Длина вытянутой молекулы ДНК во много раз превышает размеры содержащего ее компартмента (таблица 9). Если бы молекулы ДНК были свернуты беспорядочно, то и в этом случае их не удалось бы разместить в отведенном им пространстве (задача 38).
Молекулы ДНК в клетке упакованы специальным образом, при этом упаковка ДНК в прокариотической и эукариотической клетке принципиально различна. Нуклеоид прокариотической клетки содержит примерно 80% ДНК, остальное приходится, главным образом, на белки. Геном прокариот представляет собой кольцевую двухцепочечную молекулу ДНК, концы которой ковалентно замкнуты друг на друга. Кроме того, кольцевые молекулы ДНК прокариот являются отрицательно сверхспиральными, или сверхскрученными. Это результат того, что двойная спираль, прежде чем концы ее цепей соединились в кольцо, была частично раскручена. Обратное скручивание сообщает кольцевой молекуле ДНК вращающий момент, вследствие чего она закручивается сама на себя (рис. 114). Если такую сверхспиральную ДНК, в которой запасена дополнительная энергия, подвергнуть действию эндонуклеазы (фермента, делающего однонитевый разрыв в ДНК), то скрученность, вызванная обратным вращением, снимается, и ДНК переходит в свое обычное низкоэнергетическое релаксированное состояние. Энергия напряжения сверхспиральной ДНК (энергия суперспирализации) примерно пропорциональна квадрату числа сверхспиральных витков. Сверхспиральная ДНК намного более компактна, чем релаксированное кольцо. Сверхспиральность важна также для регуляции генетических процессов у прокариот, поскольку некоторые регуляторные белки и ферменты не связываются с ДНК, если она находится не в сверхспиральной форме. Специальные ферменты, называемые топоизомеразами, регулируют степень сверхспиральности ДНК, увеличивая или уменьшая число сверхвитков.
Еще одной особенностью структурной организации прокариотической ДНК является образование множества петель, образованных и закрепленных с помощью белков (рис. 115). Каждая из этих петель сверхспирализована, причем степень сверхспиральности петли не зависит от степени сверхспиральности соседних петель. В молекуле ДНК E. Coli насчитывается около 100 таких петель, каждая в среднем состоит из 40 тыс. пар нуклеотидов (п.н.), а средняя степень сверхспиральности in vivo соответствует 1 отрицательному супервитку на каждые 200 п.н. Образование петель и сверхспиральность обеспечивают у прокариот упаковку очень больших кольцевых молекул ДНК в малых объемах, не ограниченных мембранами. Кроме того, ДНК бактериальной клетки прикреплена в одной или нескольких точках к внутренней поверхности клеточной мембраны.
Задача 38. Представьте, что молекулы ДНК, перечисленные в Табл. 9, представляют собой статистические клубки. Рассчитайте характерный объем таких клубков и сравните его с объемом компартментов, в которых упакованы эти молекулы. Длина статистического сег- мента двухцепочечной молекулы ДНК составляет 100 нм.