сусіда.

Recommended articles

1. Article type Section or Page License CC BY-NC-SA Show Page TOC No on Page
2. Tags
   1. authorname:ewong
   2. histone
   3. purines
   4. pyrimidine
   5. source[translate]-bio-16128

   12.2: Організація ДНК всередині клітини

   ДНК клітини, упакована у вигляді дволанцюгової молекули ДНК, називається її геном. У прокаріотів геном складається з однієї, двоцепочечной молекули ДНК у вигляді петлі або кола (рис. \(\PageIndex\) ). Область в клітці, що містить цей генетичний матеріал, називається нуклеоїдом (пам’ятайте, що прокаріоти не мають окремого мембранозв’язаного ядра). Деякі прокаріоти також мають менші петлі ДНК, які називаються плазмідами, які не є важливими для нормального росту. Бактерії можуть обмінюватися цими плазмідами з іншими бактеріями, іноді отримуючи корисні нові гени, які реципієнт може додати до своєї хромосомної ДНК. Стійкість до антибіотиків – одна з ознак, яка часто поширюється через бактеріальну колонію через плазмідний обмін. Малюнок \(\PageIndex\) : Бактеріальна ДНК і плазміди обидва кругові. Фото кредит Spaully; Вікіпедія. Розмір генома у одного з найбільш добре вивчених прокаріотів, E.coli, становить 4,6 мільйона пар основ (що становило б приблизно 1,1 мм в довжину, якщо б розрізати і розтягнути). Так як же це вписується всередині невеликої бактеріальної клітини? ДНК скручується тим, що відомо як суперколювання. Суперспіральна ДНК згорнута більш щільно, ніж зазвичай може бути виявлена в клітині (більше 10 нуклеотидів на скручування спіралі). Якщо ви візуалізуєте скручування мотузки, поки вона не повернеться назад на себе, у вас є досить хороший візуал суперспіральної ДНК. Цей процес дозволяє ущільнити ДНК в невеликий простір всередині бактерії.

   Організація ДНК у еукаріотів

   Еукаріоти мають набагато більше ДНК, ніж у прокаріотів. Наприклад, бактерії кишкової палички містять приблизно 3 мільйони пар основ ДНК, тоді як людина містить приблизно 3 мільярди. У еукаріотів, таких як людина та інші тварини, геном складається з декількох дволанцюгових лінійних молекул ДНК (рис. \(\PageIndex\) ), які розташовані всередині мембранно-зв’язаного ядра. Кожен вид еукаріот має характерну кількість хромосом в ядрах (множині ядра) його клітин. Нормальна людська гамета (сперматозоїд або яйцеклітина) містить 23 хромосоми. Нормальна клітина людського тіла, або соматична клітина, містить 46 хромосом (один набір з 23 з яйцеклітини і один набір з 23 зі сперматозоїда; рис. \(\PageIndex\) ). Буква n використовується для представлення єдиного набору хромосом; тому гамета (сперматозоїд або яйцеклітина) позначається 1 n, і називається гаплоїдної клітиною. Соматичні клітини (клітини тіла) позначаються 2 n і називаються диплоїдними клітинами. Малюнок \(\PageIndex\) : У жіночій соматичній клітині людини налічується 23 пари гомологічних хромосом. Конденсовані хромосоми розглядаються всередині ядра (зверху), видаляються з клітини в мітозі і поширюються на слайді (праворуч), і штучно розташовані відповідно до довжини (зліва); подібне розташування називається каріотипом. На цьому зображенні хромосоми піддавалися впливу флуоресцентних плям для диференціації різних хромосом. Метод фарбування під назвою «хромосомне фарбування» використовує флуоресцентні барвники, які виділяють хромосоми різними кольорами. (кредит: Національний проект геному людини/NIH) Зібрані пари хромосом в диплоїдному організмі називаються гомологічними («однаковими знаннями») хромосомами. З пари гомологічних хромосом одна вийшла з яйцеклітини, а друга – від сперматозоїда. Гомологічні хромосоми мають однакову довжину і мають специфічні нуклеотидні сегменти, звані генами в точно такому ж місці, або локусом. Гени, функціональні одиниці хромосом, визначають специфічні характеристики шляхом кодування специфічних білків. Риси – це варіації цих характеристик. Наприклад, колір волосся – це характеристика з рисами, які є блондинкою, коричневою або чорною. Кожна копія гомологічної пари хромосом походить від іншого батька; отже, послідовність ДНК, присутня в двох генах на парі гомологічних хромосом, не обов’язково ідентична, незважаючи на те, що ті ж гени присутні в тих же місцях хромосоми. Ці різні версії гена, які містять різні послідовності ДНК, називаються алелями. Якщо подивитися на малюнок \(\PageIndex\) , то можна побачити пару гомологічних хромосом. Хромосома, показана на малюнку, – хромосома 15. Ген HERC2 розташований на цій хромосомі. Цей ген є одним з як мінімум трьох генів, які допомагають визначити колір очей. Кожна людина успадковує дві копії гена HERC2: одну від яйцеклітини і одну від сперми. Однак алелі гена HERC2, які вони успадковують, можуть бути різними. На малюнку клітина, що містить цю гомологічну пару хромосом, містить один синій алель і один коричневий алель. Малюнок \(\PageIndex\) : Гомологічна пара хромосоми 15s, що показує розташування гена HERC2. Два різних алелі цього гена показані синім або коричневим кольором. Варіація особин всередині виду обумовлена специфічною комбінацією генів, успадкованих від обох батьків. Навіть трохи змінена послідовність нуклеотидів всередині гена може призвести до альтернативної ознаки. Наприклад, на хромосомі людини є три можливі послідовності генів (алелі), які кодують за групою крові: послідовність А, послідовність В і послідовність О. Оскільки всі диплоїдні клітини людини мають дві копії хромосоми, яка визначає групу крові, визначається група крові (ознака), за якою дві версії ген-маркер передаються у спадок. Можна мати дві копії одного і того ж алеля на обох гомологічних хромосомах, по одній на кожній (наприклад, AA, BB або OO), або два різних алелі, такі як AB. Незначні варіації ознак, такі як група крові, колір очей та ручність, сприяють природним варіаціям, знайденим у вигляді. Однак якщо порівнювати всю послідовність ДНК з будь-якої пари гомологічних хромосом людини, різниця становить менше одного відсотка. Статеві хромосоми, X і Y, є єдиним винятком з правила однорідності гомологічних хромосом: крім невеликої кількості гомології, яка необхідна для точного вироблення гамет, гени, знайдені на хромосомах X і Y, різні.

   Еукаріотична хромосомна структура та ущільнення

   Якби ДНК з усіх 46 хромосом в ядрі клітини людини була викладена впритул, вона вимірювала б приблизно два метри; однак її діаметр становив би лише 2 нм. Враховуючи, що розмір типової клітини людини становить близько 10 мкм (100 000 клітин, що вишикувалися рівним одному метру), ДНК повинна бути щільно упакована, щоб поміститися в ядрі клітини. У той же час він також повинен бути легкодоступним для експресії генів. Під час деяких етапів клітинного циклу довгі нитки ДНК конденсуються в компактні хромосоми. Еукаріоти, хромосоми яких складаються з лінійної молекули ДНК, використовують складний тип стратегії упаковки, щоб відповідати їх ДНК всередині ядра (рис. \(\PageIndex<4>\) ). На самому базовому рівні ДНК обертається навколо білків, відомих як гістони, утворюють структури, звані нуклеосомами. Гістони – це еволюційно збережені білки, які утворюють октамер з восьми гістонових білків, з’єднаних разом. ДНК, яка негативно заряджена через фосфатних груп, щільно обгорнута навколо ядра гістону, яке має загальний позитивний заряд. Ця нуклеосома пов’язана з наступною за допомогою лінкерної ДНК. Це також відоме як структура «намистини на нитці». Це додатково ущільнюється в 30 нм волокно, яке є діаметром конструкції. На стадії метафази хромосоми найбільш компактні, мають ширину приблизно 700 нм і знаходяться в асоціації з білками каркасів. Малюнок \(\PageIndex<4>\) : Дволанцюгова ДНК обгортається навколо гістонових білків, утворюючи нуклеосоми, які мають вигляд «намистин на нитці». Нуклеосоми згортаються в 30-нм хроматинове волокно. Коли клітина піддається мітозу, дубльовані хромосоми ущільнюються ще далі. ДНК реплікується в S-фазі інтерфази. Після реплікації хромосоми складаються з двох пов’язаних сестринських хроматидів (рис. \(\PageIndex\) ). Це означає, що єдиний час хромосоми виглядають як «X» – це після того, як відбулася реплікація ДНК і хромосоми конденсуються. Протягом більшої частини життя клітини хромосоми складаються тільки з однієї копії і вони не щільно ущільнені в хромосоми. При повному ущільненні пари однаково упакованих хромосом зв’язуються один з одним білками когезину. Зв’язок між сестринськими хроматидами найбільш близький в області, яка називається центромер. З’єднані сестринські хроматиди, діаметром близько 1 мкм, видно під світловим мікроскопом. Центромерна область сильно ущільнена і, таким чином, буде виглядати як звужена область. На \(\PageIndex<4>\) малюнку він показаний як овал, тому що так легше малювати. Малюнок \(\PageIndex\) : Результат реплікації ДНК у еукаріотів. У клітині організму є дві копії кожної хромосоми (по одній від кожного з батьків). Після реплікації дві однакові сестринські хроматиди залишаються з’єднаними у центромере (показано у вигляді овалу).

   Посилання

   Якщо не зазначено інше, зображення на цій сторінці ліцензуються відповідно до CC-BY 4.0 OpenStax. OpenStax, Біологія. OpenStax CNX. Грудня 21, 2017 https://cnx.org/contents/GFy_h8cu@10. and-Sequencing