Хабрахабр

ДНК. Механизмы хранения и обработки информации. Часть I

Много людей использует термин ДНК. Но статей, нормально описывающих, как она работает почти нет (понятных не биологам). Я уже описывал в общих чертах устройство клетки и самые основы ее энергетических процессов. Теперь перейдем к ДНК.
ДНК хранит информацию. Это знают все. Но вот как она это делает?

Примерно 98% хранится в ядре. Начнем с того, где она в клетке хранится. ДНК — это огромный полимер, состоящий из мономерных звеньев. Остальное в митохондриях и хлоропластах (в этих ребятах протекает фотосинтез). Выглядит примерно так.

Во-первых ДНК — двухцепочечная молекула. Что мы тут видим? Далее мы видим синие пятиугольники. Почему это так важно — чуть позже. От рибозы отличается отсутствием одной OH группы, что придает стабильности молекуле ДНК, в отличие от РНК, в которой используется рибоза. Это молекулы дезоксирибозы (такой сахар, чуть меньше глюкозы. Маленькие кружкИ — остатки фосфорной кислоты. Дальше, для простоты опущу приставку дезокси и буду просто говорить рибоза, да простят нас щепетильные товарищи). Всего их 5, но в ДНК в основном встречаются 4. Ну и собственно есть азотистые основания. То есть, есть рибоза с которой связано азотистое основание. Это Аденин, Гуанин, Тимин и Цитозин. Таким образом мы получаем длинную цепь, состоящую из мономеров. Вместе они образуют так называемые нуклеозиды, которые связываются друг с другом с помощью остатков фосфорной кислоты. Видите C и G соединены тремя пунктирными линиями, а T и A двумя. Теперь посмотрите на увеличенную левую цепь. Да, ДНК состоит из двух цепей, но что удерживает их вместе? Что это значит? Выглядит примерно так. Есть такая штука, как водородная связь. Это приводит к формированию слабых связей.
На атомы кислорода (O) и азота (N) формируется частичный отрицательный заряд, а на водороде (H) — положительный.

Их энергия может быть в 200 раз ниже энергии ковалентных связей (образуются за счет перекрытия пары электронных облаков, например связь в молекуле CO2). Связи действительно очень слабые. В каждой нашей клетке ДНК цепи связаны почти 16 миллиардами слабых связей, не мало, согласны? Однако таких связей много.

Цитозин и Гуанин связаны тремя связями, а Аденин и Тимин — двумя. Но вернемся к числу связей между основаниями. Некоторым организмам нужна особая стабильность связей ДНК, например живущим при высоких температурах. Это приводит к тому, что Г и Ц связанны куда прочнее, чем А и Т. Так что хочешь жить в гейзере — имей много ГЦ пар. При нагревании ДНК содержащая больше ГЦ пар более стабильна. Стоит сказать, что варьирует он сильно. Хотя последние исследования говорят, что явной связи между GC составом (% ГЦ пар от всех пар) и температурой обитания нет. Так у Candidatus Carsonella ruddii PV (внутриклеточный эндосимбионт) он примерно 16%, у нас с вами почти 41%, а у Anaeromyxobacter K (бактерия вполне себе средних размеров) достигает 75%.

Mb — миллион пар нуклеотидов. Тут вы можете видеть связь GC состава с размером генома бактерий. Его, кстати, часто юзают как фичу при обучении различного рода классификаторов. Показатель довольно вариативный. Сам недавно писал классификатор для распознания патогенов на основе сырых данных секвенирования и оказалось, что GC состав даже по одному риду вполне себе можно использовать.

Почему важно, что ДНК двухцепочечная? Пока не забыл. Если в одной цепи поврежден кусок напротив последовательности Аденин-Аденин-Цитозин, то мы точно знаем, что до повреждения там был Тимин-Тимин-Гуанин. На основе одной цепи можно восстановить другую. Таким образом наличие второй цепи позволяет надежней хранить информацию.

Теперь вернемся к самой молекуле ДНК. Круто! Однако насколько длинная? Это цепочка из 4х типов звеньев. У нас с вами 3. У Candidatus Carsonella ruddii PV уже упомянутого выше всего 160 000 нуклеотидов. У большинства наших клеток их два). 2 миллиарда (в гаплоидной клетке, то есть с одним набором хромосом. На самом деле нет. Кажется много, да? Кажется что это бесконечно длинная цепочка, поэтому давайте переведем размер в любимые нам метры. У одноклеточной амебы (Amoeba dubia) он примерно 670 миллиардов пар нуклеотидов. ДНК одной амебы хватит, чтоб опоясать футбольный стадион. Если все наши хромосомы (их 46, не забываем; 23 по две копии на каждую) развернуть и вытянуть в одну линию, получится примерно 2х метровая цепочка. Ядро, в котором ДНК хранится не очень большое. Но к чему я веду? Не очень то много, если хочешь свернуть 2х метровую нить, пусть и очень тонкую. У нас оно в среднем диаметром в 6 мкм. Нужно свернуть таким образом, чтобы в любой момент можно было обеспечить доступ к любому ее участку. Причем нужно не просто запихать нить в ядро. И с ней успешно справляются специализированные белки. Задача сложная. Давайте поговорим о том, как она упаковывается. Они создают ряд спиралей и петель, которые обеспечивают все более и более высокие уровни упаковки и не до допускают спутывания ДНК в гордиев узел.

Но если откинуть экзотику, то остается два способа. Сразу скажу, упаковывается она очень по разному. Первый характерен для бактерий, второй для эукариот (или иначе ядерных).

Упаковка ДНК у бактерий

Начнем с братьев наших меньших. Бактерии сами по себе обладают не очень большим геномом, в среднем от 1 до 5 миллионов пар нуклеотидов. Наиболее характерное их отличия от нас в том, что у них нет ядра и ДНК плавает в клетке. Не совсем плавает, оно частично прикреплено к клеточной мембране и тоже свернуто, но не так сильно как у нас.

Бактериальная ДНК чаще всего кольцевая. Второе. Обычно такое кольцо одно, но у некоторых бактерий их может быть 2 или 3. Так ее проще копировать (нет концов, которые могут потеряться при копировании и не нужно придумывать механизмы сохранения концов). Есть еще кольца поменьше (от пары тысяч до пары сотен тысяч остатков).Имя им плазмиды, и это вообще отдельная история.

ДНК упаковывают белки-гистоны (есть еще гистоноподобные белки). Вернемся к упаковке ДНК. Кислота. ДНК это дезоксирибонуклеиновая кислота. Поэтому белки, связывающие ее положительно заряжены. Это значит что она отрицательно заряжена (за счет остатков фосфорной кислоты). ДНК бактерий вместе с белками ее упаковывающими формируют нуклеоид, при этом на долю ДНК приходится 80% от его массы. Таким образом они могут связываются с ДНК. То есть кольцевая ДНК делится на домены по 40 тысяч пар нуклеотидов. Выглядит это примерно так. Внутри доменов тоже происходит скручивания, но его степень в разных доменах отличается. Затем происходит скручивание. В среднем степень упаковки бактериальной ДНК варьирует от сотни до тысячи раз.

Есть еще прикольное видео.

Упаковка ДНК у эукариот

Тут все куда интересней. Наше ДНК хорошо упакована и спрятана внутри ядра. И она куда эффективней упакована, нежели у бактерий. Во время митоза (деление клетки) размер 22й хромосомы составляет 2 мкм. Если ее распутать и вытянуть, она будет уже 1,5 см. Что соответствует степени упаковки в 10 000 раз. Это около максимальная степень упаковки нашей ДНК. Во время деления нужно максимально упаковать ДНК, что бы эффективно разделить ее между дочерними клетками. В обыденной жизни степень компактизации составляет примерно 500 раз. Со слишком упакованной ДНК сложно считывать информацию.

Есть несколько уровней упаковки ДНК эукариот

Первый — нуклеосомный уровень. 8 белков-гистонов формируют частицу на которую наматывается ДНК. Затем еще один белок ее фиксирует. Выглядит примерно так.


Плотность упаковки благодаря этому возрастает в 7-10 раз. Получаются своего рода бусы. Немного похоже на солениод. Далее нуклеосомы упаковываются в фибрилы. Тут суммарная степень упаковки может достигать 60 раз.

Фибрила разбита на участки по 10 — 80 тысяч пар азотистых оснований. Следующий этап компактизации ДНК связан с образованием петлеобразных структур, которые называются хромомерами. ДНК — связывающие белки узнают глобулы негистоновых белков и сближают их. В местах разбивки находятся глобулы негистоновых белков. Средняя длина петли включает примерно 50 тысяч оснований. Образуется устье петли. И именно в ней наше ДНК находится большую часть времени. Эту структуру называют интерфазной хромонемой. Уровень упаковки здесь достигает 500-1500 раз.

Идет образование более крупных петель из хромомерной фибриллы. При необходимости клетка может еще больше компактизировать генетический материал. Которые в конечном счете формируют хромосому. Эти петли в свою очередь образуют новые петли (петли в петли… и это не вязание).

В целом процесс упаковки можно описать примерно так.

Их мы и зовем хромосомами. В итоге из нитей ДНК мы получаем, при делении, суперскрученные структуры, которые можно увидеть под микроскопом.

И степень его упаковки отличается в зависимости от участка хромосомы. Собственно вещество хромосом зовется хроматином. Эухроматин это довольно расплетенная область хроматина, в ней ДНК находится на хромомерном уровне (упаковка в 500 — 1000 раз). Есть эухроматин и гетерохроматин. Например, если сейчас клетка активно синтезирует белок А, то область ДНК, его кодирующая будет в состоянии эухроматина, что бы ферменты, «читающие» ДНК могли до нее добраться. Здесь происходит активное считывание информации. То есть ДНК максимально плотно упакована, дабы не путаться под ногами. Гетерохроматин же содержит ту часть ДНК, которая клетке не особо нужна сейчас. Таким образом еще и осуществляется регуляция (очень грубое приближение), ведь к скрученной области не добраться, и значит ее не прочитать. В зависимости от потребностей клетки одни области хроматина могут частично расплетаться, в то время как другие — сплетаться.

Мы обсудили как хранится носитель информации. Собственно пока это все. Сделаем небольшую паузу и через пару дней поговорим о самом кодировании информации.

Теги
Показать больше

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть