ОРГАНИЗАЦИЯ НА НАСЛЕДСТВЕНИЯ МАТЕРИАЛ – ОБЩИ ЧЕРТИ И ОСОБЕНОСТИ ПРИ ПРОКАРИОТИТЕ
Наследствената информация (както и информацията изобщо) е доста абстрактно понятие. Нейните носители (молекулите ДНК) обаче са съвсем конкретни тела. Те заемат място, изискват грижи за поддържането си, могат да се установят с аналитична химична реакция и да се видят под микроскоп. По-долу ще се обсъжда организацията на наследствения материал или, по-просто казано, в какъв вид се намира ДНК в клетката: колко са големи молекулите, дали са пръстенни или линейни, къде са разположени, как са усукани, с какви други структури са свързани и какво показва един бърз поглед върху нуклеотидната им последователност. Разгледана отделно от функциите си, ДНК изглежда мъртва и безполезна. Необходимо е обаче първо да се опознае структурата й, за да се разберат процесите, при които тя "оживява".
1. Общи особености на структурата на ДНК
Да разгледаме в началото спиралната структура на ДНК. Както знаем, ДНК е двуверижна благодарение на водородните връзки между комплементарните бази. Следователно, ако си представим ДНК като лента, базите ще бъдат в средата около осевата линия, а остатъците от дезоксирибоза и фосфорна киселина (образуващи т. нар. фосфодиестерен скелет) – отвън, по ръбовете.
Доколкото ДНК се намира във водна среда, а базите са доста хидрофобни, явно е уместно те да са в средата. Но дори и така базите биха имали твърде голяма допирна площ с водата, ако двойната верига беше изправена. Когато във водна среда има хидрофобни частички, тя ограничава допира си с тях, за да спечели ентропия, и ги тласка към обединение. Тези привидни сили на привличане, наречени хидрофобни взаимодействия, карат базите в ДНК да се притискат една до друга максимално. Резултатът е спирално завиване на ДНК. Ако си представим оста на спиралата вертикална, то двойките комплементарни бази са плоски и лежат хоризонтално една над друга. За онагледяване на разположението им можем да направим ветрило от карти, като ги държим в средата вместо в ъгъла.
Модел с карти и схема на разположението на азотните бази в двойната спирала на ДНК.
Чрез рентгеноструктурен анализ на ДНК е установено, че при различни условия на кристализация се получават няколко типа спирали. Три от тях са установени и в природата. Техни молекулни модели можете да видите например на http://chemistry.gsu.edu/glactone/PDB/DNA_RNA/dna.html. Основната форма е т. нар. В-спирала. Тя е усукана по посока на часовниковата стрелка. Такава спирала се нарича дясна или "плюс". Диаметърът на В-формата е 2 nm, а един оборот обхваща кръгло 10 нуклеотида. Термодинамично това е най-стабилната спирала.
А-спиралата е също дясна, но е по-широка. Тя е свойствена на двойноспиралните РНК-участъци и на смесените двойни спирали ДНК-РНК. Причината е, че допълнителната ОН-група на рибозата не позволява на РНК да се включи в В-спирала.
Третата показана спирала за разлика от другите е лява. Освен това е по-ръбеста и затова се означава като Z-форма (от зигзаг). Z-Форма биха могли да приемат ДНК-участъци, съставени от редуващи се цитидинови и гуанозинови нуклеотиди (ГЦГЦГЦ...). Такива места в хромозомите има и поне понякога те заемат Z-спирална конформация. Известни са ензими, които специфично разпознават тези Z-спирали и се свързват с тях. По-долу ще допускаме, че ДНК е в стандартната си В-форма.
Да разгледаме оста на спиралата. За простота на повечето схеми тя се дава изправена, а за пръстенна ДНК най-лесно можем да си я представим като окръжност. Такава ДНК, чиято спирална ос не е усукана, се нарича релаксирана. Сега да си представим, че оста на молекулата също образува спирала. Такава ДНК се нарича свръхспирализирана. Свръхспирализацията бива положителна (когато оста се усуква по часовниковата стрелка) и отрицателна (когато оста се усуква наляво, обратно на самата двойна спирала). Свръхспирализацията може да се моделира просто чрез допълнително усукване на мартеница или друг подобен шнур.
Модели на ДНК с различна свръхспирализация.
Релаксираното състояние е най-устойчиво. Линейната ДНК го приема спонтанно. Следователно свръхспирализирана ДНК може да има само ако някой изразходва енергия за усукването й. Освен това тази ДНК трябва или да бъде пръстенна, или, ако е линейна, краищата й да бъдат закрепени. Иначе всеки опит за усукване в някакъв участък от молекулата ще се проваля поради разхлабване на свободните краища.
Енергията, изразходвана за свръхспирализацията, остава в усуканата молекула като потенциална енергия. Това се отразява върху "основната" В-спирала. Двата вида свръхспирализация влияят противоположно. (+)-Свръхспирализираната ДНК е "затегната" – двете вериги са по-плътно навити. Затова такава ДНК се денатурира (разделя веригите си) по-трудно от релаксираната. (–)-Свръхспирализираната ДНК, обратно, е по-хлабава и лесно се денатурира на места за сметка на потенциалната си енергия.
За да можем да усукваме или разхлабваме, се нуждаем от свободен край, който да въртим. Ако молекулата ДНК е пръстенна или с прихванати краища, нейната "степен на усукване" е постоянна. Двойните спирали, които се различават само по степента си на усукване, се наричат топологични изомери или топоизомери. Терминът произлиза от името на клона от математиката, който изучава деформирането на фигурите – топология. Релаксираната ДНК е един топоизомер, а всяко стъпало на свръхспирализация (независимо от посоката) дава нов топоизомер. Един топоизомер може да премине в друг само ако поне едната верига се скъса, давайки свободен край.
2. Организация на наследствения материал при прокариотите
Хаплоидният наследствен материал на клетката се нарича геном. При прокариотите геномът представлява преди всичко една пръстенна молекула ДНК, понякога наричана бактериална хромозома. Заетият от нея участък се нарича нуклеоид. Долу е дадена светлинно-микроскопска снимка на група спорообразуващи бактерии Bacillus cereus. Макар че са фиксирани и оцветени, те изглеждат приблизително като живите бацили при фазово-контрастно наблюдение и са със светли нуклеотиди на тъмен фон. Ако се приложи специално оцветяване, нуклеоидите могат да се видят и тъмни на светъл фон.
Светлинно-микроскопско наблюдение на клетки Bacillus cereus, фиксирани с реактив на Буен и оцветени с тионин. Нуклеоидите се виждат като светли петна в централната част на клетките. Отсечката е 5 микрометра. Снимката е любезно предоставена от Carl Robinow от катедра Микробиология на Университета на западен Онтарио.
Обикновено прокариотите са хаплоидни – съдържат само едно копие от хромозомата си. При усилено делене обаче плоидността се увеличава, затова и делящите се бактерии имат повече от един нуклеоид.
Освен хромозомата в бактериалната клетка може да има и плазмиди – много по-малки молекули ДНК, също пръстенни. Бактериите от един вид си приличат по хромозомата си, но могат да съдържат най-различни плазмиди. За разлика от хромозомата плазмидите най-често са представени с няколко копия дори в неделящата се клетка.
Плазмидите могат да бъдат полезни за бактерията. Например устойчивостта към антибиотици обикновено се обуславя от гени в плазмидите, а не в хромозомата. Като цяло обаче плазмидите не са задължителна част от генома и се подчиняват на своя собствен "интерес", а не на ползата за клетката. Това ги сближава с бактериофагите.
За разлика от фагите обаче плазмидите нямат белтъчна обвивка, с чиято помощ да се разпространяват от клетка на клетка. Въпреки това, ако тяхната клетка загине и ги освободи, понякога плазмидите успяват да проникнат в друга бактерия (може дори от друг вид) и да продължат там възпроизводството си. Процесът, при който “гола” бактериална ДНК, оказала се извън своята клетка, прониква и се настанява трайно в друга клетка, се нарича бактериална трансформация. Обикновено трансформацията се осъществява от плазмиди. Възможна е и трансформация с парчета хромозомна ДНК – например в историческите опити на Грифит и Ейвъри, доказали ролята на ДНК като носител на наследствеността. Този тип трансформация обаче е по-рядък, понеже пренасяният ДНК-участък трябва първо да се откъсне от нуклеоида, а после да се вмъкне не само в другата клетка, а и в хромозомата й. При плазмидите няма такива усложнения. На това се дължи бързото разпространяване на устойчивостта към антибиотици сред различни щамове и дори видове бактерии.
Един плазмид, наречен F-фактор или полов фактор, все пак може да се похвали с приспособление за преход в други клетки. То обаче не прилича на капсидите на фагите, а има вид на тръбести израстъци от повърхността на клетката-гостоприемник. Те се наричат полови пили или F-пили. Когато такава пила се допре до друга бактерия, цитоплазмите на двете клетки се оказват свързани. Това позволява на F-фактора да премине по тунела на пилата от своята (F+) бактерия в другата, която дотогава е била F–.
Редица малки ДНК в прокариотната клетка могат да съществуват и като плазмиди, и като съставни части на бактериалната хромозома. Наричат се епизоми. Способни са да се интегрират в хромозомата и да се изрязват от нея. Съдейки по тях, можем да предположим, че всички плазмиди са "отломки" от бактериалната хромозома, но за това (или против това) е трудно да се съберат данни.
F-Факторът всъщност е епизома. Горе ставаше дума за F+-клетките, които го съдържат в свободен вид. Когато е вграден в хромозомата, клетката се означава като Hfr (съкр. от англ. high frequency recombination – висока честота на рекомбинация). Ако Hfr-клетка се свърже с F–-клетка, по мостчето покрай половия фактор ще се провре и част от хромозомата на Hfr-бактерията. Явлението се нарича бактериална конюгация или парасексуален процес.
ДНК на почти всички прокариоти е (–)-свърхспирализирана. Това й позволява доста лесно да се денатурира в отделни участъци, така че веригите й да станат достъпни за матрична синтеза. Иначе не бихме могли да си представим репликацията и транскрипцията.
Клетката осигурява (–)-свръхспирализацията (а при нужда и релаксацията) чрез ензими, катализиращи превръщането на един топоизомер в друг. Те се наричат топоизомерази. Действат, като скъсват фосфодиестерния скелет, изчакват ДНК да премине в нужния топоизомер, държейки краищата събрани, и накрая отново "спояват" скелета. Повечето топоизомерази по своето действие могат да се отнесат към два типа – I и II. Топоизомеразите I релаксират свръхспирализирана ДНК и не изискват АТФ. Топоизомеразите II, които при прокариотите се наричат още гирази, поначало също могат да релаксират свръхспирализирана ДНК, но основната им функция е точно обратната – да свръхспирализират ДНК в посока (–). За целта им е нужна енергия от АТФ. Между другото налидиксовата киселина и още няколко по-слабо известни антибиотици действат срещу бактериите, като атакуват именно гиразите.
Има и други топоизомерази, които не могат да се причислят към тези два типа и изпълняват по-специални функции. Една от тях, топоизомераза ІV, има задачата да разделя скачени ДНК-пръстени (катенани). Така се предотвратява опасността след репликация дъщерните пръстенни молекули да останат пъхнати една в друга като халки от верига.
По-горе беше казано, че (–)-свръхспирализация се наблюдава при почти всички прокариоти. Изключението са термофилите. Тяхната ДНК е (+)-свръхспирализирана. Всъщност това и следва да се очаква. При нагряване ДНК става все по-нестабилна, докато се денатурира спонтанно при около 70 градуса. Така, докато при 20 градуса пролемът е как при нужда двете вериги да се поразтворят, при 85 градуса трудното е те да се задържат сдвоени през повечето време. (+)-Свръхспирализацията се осъществява от особена топоизомераза, наречена обратна гираза. За това приспособление на термофилите повече няма да става дума.
Плазмидите са цялостни свръхспирали. Доколкото бактериалната хромозома е пръстен, принципно нищо не пречи тя също да бъде свръхспирализирана като цяло. Това обаче не би било изгодно за клетката. Свръхспирализацията не би могла да се регулира в различните участъци. Освен това всяко случайно скъсване би причинило релаксиране на цялата молекула и загуба на вложената в свръхспирализирането енергия. Ето защо бактериалната хромозома е "прихваната" в десетки бримки, всяка от които се държи като отделна пръстенна молекула със свое собствено усукване. Те се наричат още домени (да не се бъркат с обособените части от белтъчната молекула, носещи същото име!). Вероятно краищата им се свързват от белтъци. Средната дължина на бримките е около 40 килобази.
Нуклеиновите киселини in vivo по правило са свързани със структурни белтъци. Свързването се дължи най-вече на електростатично привличане. Нуклеиновите киселини във физиологична среда носят отрицателен заряд поради остатъците фосфорна киселина в скелета си. Съответно белтъците, свързали съдбата си с нуклеиновите киселини, са богати на основни аминокиселини и са положително заредени.
Нуклеоидът на еубактериите съдържа структурни белтъци подобно на еукариотния хроматин, но в по-малко количество. Те се наричат хистоноподобни. За съжаление комплексите, които образуват с ДНК, са много крехки и затова още не са изолирани и изучени. Архебактериите за разлика от еубактериите освен хистоноподобни белтъци съдържат и хистони, т.е. структурни ДНК-свързващи белтъци от еукариотен тип. Това е един от белезите, които сближават тази група прокариоти с еукариотите.
В бактериалната хромозома гените са подредени доста нагъсто. Нещо повече, гените, които кодират функционално свързани молекули (например ензими от един биохимичен път), обикновено са плътно един до друг и се презаписват заедно. Заетият от тях участък се нарича оперон.
Освен гените (кодиращата ДНК) всеки геном
съдържа известно количество ДНК, която не се презаписва –
некодираща ДНК. При прокариотите некодиращата ДНК е сравнително малко.
Тя включва най-вече последователности, които регулират транскрипцията.
(Ако даден ДНК-участък не се презаписва, от това не следва, че той няма
отношение към презаписването!) Има и един обособен участък, от който винаги
започва репликацията –
т. нар. начало на репликация. Част от ДНК просто разделя отделните участъци,
без самата тя видимо да служи за определена цел. Тази част обаче е нищожна.
Изобщо прокариотният геном е рационално "разграфен" на гени и регулаторни
последователности. Създава се впечатлението, че всеки нуклеотид струва
скъпо на клетката. В бактериалната хромозома и плазмидите е трудно да се
открие участък, чиято функция да не личи "от пръв поглед".
Основни източници
Alberts B., D. Bray, J. Lewis, M. Raff, K. Roberts, J.D. Watson. Molecular
Biology of the Cell. 3rd Edition. Garland Publishing Inc., New York, London,
1994. [Online] http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/bv.fcgi?call=bv.View..ShowSection&rid=cell
Ayala F.J., J.A. Kiger. Modern Genetics. 2nd Edition. Benjamin/Cummings
Pub. Co., Mehlo Park, 1984.
Dixon D. (Ed.) (2003). The nucleic acids. [Online] http://chemistry.gsu.edu/glactone/PDB/DNA_RNA/dna.html
Lewin B. Genes. John Wiley & Sons Inc., New York, 1983.
Li J.-Y., B. Arnold-Schulz-Gahmen, E. Kellenberger (1999). Histones
and histone-like DNA-binding proteins: correlations between structural
differences, properties and functions. Microbiology 145: 1-2.
Robinow C., E. Kellenberger (1994). The bacterial nucleoid revisited.
Microbiological Reviews 58: 211-232.
URL http://www.mayamarkov.com/biology/03Organgen1/03Organgen1.htm
Публикувано 2003
Copyright © Майя Маркова