Биохимия человека Том 2 - Марри Р. 1993
Структура, функция и репликация информационных макромолекул
Технология рекомбинантных ДНК
Основные свойства ДНК
Структура ДНК
ДНК представляет собой биополимер сложной структуры, организованный в двойную спираль. Ее основными элементами являются пуриновые (аденин и гуанин) и пиримидиновые (тимин и цитозин) основания. Эти основания присоединены к атому С-1' углевода (дезоксирибозы). Сами углеводные остатки соединены между собой по 3'- и 5'- положениям фосфодиэфирными связями (рис. 37.1). Чередующиеся остатки дезоксирибозы и фосфатные группы образуют остов двойной спирали (рис. 37.2). Направление связей 3'→5' определяет ориентацию данной цепи, и, поскольку ориентации двух комплементарных цепей противоположны, их называют антипараллельными.
Принцип комплементарных взаимодействий пар оснований (принцип спаривания оснований) лежит в основе построения и функционирования молекул ДНК. Аденин всегда образует пару с тимином, а гуанин с цитозином. Эти пары оснований называются комплементарными. Содержание остатков гуанина в любом фрагменте ДНК всегда в точности соответствует содержанию цитозина. Так же равны друг другу количества аденина и тимина. Две цепи ДНК удерживаются друг возле друга за счет комплементарных взаимодействий пар оснований и гидрофобных «стэкинг»-взаимодействий. Эти взаимодействия могут быть нарушены при нагревании, приводящем к денатурации (плавлению) ДНК. Законы образования пар предсказывают, что при ренатурации две комплементарные цепи ДНК должны вновь соединиться с образованием исходной структуры. Это и происходит в действительности при медленном остывании (отжиге) раствора ДНК, подвергнутой тепловой денатурации.
По температуре денатурации — ренатурации можно оценить степень комплементарности нуклеиновых оснований в цепях ДНК. Для денатурации сегментов ДНК, характеризующихся высоким уровнем комплементарности. требуются соответственно большие затраты энергии. Расхождение цепей таких фрагментов ДНК происходит соответственно при более высокой температуре. Это физическое явление используется на практике для определения степени сродства (гомологии) различных нуклеиновых кислот и лежит в основе метода гибридизации (одного из главных в генной инженерии).
Гаплоидный набор человека состоит примерно из 3109 пар нуклеотидов (п.н.). Если размер гена в среднем равен 3000 п. н., то, допустив, что гены не перекрываются, а транскрипция идет лишь в одном направлении, можно вычислить, что геном человека включает до 106 различных генов. Считается, что их в геноме человека не более 105 и лишь 10% геномной ДНК непосредственно кодируют белки. О функциональном значении остальных 90% известно крайне мало.
Двойная спираль упакована в компактную структуру, образованную за счет взаимодействий с целым рядом белков (главным образом основного характера), называемых гистонами. Такая компактизация может выполнять регуляторные функции и имеет также определенный «практический смысл». Дело в том, что ДНК ядра клетки при полном расплетании достигает длины 1 м. Хромосомные белки упаковывают гигантскую молекулу в ядро объемом всего лишь в несколько кубических микрон.
Организация гена
Как правило, прокариотические гены состоят из небольшого регуляторного участка (100—500 п.н.) и большого кодирующего белок сегмента (500—10000 п. н.). Часто несколько генов контролируются одним и тем же регуляторным элементом. Большинство генов млекопитающих имеют более сложную структуру. Кодирующие области эукариотических генов прерываются и чередуются с некодирующими участками. Эти участки, будучи транскрибированными, удаляются в процессе созревания первичного транскрипта. Кодирующие области (остающиеся в зрелой мРНК) называются экзонами. Нуклеотидные последовательности ДНК, находящиеся между экзонами, называются интронами (рис. 36.1). Нитроны удаляются из первичного транскрипта до того, как происходит перенос РНК в цитоплазму. Процесс удаления интронов и сшивания (лигирования) значащих участков получил название «сплайсинг РНК». Неправильный сплайсинг может стать причиной болезни человека (см. ниже), что указывает на важность этой посттранскрипционной стадии. Регуляторные области эукариотических генов обычно располагаются с 5'-конца от точки инициации траскрипции (5'-фланкирующая последовательность ДНК). Иногда регуляторные последовательности находятся внутри самого гена или даже в 3'-фланкирующей области. В клетках млекопитающих каждый ген обладает собственным регуляторным элементом. Многие гены эукариот (а также некоторых вирусов, реплицирующихся в клетках млекопитающих) содержат специальные участки ДНК, называемые «энхансерами», которые повышают уровень транскрипции. Некоторые гены содержат также «сайленсеры» — участки, ослабляющие транскрипцию. Гены млекопитающих — это сложные, многокомпонентные структуры.
Транскрипция генов
Основное направление передачи генетической информации реализуется в цепочке ДНК→ мРНК→ белок (рис. 36.1, см. также гл. 41). Процесс этот жестко контролируется и состоит из ряда сложных этапов, каждый из которых регулируется одним или несколькими ферментами или факторами. Ошибка на любом этапе может приводить к заболеванию.