დეოქსირიბონუკლეინის მჟავა - დნმ - ემსახურება როგორც ცოცხალი ორგანიზმების მიერ მომდევნო თაობებისთვის გადაცემული მემკვიდრეობითი ინფორმაციის მატარებელს და მატრიცას ცილების და სხვადასხვა მარეგულირებელი ფაქტორების ფორმირებისთვის, რომლებიც ორგანიზმს სჭირდება ზრდისა და სიცოცხლის პროცესში. ამ სტატიაში ჩვენ ყურადღებას გავამახვილებთ დნმ-ის სტრუქტურის ყველაზე გავრცელებულ ფორმებზე. ჩვენ ასევე ყურადღებას გავამახვილებთ იმაზე, თუ როგორ არის აგებული ეს ფორმები და რა ფორმით ცხოვრობს დნმ ცოცხალი უჯრედის შიგნით.
დნმ-ის მოლეკულის ორგანიზების დონეები
არსებობს ოთხი დონე, რომელიც განსაზღვრავს ამ გიგანტური მოლეკულის სტრუქტურასა და მორფოლოგიას:
- პირველადი დონე, ანუ სტრუქტურა, არის ნუკლეოტიდების რიგი ჯაჭვში.
- მეორადი სტრუქტურა არის ცნობილი "ორმაგი სპირალი". სწორედ ეს ფრაზა დამკვიდრდა, თუმცა სინამდვილეში ასეთი სტრუქტურა ხრახნს წააგავს.
- მესამეული სტრუქტურა იქმნება იმის გამო, რომ სუსტი წყალბადის ბმები წარმოიქმნება დნმ-ის ორჯაჭვიანი გრეხილი ჯაჭვის ცალკეულ მონაკვეთებს შორის,აძლევს მოლეკულას რთულ სივრცულ კონფორმაციას.
- მეოთხეული სტრუქტურა უკვე არის დნმ-ის რთული კომპლექსი ზოგიერთი ცილისა და რნმ-ით. ამ კონფიგურაციაში დნმ შეფუთულია ქრომოსომებში უჯრედის ბირთვში.
პირველადი სტრუქტურა: დნმ-ის კომპონენტები
ბლოკები, საიდანაც აგებულია დეზოქსირიბონუკლეინის მჟავის მაკრომოლეკულა არის ნუკლეოტიდები, რომლებიც წარმოადგენენ ნაერთებს, რომელთაგან თითოეული მოიცავს:
- აზოტოვანი ბაზა - ადენინი, გუანინი, თიმინი ან ციტოზინი. ადენინი და გუანინი მიეკუთვნება პურინის ფუძეების ჯგუფს, ციტოზინი და თიმინი - პირიმიდინს;
- ხუთნახშირბადის მონოსაქარიდი დეოქსირიბოზა;
- ორთოფოსფორის მჟავის ნარჩენი.
პოლინუკლეოტიდური ჯაჭვის ფორმირებაში მნიშვნელოვან როლს ასრულებს ნახშირბადის ატომების მიერ წარმოქმნილი ჯგუფების რიგითობა შაქრის წრიულ მოლეკულაში. ნუკლეოტიდში ფოსფატის ნარჩენი დაკავშირებულია დეზოქსირიბოზის 5'-ჯგუფთან (წაიკითხეთ „ხუთი პირველი“), ანუ ნახშირბადის მეხუთე ატომთან. ჯაჭვის გაფართოება ხდება შემდეგი ნუკლეოტიდის ფოსფატის ნარჩენის მიმაგრებით დეზოქსირიბოზის თავისუფალ 3'-ჯგუფზე.
ამგვარად, დნმ-ის პირველად სტრუქტურას პოლინუკლეოტიდური ჯაჭვის სახით აქვს 3'- და 5'-ბოლოები. დნმ-ის მოლეკულის ამ თვისებას პოლარობა ეწოდება: ჯაჭვის სინთეზს მხოლოდ ერთი მიმართულებით შეუძლია.
მეორადი სტრუქტურის ფორმირება
დნმ-ის სტრუქტურული ორგანიზაციის შემდეგი საფეხური ემყარება აზოტოვანი ფუძეების კომპლემენტარობის პრინციპს - მათ უნარს ერთმანეთთან წყვილში დაკავშირება.წყალბადის ბმების მეშვეობით. კომპლემენტარულობა - ურთიერთშესაბამისობა - ხდება იმის გამო, რომ ადენინი და თიმინი ქმნიან ორმაგ კავშირს, ხოლო გუანინი და ციტოზინი ქმნიან სამმაგ კავშირს. ამიტომ ორმაგი ჯაჭვის ფორმირებისას ეს ფუძეები ერთმანეთის საპირისპიროდ დგანან და ქმნიან შესაბამის წყვილებს.
პოლინუკლეოტიდური თანმიმდევრობები განლაგებულია მეორად სტრუქტურაში ანტიპარალელურად. ასე რომ, თუ ერთ-ერთი ჯაჭვი ჰგავს 3' - AGGZATAA - 5', მაშინ პირიქით გამოიყურება ასე: 3' - TTATGTST - 5'.
როდესაც დნმ-ის მოლეკულა წარმოიქმნება, გაორმაგებული პოლინუკლეოტიდური ჯაჭვი იგრიხება და მარილების კონცენტრაცია, წყლის გაჯერება და თავად მაკრომოლეკულის სტრუქტურა განსაზღვრავს რა ფორმების მიღებას შეუძლია დნმ-ს მოცემულ სტრუქტურულ საფეხურზე. ცნობილია რამდენიმე ასეთი ფორმა, რომლებიც აღინიშნება ლათინური ასოებით A, B, C, D, E, Z.
C, D და E კონფიგურაციები არ არის ნაპოვნი ველურ ბუნებაში და დაფიქსირდა მხოლოდ ლაბორატორიულ პირობებში. ჩვენ განვიხილავთ დნმ-ის ძირითად ფორმებს: ე.წ კანონიკურ A და B, ასევე Z კონფიგურაციას.
A-DNA არის მშრალი მოლეკულა
A-ფორმა არის მარჯვენა ხელის ხრახნი 11 დამატებითი ბაზის წყვილით თითოეულ შემობრუნებაში. მისი დიამეტრი 2,3 ნმ, ხოლო სპირალის ერთი შემობრუნების სიგრძე 2,5 ნმ. დაწყვილებული ფუძეებით წარმოქმნილ სიბრტყეებს აქვთ 20° დახრილობა მოლეკულის ღერძის მიმართ. მეზობელი ნუკლეოტიდები კომპაქტურად განლაგებულია ჯაჭვებში - მათ შორის არის მხოლოდ 0,23 ნმ.
დნმ-ის ეს ფორმა წარმოიქმნება დაბალი ჰიდრატაციით და ნატრიუმის და კალიუმის გაზრდილი იონური კონცენტრაციით. დამახასიათებელიაპროცესები, რომლებშიც დნმ აყალიბებს კომპლექსს რნმ-თან, ვინაიდან ამ უკანასკნელს არ შეუძლია სხვა ფორმების მიღება. გარდა ამისა, A-ფორმა ძალიან მდგრადია ულტრაიისფერი გამოსხივების მიმართ. ამ კონფიგურაციაში დეოქსირიბონუკლეინის მჟავა გვხვდება სოკოს სპორებში.
სველი B-დნმ
მარილების დაბალი შემცველობითა და დატენიანების მაღალი ხარისხით, ანუ ნორმალურ ფიზიოლოგიურ პირობებში, დნმ იღებს ძირითად ფორმას B. ბუნებრივი მოლეკულები არსებობს, როგორც წესი, B- ფორმაში. სწორედ ის უდევს საფუძვლად კლასიკური უოტსონ-კრიკის მოდელს და ყველაზე ხშირად გამოსახულია ილუსტრაციებში.
ეს ფორმა (ისიც მემარჯვენეა) ახასიათებს ნუკლეოტიდების ნაკლებად კომპაქტური განლაგებით (0,33 ნმ) და დიდი ხრახნიანი სიმაღლით (3,3 ნმ). ერთი შემობრუნება შეიცავს 10,5 ბაზის წყვილს, თითოეული მათგანის ბრუნვა წინასთან შედარებით არის დაახლოებით 36 °. წყვილების სიბრტყეები თითქმის პერპენდიკულარულია „ორმაგი სპირალის“ღერძის მიმართ. ასეთი ორმაგი ჯაჭვის დიამეტრი უფრო მცირეა ვიდრე A-ფორმის დიამეტრი - ის მხოლოდ 2 ნმ-ს აღწევს.
არაკანონიკური Z-DNA
განსხვავებით კანონიკური დნმ-ისგან, Z ტიპის მოლეკულა არის მარცხენა ხრახნი. ის ყველაზე თხელია, აქვს მხოლოდ 1,8 ნმ დიამეტრი. მისი ხვეულები, 4,5 ნმ სიგრძით, თითქოს წაგრძელებულია; დნმ-ის ეს ფორმა შეიცავს 12 დაწყვილებულ ბაზას თითო ბრუნვაში. მანძილი მეზობელ ნუკლეოტიდებს შორის ასევე საკმაოდ დიდია - 0,38 ნმ. ასე რომ, Z-ს ფორმას აქვს ყველაზე ნაკლები შემობრუნება.
წარმოიქმნება B ტიპის კონფიგურაციიდან იმ ადგილებში, სადაც პურინიდა პირიმიდინის ფუძეები, ხსნარში იონების შემცველობის ცვლილებით. Z-დნმ-ის ფორმირება დაკავშირებულია ბიოლოგიურ აქტივობასთან და არის ძალიან მოკლევადიანი პროცესი. ეს ფორმა არასტაბილურია, რაც სირთულეებს ქმნის მისი ფუნქციების შესწავლაში. ჯერჯერობით, ისინი ზუსტად არ არის ნათელი.
დნმ-ის რეპლიკაცია და მისი სტრუქტურა
დნმ-ის როგორც პირველადი, ასევე მეორადი სტრუქტურები წარმოიქმნება ფენომენის დროს, რომელსაც რეპლიკაცია ჰქვია - ორი იდენტური "ორმაგი სპირალის" წარმოქმნა საწყისი მაკრომოლეკულისგან. რეპლიკაციის დროს, თავდაპირველი მოლეკულა იხსნება და გამოთავისუფლებულ ერთ ჯაჭვზე იქმნება დამატებითი ბაზები. ვინაიდან დნმ-ის ნახევრები ანტიპარალელულია, ეს პროცესი მათზე მიმდინარეობს სხვადასხვა მიმართულებით: მშობელ ჯაჭვებთან მიმართებაში 3'-ბოლოდან 5'-ბოლომდე, ანუ ახალი ჯაჭვები იზრდება 5' → 3' მიმართულებით. წამყვანი ძაფი სინთეზირდება განუწყვეტლივ რეპლიკაციის ჩანგლისკენ; ჩამორჩენილ ძაფზე სინთეზი კეთდება ჩანგლიდან ცალკეულ ნაწილებად (ოკაზაკის ფრაგმენტები), რომლებიც შემდეგ იკერება სპეციალური ფერმენტის, დნმ ლიგაზას მიერ.
სანამ სინთეზი გრძელდება, ქალიშვილის მოლეკულების უკვე ჩამოყალიბებული ბოლოები ექვემდებარება ხვეულ გრეხილს. შემდეგ, რეპლიკაციის დასრულებამდე, ახალშობილი მოლეკულები იწყებენ მესამეული სტრუქტურის ფორმირებას პროცესს, რომელსაც ეწოდება ზეგადახვევა.
სუპერ გრეხილი მოლეკულა
დნმ-ის ზეგადახვეული ფორმა წარმოიქმნება მაშინ, როდესაც ორჯაჭვიანი მოლეკულა დამატებით ტრიალს აკეთებს. ეს შეიძლება იყოს საათის ისრის მიმართულებით (დადებითი) ანწინააღმდეგ (ამ შემთხვევაში საუბარია უარყოფით ზეგადახვევაზე). ორგანიზმების უმრავლესობის დნმ ნეგატიურად ზეგადახვეულია, ანუ „ორმაგი სპირალის“მთავარი შემობრუნების საწინააღმდეგოდ.
დამატებითი მარყუჟების - სუპერხვეულების წარმოქმნის შედეგად დნმ იძენს რთულ სივრცულ კონფიგურაციას. ევკარიოტულ უჯრედებში ეს პროცესი ხდება კომპლექსების წარმოქმნით, რომლებშიც დნმ უარყოფითად ხვეული ჰისტონური ცილის კომპლექსების ირგვლივ და იღებს ძაფის ფორმას ნუკლეოსომის მარცვლებით. ძაფის თავისუფალ მონაკვეთებს ლინკერები ეწოდება. არაჰისტონის ცილები და არაორგანული ნაერთები ასევე მონაწილეობენ დნმ-ის მოლეკულის ზეგადახვეული ფორმის შენარჩუნებაში. ასე წარმოიქმნება ქრომატინი - ქრომოსომების ნივთიერება.
ქრომატინის ძაფებს ნუკლეოსომური მარცვლებით შეუძლიათ კიდევ უფრო გაართულონ მორფოლოგია იმ პროცესში, რომელსაც ეწოდება ქრომატინის კონდენსაცია.
დნმ-ის საბოლოო კომპაქტიზაცია
ბირთვში დეზოქსირიბონუკლეინის მჟავის მაკრომოლეკულის ფორმა ხდება უკიდურესად რთული, იკუმშება რამდენიმე საფეხურზე.
- პირველ რიგში, ძაფი ხვეულია სპეციალურ სოლენოიდის ტიპის სტრუქტურაში - ქრომატინის ფიბრილაში 30 ნმ სისქით. ამ დონეზე დნმ იკეცება და 6-10-ჯერ იკლებს მის სიგრძეს.
- გარდა ამისა, ფიბრილი აყალიბებს ზიგზაგის მარყუჟებს სპეციფიური ხარაჩოს ცილების დახმარებით, რაც ამცირებს დნმ-ის ხაზოვან ზომას უკვე 20-30-ჯერ.
- მჭიდროდ შეფუთული მარყუჟის დომენები იქმნება შემდეგ დონეზე, რომლებსაც ყველაზე ხშირად აქვთ ფორმა, რომელსაც ჩვეულებრივ უწოდებენ "ნათურის ფუნჯს". ისინი ერთვის ინტრაბირთვულ ცილასმატრიცა. ასეთი სტრუქტურების სისქე უკვე 700 ნმ-ია, დნმ კი დაახლოებით 200-ჯერ მცირდება.
- მორფოლოგიური ორგანიზაციის ბოლო დონე არის ქრომოსომული. მარყუჟის დომენები შეკუმშულია ისე, რომ მიიღწევა მთლიანი შემცირება 10000-ჯერ. თუ დაჭიმული მოლეკულის სიგრძე დაახლოებით 5 სმ-ია, მაშინ ქრომოსომებში შეფუთვის შემდეგ ის მცირდება 5 მიკრონამდე.
დნმ-ის ფორმის გართულების ყველაზე მაღალი დონე აღწევს მიტოზის მეტაფაზაში. სწორედ მაშინ იძენს დამახასიათებელ სახეს - ორი ქრომატიდს, რომლებიც დაკავშირებულია შეკუმშვა-ცენტრომერით, რაც უზრუნველყოფს ქრომატიდების დივერგენციას გაყოფის პროცესში. ინტერფაზის დნმ ორგანიზებულია დომენის დონეზე და ნაწილდება უჯრედის ბირთვში განსაკუთრებული თანმიმდევრობით. ამრიგად, ჩვენ ვხედავთ, რომ დნმ-ის მორფოლოგია მჭიდროდ არის დაკავშირებული მისი არსებობის სხვადასხვა ფაზებთან და ასახავს სიცოცხლისთვის ამ უმნიშვნელოვანესი მოლეკულის ფუნქციონირების თავისებურებებს.
