Хромосомы практически полностью состоят из ДНК, которая содержит информацию, необходимую для синтеза всех белков организма. В состав ДНК входят миллионы нуклеотидов, которые образуют две сопряжённые спиральные цепи. Каждый нуклеотид имеет одно из четырёх азотистых оснований, при этом основа генетической информации — последовательность этих оснований.
Каждое основание в одной цепи комплементарно связано с основанием в другой, позволяя последовательности оснований в одной цепи быть шаблоном для образования последовательности оснований в другой. Синтез новой ДНК называют репликацией.
Единицей длины ДНК служит пара нуклеотидов (п.н.), при этом 1000 п.н. называют тысячей пар нуклеотидов (т.п.н. — килобаза), а 1 000 000 п.н. — миллионом пар нуклеотидов (м.п.н. — мегабаза). В среднем ДНК каждой клетки организма человека состоит примерно из 7000 м.п.н.
Обычно ДНК представляют в виде очень длинной, пластичной лестницы, закрученной по часовой стрелке (как штопор) посредством спирализации вокруг «телеграфного столба». Каждая «вертикальная стойка» лестницы состоит из повторяющихся молекул сахара дезоксирибозы, которые соединены друг с другом посредством фосфоэфирных связей, образованных в результате взаимодействия между 3'-гидроксильной группой одной молекулы и 5'-фосфатной группой другой.
В нижней части одной цепи последним является З'-атом углерода со свободной гидроксильной группой (ОН-), а в верхней части — 5'-атом углерода со свободной фосфатной группой. Вторая цепь имеет диаметрально противоположные концы.
«Ступени» лестницы формируют азотистые основания двух типов — пуриновые и пиримидиновые. К пуринам относят аденин (А) и гуанин (Г), а к пиримидинам — цитозин (Ц) и тимин (Т). Основания прикрепляются к 1-атому углерода дезоксирибозы. Структуру, состоящую из пуринового или пиримидинового основания, прикреплённую к сахару и имеющую фосфатную группу, называют нуклеотидом.
Сегмент двухцепочечной молекулы ДНК представляет собой два соединённых между собой спирализованных нуклеотида. Двойная спираль имеет большую (щель между соседними молекулами сахарофосфатного каркаса) и малую бороздки, пролегающие вдоль ряда азотистых оснований. Полный оборот спирали состоит из десяти пар нуклеотидов.
Пары оснований соединены между собой посредством водородных связей, при этом А и Т имеют два свободных участка связывания, а Ц и Г — три. Аденин всегда образует пару только с тимином, а цитозин — с гуанином. Спаривание оснований (правило Уотсона—Крика) происходит исключительно по принципу комплементарности.
Таким образом, последовательности 5'-ЦГАТ-3' комплементарна последовательность 3'-ГЦТА-5' (при условии чтения в том же направлении) или 5'-АТЦГ-3' (если руководствоваться общепринятым правилом считывания от 5'-конца к 3'). Из этого можно сделать вывод, что количество остатков аденина (А) в молекуле ДНК равно количеству остатков тимина (Т), так же как и количество остатков цитозина (Ц) равно количеству остатков гуанина (Г) (правило Чаргаффа).
Центромеры ДНК
Центромерная ДНК состоит из многократно повторяющихся коротких последовательностей азотистых оснований, расположенных одно за другим. В каждой хромосоме данные последовательности различны, однако у них существуют гомологичные участки.
У человека основная повторяющаяся последовательность — а-сателлитная ДНК, состоящая из 171 п.н. Она богата АТ-основаниями и имеет центр связывания с белком, входящим в состав кинетохора, ответственного за образование микротрубочек веретена деления.
Теломеры ДНК
В отличие от повторяющихся последовательностей в центромерной ДНК нуклеотидные последовательности теломеры одинаковы для всех хромосом не только человека, но и других видов. ДНК теломер человека представляет собой длинные линейные цепи, которые состоят из коротких тандемных повторов последовательности 5'-ГГГТТА-3', насчитывающих несколько сотен оснований на каждом из концевых участков хромосом.
Большая часть этой ДНК двухспиральна и имеет последовательность 3'-ЦЦЦААТ-5' на комплементарной цепи, однако 3'-конец односпиральный и предположительно обматывает двухцепочечную часть молекулы и пронизывает её в районе нескольких тысяч пар нуклеотидов от конца. Образуемая при этом трёхцепочечная структура стабилизирована посредством связывания с теломерспецифическим белком.
Структурные классы ДНК
Гаплоидный геном человека состоит примерно из 20 000— 25 000 ядерных генов, т.е. генов, кодирующих последовательности оснований и связанные с ними элементы контроля, а также 37 генов (включая гены митохондриальной тРНК; см. главы 6, 23) генома митохондрий. Тем не менее ядерный геном составляет не более 3% ядерной ДНК, в то время как остальная часть не несёт кодирующей функции. К ней относят нитроны, которые прерывают кодирующие экзоны большинства генов.
Помимо этого, 75% ДНК человека находится снаружи или между генами. При этом 60% этой ДНК имеет уникальную или умеренно повторяющуюся нуклеотидную последовательность, а 40% — умеренно и часто повторяющуюся нуклеотидную последовательность.
Высокоповторяемыми считают микросателлитные и минисателлитные ДНК, которые различаются по длине тандемного повтора. Сателлитной называют ДНК, у которой наблюдают резкое смещение соотношения А+Т/Г+Ц. При этом её плотность заметно отличается от плотности основной молекулы ДНК, а потому во время центрифугирования в градиенте плотности механически расщеплённой ДНК она может быть выделена в виде добавочной («сателлитной») фракции по отношению к основным.
Около 10% ядерной ДНК состоит из 500 000 копий повторов последовательностей ДНК, средний размер которых составляет примерно 800 п.н. (длинные рассеянные повторы, или LINES). Существует около миллиона копий коротких повторов (примерно 300 п.н.), известных как Аlu, и 400 000 других повторов, состоящих из 130 пар нуклеотидов, называемых M1R. Все вместе они составляют 9% ядерного генома, их называют короткими рассеянными повторами (SINES).
Значение ДНК для медицины и судебной экспертизы. Микросателлитные ДНК рассеяны по всему геному, они предназначены для отслеживания наследования патологических аллелей генов, с которыми тесно сцеплены. Минисателлитные ДНК сконцентрированы вблизи центромер и теломер, а потому не так полезны для отслеживания генов, однако, поскольку они различны у каждого человека, их используют для определения фингерпринтов ДНК. Это играет исключительно важную роль при установлении отцовства, а также для судебной экспертизы.
