Biokhimia_T3_Strayer_L_1984 (1123304), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Acad. Sci., 44, 671(1958).]φ Х 1 7 4 . Эта двухцепочечная ДНК называется репликативной формой, так как онаслужит матрицей для синтеза ДНК вирусного потомства. Вирусы, содержащиеодноцепочечную РНК, также реплици-Рис. 24.16.Схема полуконсервативной репликации. Родительская ДНКизображена зеленым, а новосинтезированная - красным.[Meselson M., Stahl F.W., Proc.Nat.
Acad. Sci, 44, 671 (1958).]24. ДНК: генетическая роль,структура и репликация17Рис. 24.17.Электронная микрофотография частиц вируса φХ174. (Печатается с любезного разрешения д-ра Robley Williams.)руются через промежуточную двухцепочечную репликативную форму. Механизмыэтих процессов подробнее рассматриваются в гл. 30. Здесь же важно лишь подчеркнуть, что эти исследования подтвердиливсеобщность схемы репликации Уотсона—Крика.ДвухцепочечнаяДНК(илиРНК) - репликативнаяформавсехизвестных генов.ческих структур, а диаметр 20 А находитсяна уровне атомных размеров.
Бруно Зимм(Bruno Zimm) показал, что самая большаяхромосома у Drosophila melanogaster содержит единую молекулу ДНК, состоящую из6,2•107 пар оснований. Контурная длинаэтой молекулы 2,1 см. Столь асимметричные молекулы ДНК весьма чувствительны к разрыву под действием сил сдвига. Они легко разрываются на фрагменты,масса которых в 1000 раз меньше, чем масса исходной молекулы, если при манипуляциях с ней не принимаются особые мерыпредосторожности.Изображения молекул ДНК многих бактерий и вирусов были непосредственно получены с помощью электронного микроскопа (рис.
24.18). Размеры некоторых таких молекул ДНК приведены в табл. 24.1Следует отметить, что даже самые маленькие молекулы ДНК имеют весьма вытянутую форму. Например, ДНК вирусаполиомы содержит 5100 пар основанийи имеет контурную длину 1,7 мкм (17000А). Напомним, что диаметр молекулы гемоглобина составляет 65 А, а длина коллагена, одного из самых длинных белков,- 3000 А. Это сравнение подчеркиваетогромную длину и выраженную асимметрию молекул ДНК.24.8.
Молекулы ДНК очень длинныеПрежде чем перейти к механизму репликацииДНК,представляющемусобойсложный ферментативный процесс, рассмотрим некоторые свойства ДНК. Поразительная особенность молекул ДНК, встречающихся в природе,- их необычайная длина. Хромосома Е. coli представляет собойединую молекулу двухспиральной ДНК, содержащей 4 млн. пар оснований. Массаэтой молекулы ДНК 2,6•106 кДа. Онаимеет крайне асимметричную форму: ееконтурная длина 14•106 А, а диаметр 20 А.Контурная длина (1,4 мм) этой молекулыДНК соответствует размерам макроскопи18Часть IV.ИнформацияРис.
24.18.Электроннаямикрофотография молекулы ДНК бактериофага λ (форма RFII). (Печатается с любезного разрешенияд-ра Thomas Broker.)Для измерения длин молекул нуклеиновых кислот применяется единицадлины, равная 1000 пар нуклеотидов в случае двухцепочечных молекул нуклеиновых кислот (т.п.н., или kb - от англ. kilobase) или 1000 нуклеотидовв случае одноцепочечных молекул (т.н., или kb). 1 kb двухцепочечной ДНКимеет контурную длину 0,34 мкм и массу примерно 660 кДа.24.9. Двойная спираль может быть обратиморасплавленаДве цепи ДНК-спирали могут легко разойтись, если разрушить водородные связи, соединяющие спаренные основания.Этого можно достичь, либо нагревая раствор ДНК, либо добавляя в раствор кислоту или щелочь для ионизации оснований.Раскручивание двойной спирали называется плавлением, так как происходит мгновенно при строго определенной температуре.
Температура плавления (Тпл) - это татемпература, при которой разрушается половина спиральной структуры. Резкостьэтого перехода показывает, что двойнаяспираль ДНК - структура высококооперативная. Плавление ДНК легко регистрировать, измеряя ее поглощение при 260 нм.Нарушение межплоскостных взаимодействий пар оснований приводит к увеличению поглощения - эффект, называемый гиперхромизмом (рис. 24.19).Температура плавления молекулы ДНКсущественно зависит от ее нуклеотидногосостава. Молекулы ДНК, богатые GС-парами оснований, имеют более высокие значения Тпл, чем молекулы, богатые АТ-парами оснований (рис. 24.20). В общем ТплРис. 24.19.При плавлении двойной спирали, когда она переходит в одноцепочечную форму, поглощение раствора ДНК при 260 нмвозрастает.Таблица 24.1.
Размеры некоторых молекул ДНК(Kornberg A., DNA replication, W. H. Freeman and Co.,1980, p. 20)ОрганизмЧисло пароснований,kbКонтурнаядлина, мкмВирусыПолиома или SV-40Фаг λФаг Т2Вирус коровьей оспы5,148,61661901,7175665БактерииМикоплазмаE.coli76040002601 360135001650002900000460056000990000ЭукариотыДрожжиДрозофилаЧеловекРис. 24.20. Кривые плавления различныхДНК. На графике отложено относительное поглощение при260 нм в зависимости от температуры (поглощение при 25°Спринято за 1). Тпл равна 69°Сдля ДНК Е. coli (50% GС-пар)и 76°С для ДНК. P.
aeruginosa(68% GС-пар).24. ДНК: генетическая роль,структура и репликация1924.10. Некоторые молекулы ДНК имеюткольцевую формуРис. 24.21.Электронная микрофотография молекулы ДНК, частичнорасплетенной под действием щелочи. Одноцепочечныеучастки имеют вид петель, которые окрашены менее интенсивно, чем двухцепочечныеучастки.
Эти расплетенныеучастки ДНК богаты АТ-парами оснований. Один из них помечен стрелкой. [Inman R. В.,Schnos M., J. Mol. Biol., 49, 93(1970).]ДНК многих видов повышается линейноот 77 до 100°С с увеличением содержанияGС-пар от 20 до 78%. GC-пары стабильнееАТ-пар, так как в них основания удерживаются вместе тремя водородными связями, а не двумя. Следовательно, АТ-богатыеобласти ДНК должны плавиться первыми(рис.
24.21). Как мы увидим ниже, in vivoдвойная спираль расплетается под действием специальных белков. Некоторые изних вызывают раскручивание ДНК, гидролизуя АТР (разд. 24.21).Разделенные комплементарные цепиДНК спонтанно реассоциируют с образованием двойной спирали, если температурастановится ниже Тпл. Этот процесс ренатурации иногда называют отжигом. Скорость реассоциации зависит от концентрации комплементарных последовательностей (разд.
29.10). Легкость, с которойплавятся и реассоциируют двойные спирали, имеет критическое значение для выполнения ДНК ее биологических функций.20Часть IV.ИнформацияМетодом электронной микроскопии былопоказано, что интактные молекулы ДНКиз многих источников замкнуты в кольцо(рис. 24.18). Открытие того факта, что Е.coli имеет кольцевую хромосому, не былонеожиданностью. Оно было предсказанона основе генетических исследований, показавших, что карта генетического сцепленияэтой бактерии является кольцевой.
Термин«кольцевая» означает лишь, что цепь ДНКнепрерывна, и отнюдь не относится к еегеометрической форме. In vivo молекулыДНК всегда имеют весьма компактнуюформу. В связи с этим следует отметить,что хромосома Е. coli примерно в 1000 раздлиннее, чем клетка бактерии.Не все молекулы ДНК имеют кольцевую форму. Например, ДНК бактериофагаТ7 является линейной.
Молекулы ДНК некоторых вирусов, таких, как бактериофаг λ,претерпевают взаимопревращения линейнойи кольцевой форм. В вирусной частице присутствует линейная форма, а в клетке-хозяине - кольцевая (разд. 30.16).24.11. Кольцевые двухспиральныемолекулы ДНК могут находитьсяв суперспирализованномсостоянииПри превращении линейной двухцепочечной ДНК в замкнутую кольцевую молекулу она приобретает новое свойство. Джером Виноград (Jerome Vinograd) установил,что ось двойной спирали ДНК может самабыть закручена в суперспираль.
Эта суперспираль может быть закручена в правуюили в левую сторону (рис. 24.22). Термины«суперспирализованная»,«сверхскручен-Рис. 24.22.Схематическоеизображениерелаксированной (А) и суперспирализованной (Б) ДНК.ная», «суперспиральная», «суперскрученная»и«сверхспиральная» - синонимы.Кольцевую ДНК, совершенно лишеннуюсуперспиральных витков, называют релаксированной.
Для того чтобы превратить релаксированную ДНК в суперспирализованную, необходимо затратить определеннуюэнергию. Например, энергия, затрачиваемая на образование 15 суперспиральныхвитков в одной молекуле ДНК вирусаSV-40 (ее контурная длина 1,7 мкм), составляет около 100 ккал/моль. Энергия напряжения суперспирализованной ДНК (энергия суперспирализации) примерно пропорциональнаквадратучисласуперспиральных витков.Суперспирализация, по-видимому, выполняет две биологические функции.
Вопервых, суперспирализованная ДНК имеетболее компактную форму, чем релаксированная ДНК такой же длины (рис. 24.23).Суперспирализация может играть определенную роль в упаковке ДНК. Во-вторых,Суперспирализация может влиять на степень расплетания двойной спирали и, следовательно, на ее взаимодействия с другими молекулами. Точнее, отрицательнаясуперспирализация может приводить к раскручиванию двойной спирали. Интересно отметить, что почти все кольцевые молекулыДНК, встречающиеся в природе, отрицательно суперспирализованы.Важная характеристика замкнутой кольцевой ДНК - ее порядок зацепления L (отангл. linking).
Число L указывает, сколькораз одна цепь пересекает другую цепь, еслиих спроецировать на плоскость. ЧислоL должно быть целым. Кручение Т (отангл. twisting) и величина суперспирализации W (от англ. writhe) связаны между собой уравнениемL = W + Т,т.е. находятся в обратной зависимости.Порядок зацепления - топологическая характеристика; она может изменяться, лишькогда в одну или в обе цепи кольцевойДНК вносятся разрывы. Действительно,были выделены ферменты, которые каталитически изменяют величину L. Каталитическую активность таких топоизомеразлегко выявить с помощью гель-электрофореза, так как суперспирализованная ДНКболее компактна и поэтому имеет большую подвижность, чем релаксированнаяДНК (рис. 24.24).Рис. 24.23.Электронные микрофотографии митохондриальной ДНК:А - релаксированная кольцеваяформа; Б - суперспирализованная кольцевая форма.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
