Нуклеиновые кислоты. Строение, свойства и функции ДНК. Строение и уровни организации днк 1 строение и роль днк

Химический состав ДНК и её макромолекулярная организация. Типы спиралей ДНК. Молекулярные механизмы рекомбинации, репликации и репарации ДНК. Понятие о нуклеазах и полимеразах. Репликация ДНК как условие передачи генетической информации потомкам. Общая характеристика процесса репликации. Действия, происходящие в вилке репликации. Репликация теломеров, теломераза. Значение недорепликации конечных фрагментов хромосом в механизме старения. Системы исправления ошибок репликации. Корректорские свойства ДНК-полимераз. Механизмы репарации поврежденной ДНК. Понятие о заболеваниях репарации ДНК. Молекулярные механизмы общей генетической рекомбинации. Сайт-специфическая рекомбинация. Генная конверсия.

В 1865г. Грегор Мендель открыл гены, а его современник Фридрих Мишер в 1869г. открыл нуклеиновые кислоты (в ядрах клеток гноя и сперматозоидов лосося). Однако долго еще эти открытия не связывали друг с другом, долго еще структуру и природу вещества наследственности не знали. Генетическая роль НК была установлена после открытия и объяснения явлений трансформации (1928, Ф.Гриффитс; 1944, О. Эвери), трансдукции (1951, Ледерберг, Циндер) и размножения бактериофагов (1951, А. Херши, М. Чейз).

Трансформация, трансдукция и размножение бактериофагов убедительно доказали генетическую роль ДНК. У РНК - содержащих вирусов (СПИДа, гепатита В, гриппа, ВТМ, лейкоза мышей и др.) эту роль выполняет РНК.

Строение нуклеиновых кислот . НК - биополимеры, участвующие в хранении и передаче генети­ческой информации. Мономеры НК - нуклеотиды, состоящие из азо­тистого основания, моносахарида и одной или нескольких фосфатных групп. В составе НК все нуклеотиды являются монофосфа­тами. Нуклеотид без фосфатной группы называется нуклеозидом. Сахар, входящий в состав НК, представляет собой D-изомер и β-аномер рибозы или 2-дезоксирибозы. Нуклеотиды, содержащие рибозу, называ­ются рибонуклеотидами и являются мономерами РНК, а нуклеотиды - производные дезоксирибозы, являются дезоксирибонуклеотидами, и из них состоит ДНК. Азотистые основания бывают двух типов: пурины - аденин, гуанин и пиримидины - цитозин, тимин, урацил. В состав РНК и ДНК входят аденин, гуанин, цитозин; урацил встречается только в РНК, а тимин только в ДНК.

В ряде случаев в НК присутствуют редко встречающиеся минор­ные нуклеотиды, такие как дигидроуридин, 4-тиоуридин, инозин и др. Разнообразие их особенно велико у тРНК. Минор­ные нуклеотиды образуются в результате химических превращений оснований НК, происходящих уже после образования полимерной цепи. Чрезвычайно распространены в РНК и ДНК различные метилированные производные: 5-метилуридин, 5-метилцитидин, l-N-метиладенозин, 2-И-метилгуанозин. У РНК объектом метилирования могут быть и 2"-гидроксигруппы остатков рибозы, что приводит к обра­зованию 2"-О-метилцитидина или 2"-О-метилгуанозина.

Рибонуклеотидные и дезоксирибонуклеотидные звенья соединяют­ся между собой с помощью фосфодиэфирных мостиков, связывающих 5"-гидроксильную группу одного нуклеотида с 3"-гидроксильной груп­пой следующего. Таким образом, регулярная основная цепь образована фосфатными и рибозными остатками, а основания присо­единены к сахарам подобно тому, как присоединены боковые группы в белках. Порядок следования оснований вдоль цепи называется пер­вичной структурой НК. Последовательность оснований принято читать в направлении от 5"- к 3"- углеродному атому пентозы.

Структура ДНК. Модель структуры ДНК в виде двойной спирали была предложена Уотсоном и Криком в 1953 г (рис.7).

Согласно этой трехмерной модели, молекула ДНК состоит из двух противоположно направленных полинуклеотидных цепей, которые относительно одной и той же оси образуют правую спираль. Азотистые основания находятся внутри двойной спирали, и их плоскости перпендикулярны основной оси, а сахарофосфатные остатки экспонированы наружу. Между основаниями образуются специфические Н-связи: аденин - тимин (или урацил), гуанин - цитозин, получившие название уотсон-криковского спаривания. В результате более объемные пурины всегда взаимодействуют с пиримидинами, имеющими меньшие размеры, что обеспечивает оптимальную геометрию остова. Антипараллельные цепи двойной спирали не являются идентичными ни по последовательнос­ти оснований, ни по нуклеотидному составу, но они комплементарны друг другу именно благодаря наличию специфического водородного связывания между указанными выше основаниями.

Комплементарность очень важна для копирования (репликации) ДНК. Соотношения между числом различных оснований в ДНК, выявленные

Рис.7. В - форма ДНК

Чарграффом с соавт. в 50-х гг., имели большое значе­ние для установления структуры ДНК: было показано, что число адениновых остатков в основаниях цепи ДНК, независимо от организма, равно числу тиминовых, а число гуаниновых - числу цитозиновых. Эти равенства являются следствием избирательного спаривания оснований (рис.8).

Геометрия двойной спирали такова, что соседние пары основа­ний находятся друг от друга на расстоянии 0.34 нм и повернуты на 36° вокруг оси спирали. Следовательно, на один виток спирали прихо­дится 10 пар оснований, и шаг спирали равен 3.4 нм. Диаметр двой­ной спирали равен 20 нм и в ней образуются два желобка - большой и малый. Это связано с тем, что сахарофосфатный остов расположен дальше от оси спирали, чем азотистые основания.

Стабильность структуры ДНК обусловлена разными типами взаимо­действия, среди которых основными являются Н-связи между основа­ниями и межплоскостное взаимодействие (стэкинг). Благодаря послед­нему обеспечиваются не только выгодные ван-дер-ваальсовы контакты между атомами, но и возникает

Рис.8. Принцип комплементарности и антипараллельности цепей ДНК

дополнительная стабилизация вслед­ствие перекрывания р-орбиталей атомов параллельно расположенных оснований. Стабилизации способствует также благоприятный гидрофобный эффект, проявляющийся в защищенности малополярных ос­нований от непосредственного контакта с водной средой. Напротив, сахарофосфатный остов с его полярными и ионизированными группами экспонирован, что также стабилизирует структуру.

Для ДНК известны четыре полиморфные формы: А, В, С и Z. Обычной структурой является В-ДНК, в которой плоскости пар оснований перпендикулярны оси двойной спирали (рис.7.). В А-ДНК плоско­сти пар оснований повернуты примерно на 20° от нормали к оси пра­вой двойной спирали; на виток спирали здесь приходится 11 пар ос­нований. В С-ДНК на витке спирали 9 пар оснований. Z-ДНК - это левая спираль с 12 парами оснований на виток; плоскости оснований примерно перпендикулярны оси спирали. ДНК в клетке обычно находится в В-форме, но отдельные ее участки могут находиться в A, Z или даже в иной конформации.

Двойная спираль ДНК не застывшее образование, она находится в постоянном движении:

· деформируются связи в цепях;

· раскрываются и закрываются комплементарные пары оснований;

· ДНК взаимодействует с белками;

· если напряжение в молекуле велико, то она локально расплетается;

· правая спираль переходит в левую.

Различают 3 фракции ДНК:

1.Частоповторяемая (сателлитная) – до 106 копий генов (у мыши 10%). Она не участвует в синтезе белка; разделяет гены; обеспечивает кроссинговер; содержит транспозоны.

2.Слабоповторяемая – до 102 - 103 копий генов (у мыши 15%). Содержит гены синтеза т-РНК, гены синтеза белков рибосом и белков хроматина.

3.Уникальная (неповторяемая) – у мыши 75% (у человека 56%). Состоит из структурных генов.

Локализация ДНК: 95 % ДНК локализуется в ядре в хромосомах (линейные ДНК) и 5 % - в митохондриях, пластидах и клеточном центре в виде кольцевой ДНК.

Функции ДНК : хранение и передача информации; репарация; репликация.

Две цепи ДНК в области гена принципиально различаются по своей функциональной роли: одна из них является кодирую­щей, или смысловой, вторая - матричной.

Это значит, что в процессе «считывания» гена (транскрипции или синтеза пре-мРНК) в качестве матрицы выступает матричная цепь ДНК. Продукт же этого процесса-пре-мРНК - по последовательности нуклеотидов совпадает с кодирующей цепью ДНК (с заменой тиминовых основа­ний на урациловые).

Таким образом, получается, что с помощью матричной цепи ДНК при транскрипции воспроизводится в структуре РНК генетическая информация кодирующей цепи ДНК.

Главными матричными процессами, присущими всем живым орга­низмам, являются репликация ДНК, транскрипция и трансляция.

Репликация - процесс, при котором информация, закодирован­ная в последовательности оснований молекулы родительской ДНК, передается с максимальной точностью дочерней ДНК. При полукон­сервативной репликации дочерние клетки первого поколения полу­чают одну цепь ДНК от родителей, а вторая цепь является вновь синтезированной. Процесс осуществляется при участии ДНК-полимераз, которые относятся к классу трансфераз. Роль матрицы играют разделенные цепи двунитевой материнской ДНК, а субстратами яв­ляются дезоксирибонуклеозид-5"-трифосфаты.

Транскрипция - процесс переноса генетической информации от ДНК к РНК. Все виды РНК - мРНК, рРНК и тРНК - синтезируют­ся в соответствии с последовательностью оснований в ДНК, служа­щей матрицей. Транскрибируется только одна, так называемая «+»-цепь ДНК. Процесс протекает при участии РНК-полимераз. Субстратами являются рибонуклеозид-5"-трифосфаты.

Процессы репликации и транскрипции у прокариот и эукариот существенно различаются по скорости протекания и по отдельным механизмам.

Трансляция - процесс декодирования мРНК, в результате которого информация с языка последовательности оснований мРНК перево­дится на язык аминокислотной последовательности белка. Осуще­ствляется трансляция на рибосомах, субстратами являются аминоацил-тРНК.

Матричный синтез ДНК, катализируемый ДНК-полимеразами, выполняет две основные функции: репликацию ДНК - синтез но­вых дочерних цепей и репарацию двунитевых ДНК, имеющих разры­вы в одной из цепей, образовавшихся в результате вырезания нуклеазами поврежденных участков этой цепи. У прокариот и эукариот существует три разновидности ДНК-полимераз. У прокариот выделе­ны полимеразы I, II и III типов, обозначаемые как pol l, pol ll и pol III. Последняя катализирует синтез растущей цепи, pol играет важную роль в процессе созревания ДНК, функции pol ll изучены не полно­стью. В эукариотических клетках в репликации хромосом участвует ДНК-полимераза ά, в репарации - ДНК-полимераза β, а γ разновид­ность является ферментом, осуществляющим репликацию ДНК митохондрий. Эти Ферменты, независимо от типа клеток, в которых происходит реплика­ция, присоединяют нуклеотид к ОН-группе на З"-конце одной из цепей ДНК, которая растет в направлении 5"→3. Поэтому говорят, что дан­ные Ф обладают 5"→3"-полимеразной активностью. Помимо этого все они проявляют способность деградировать ДНК, отщепляя, нуклеотиды в направлении 3"→5, т. е. являются 3"→5"-экзонуклеазами.

В 1957 г. Мезельсон и Сталь, изучая E. coli установили, что на каждой свободной цепи фермент ДНК-полимераза строит новую, комплементарную цепь. Это полукон­сервативный способ репликации: одна цепь старая – другая новая!

Обычно репликация начинается в строго определенных участках, получивших название участков ori (от origin of replication), и от этих участков распространяется в обе стороны. Участкам ori предшеству­ют точки разветвления материнских цепей ДНК. Участок, примыка­ющий к точке разветвления, получил название репликативной вилки (рис.9). В ходе синтеза репликативная вилка перемещается вдоль молекулы, при этом расплетаются все новые участки родительской ДНК до тех пор, пока вилка не дойдет до точки терминации. Разделе­ние цепей достигается с помощью специальных Ф - геликаз (топоизомераз). Энергия, необходимая для этого, высвобождается за счет гидролиза АТФ. Геликазы перемещаются вдоль полинуклеотидных цепей в двух направлениях.

Для начала синтеза ДНК необходима затравка - праймер. Роль праймера выполняет короткая РНК (10-60 нуклеотидов). Она синте­зируется комплементарно определенному участку ДНК при участии праймазы. После образования праймера в работу включается ДНК-полимераза. В отличие от геликаз ДНК-полимеразы могут переме­щаться только от 3" к 5" концу матрицы. Поэтому элонгация расту­щей цепи по мере раскручивания двунитевой материнской ДНК мо­жет идти только вдоль одной цепи матрицы, той, относительно которой вилка репликации движется от 3" к 5" концу. Непрерывно синтезиру­емая цепь получила название лидирующей. Синтез на запаздывающей цепи также начинается с образования праймера и идет в направлении, противоположном ведущей цепи - от вилки репликации. Запаздыва­ющая цепь синтезируется фрагментарно (в виде фрагментов Оказа­ки), т. к. праймер образуется только тогда, когда вилка репликации освободит тот участок матрицы, который имеет сродство к праймазе. Лигирование (сшивание) фрагментов Оказаки с образованием еди­ной цепи носит название процесса созревания.

При созревании цепи РНК-затравка удаляется как с 5" конца ве­дущей цепи, так и с 5" концов фрагментов Оказаки, а эти фрагменты сшиваются друг с другом. Удаление затравки осуществляется при уча­стии 3"→5" экзонуклеазы. Этот же Ф вместо удаленной РНК присо­единяет дезоксинуклеотиды, используя свою 5"→3" полимеразную активность. При этом в случае присоединения «неправильного» нуклеотида осуществляется «корректорская правка» - удаление основа­ний, образующих некомплементарные пары. Этот процесс обеспечи­вает чрезвычайно высокую точность репликации, отвечающую одной ошибке на 109 пар оснований.

Рис.9. Репликация ДНК:

1 - репликативная вилка, 2 - ДНК-полимераза (pol I - созревание);

3 - ДНК-полимераза (pol III - «корректорская правка»); 4-геликаза;

5-гираза (топоизомераза); 6-белки, дестабилизирующие двойную спираль.

Коррекция осу­ществляется в тех случаях, когда к З"-концу расту­щей цепи присоединяется «неправильный» нуклеотид, неспособный образовать нужные водородные связи с матрицей. Когда pol III ошибочно при­соединяет неправильное основание, «включается» ее 3" -» 5"-экзонуклеазная активность, и это основа­ние немедленно удаляется, после чего восстанавли­вается полимеразная активность. Такой простой механизм действует благодаря тому, что pol III способна работать как полимераза лишь на совер­шенной двойной спирали ДНК с абсолютно пра­вильным спариванием оснований.

Еще один механизм удаления РНК-фрагментов основан на присутствии в клетках особой рибонуклеазы, получившей название РНКазы Н. Этот Ф специфичен к двунитевым структурам, построенным из одной рибонуклеотидной и одной дезоксирибонуклеотидной цепи, причем он гидролизует первую из них.

РНКаза Н также способна удалять РНК-праймер с последующей за­стройкой разрыва с помощью ДНК-полимеразы. На заключительных этапах сборки фрагментов в нужном порядке действует ДНК-лигаза, катализирующая образование фосфодиэфирной связи.

Раскручивание геликазами части двойной спирали ДНК в хромо­сомах эукариот приводит к сверхспирализации остальной части струк­туры, что неизбежно сказывается на скорости процесса репликации. Сверхспирализации препятствуют ДНК-топоизомеразы.

Таким образом, в репликации ДНК, помимо ДНК-полимеразы, принимает участие большой набор Ф: геликаза, праймаза, РНКаза Н, ДНК-лигаза и топоизомераза. Этим перечень Ф и белков, участвую­щих в матричном биосинтезе ДНК, далеко не исчерпывается. Однако многие из участников этого процесса до настоящего времени остают­ся мало изученными.

В процессе репликации происходит «корректорская правка» - удаление непра­вильных (образующих некомплементарные пары) оснований, включенных во вновь синтезированную ДНК. Этот процесс обеспечивает чрезвычайно вы­сокую точность репликации, отвечающую одной ошибке на 109 пар оснований.

Теломеры. В 1938г. классики генетики Б.Мак-Клинтон и Г. Мёллер доказали, что на концах хромосом есть специальные структуры, которые назвали теломерами (телос-конец, мерос-часть).

Ученые обнаружили, что при воздействии рентгеновским облучением устойчивость проявляют лишь теломеры. Напротив, лишенные концевых участков, хромосомы начинают сливаться, что ведет к тяжелым генетическим аномалиям. Т.о., теломеры обеспечивают индивидуальность хромосом. Теломеры плотно упакованы (гетерохроматин) и малодоступны для ферментов (теломеразы, метилазы, эндонуклеаз и др.)

Функции теломер.

1.Механические: а) соединение концов сестринских хроматид после S-фазы; б) фиксация хромосом к ядерной мембране, что обеспечивает конъюгацию гомологов.

2.Стабилизационные: а) предохранение от недорепликации генетически значимых отделов ДНК (теломеры не транскрибируются); б) стабилизация концов разорванных хромосом. У больных α - талассемией в генах α - глобина происходят разрывы хромосомы 16д и к поврежденному концу добавляются теломерные повторы (ТТАГГГ).

3.Влияние на экспрессию генов. Активность генов, расположенных рядом с теломерами, снижена. Это проявление сайленсинга – транскрипционное молчание.

4.«Счетная функция». Теломеры выступают в качестве часового устройства, которое отсчитывает количество делений клетки. Каждое деление укорачивает теломеры на 50-65 н.п. А всего их длина в клетках эмбриона человека составляет 10-15 тысяч н.п.

Теломерная ДНК попала в поле зрения биологов совсем недавно. Первые объекты исследования – одноклеточные простейшие – ресничная инфузория (тетрахимена), которая содержит несколько десятков тысяч очень мелких хромосом и, значит, множество теломер в одной клетке (у высших эукариот менее 100 теломер на клетку).

В теломерной ДНК инфузории многократно повторяются блоки из 6-ти нуклеотидных остатков. Одна цепь ДНК содержит блок 2 тимин – 4 гуанин (ТТГГГГ - Г-цепь), а комплементарная цепь - 2 аденин – 4 цитозин (ААЦЦЦЦ - Ц-цепь).

Каково же было удивление ученых, когда обнаружили, что теломерная ДНК человека отличается от таковой у инфузории всего лишь одной буквой и образует блоки 2 тимин – аденин – 3 гуанин (ТТАГГГ). Более того, оказалось, что из ТТАГГГ - блоков построены теломеры (Г – цепь) всех млекопитающих, рептилий, амфибий, птиц и рыб.

Впрочем, удивляться здесь нечему, так как в теломерной ДНК не закодировано никаких белков (она не содержит гены). У всех организмов теломеры выполняют универсальные функции, речь о которых шла выше. Очень важная характеристика теломерных ДНК – их длина. У человека она колеблется от 2 до 20 тысяч пар оснований, а у некоторых видов мышей может достигать сотен тысяч н.п. Известно, что около теломер есть специальные белки, обеспечивающие их работу и участвующие в построении теломер.

Доказано, что для нормального функционирования каждая линейная ДНК должна иметь две теломеры: по одной теломере на каждый конец.

У прокариот теломеров нет – их ДНК замкнута в кольцо.

Строение и функции ДНК

ДНК - полимер, мономерами которой являются дезоксирибонуклеотиды. Модель пространственного строения молекулы ДНК в виде двойной спирали была предложена в 1953 ᴦ. Дж. Уотсоном и Ф. Криком (для построения этой модели они использовали работы М. Уилкинса, Р. Франклин, Э. Чаргаффа).

Молекула ДНК образована двумя полинуклеотидными цепями, спирально закрученными друг около друга и вместе вокруг воображаемой оси, ᴛ.ᴇ. представляет собой двойную спираль (исключение - некоторые ДНК-содержащие вирусы имеют одноцепочечную ДНК). Диаметр двойной спирали ДНК - 2 нм, расстояние между сосœедними нуклеотидами - 0,34 нм, на один оборот спирали приходится 10 пар нуклеотидов. Длина молекулы может достигать нескольких сантиметров. Молекулярный вес - десятки и сотни миллионов. Суммарная длина ДНК ядра клетки человека - около 2 м. В эукариотических клетках ДНК образует комплексы с белками и имеет специфическую пространственную конформацию.

Мономер ДНК - нуклеотид (дезоксирибонуклеотид) - состоит из остатков трех веществ: 1) азотистого основания, 2) пятиуглеродного моносахарида (пентозы) и 3) фосфорной кислоты. Азотистые основания нуклеиновых кислот относятся к классам пиримидинов и пуринов. Пиримидиновые основания ДНК (имеют в составе своей молекулы одно кольцо) - тимин, цитозин. Пуриновые основания (имеют два кольца) - аденин и гуанин.

Моносахарид нуклеотида ДНК представлен дезоксирибозой.

Название нуклеотида является производным от названия соответствующего основания. Нуклеотиды и азотистые основания обозначаются заглавными буквами.

Полинуклеотидная цепь образуется в результате реакций конденсации нуклеотидов. При этом между 3"-углеродом остатка дезоксирибозы одного нуклеотида и остатком фосфорной кислоты другого возникает фосфоэфирная связь (относится к категории прочных ковалентных связей). Один конец полинуклеотидной цепи заканчивается 5"-углеродом (его называют 5"-концом), другой - 3"-углеродом (3"-концом).

Против одной цепи нуклеотидов располагается вторая цепь. Расположение нуклеотидов в этих двух цепях не случайное, а строго определœенное: против аденина одной цепи в другой цепи всœегда располагается тимин, а против гуанина - всœегда цитозин, между аденином и тимином возникают две водородные связи, между гуанином и цитозином - три водородные связи. Закономерность, согласно которой нуклеотиды разных цепей ДНК строго упорядоченно располагаются (аденин - тимин, гуанин - цитозин) и избирательно соединяются друг с другом, принято называть принципом комплементарности . Следует отметить, что Дж. Уотсон и Ф. Крик пришли к пониманию принципа комплементарности после ознакомления с работами Э. Чаргаффа. Э. Чаргафф, изучив огромное количество образцов тканей и органов различных организмов, установил, что в любом фрагменте ДНК содержание остатков гуанина всœегда точно соответствует содержанию цитозина, а аденина - тимину (ʼʼправило Чаргаффаʼʼ ), но объяснить данный факт он не смоᴦ.

Из принципа комплементарности следует, что последовательность нуклеотидов одной цепи определяет последовательность нуклеотидов другой.

Цепи ДНК антипараллельны (разнонаправлены), ᴛ.ᴇ. нуклеотиды разных цепей располагаются в противоположных направлениях, и, следовательно, напротив 3"-конца одной цепи находится 5"-конец другой. Молекулу ДНК иногда сравнивают с винтовой лестницей. ʼʼПерилаʼʼ этой лестницы - сахарофосфатный остов (чередующиеся остатки дезоксирибозы и фосфорной кислоты); ʼʼступениʼʼ - комплементарные азотистые основания.

Функция ДНК - хранение и передача наследственной информации.

Строение и функции ДНК - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Строение и функции ДНК" 2017, 2018.

МОСКВА, 25 апр — РИА Новости, Татьяна Пичугина. Ровно 65 лет назад британские ученые Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик опубликовали статью о расшифровке структуры ДНК, заложив основы новой науки — молекулярной биологии. Это открытие изменило очень многое в жизни человечества. РИА Новости рассказывает о свойствах молекулы ДНК и о том, почему она так важна.

Во второй половине XIX века биология была совсем молодой наукой. Ученые только приступали к исследованию клетки, а представления о наследственности, хотя и были уже сформулированы Грегором Менделем, не получили широкого признания.

Весной 1868 года молодой швейцарский врач Фридрих Мишер приехал в Университет города Тюбингена (Германия), чтобы заняться научной работой. Он намеревался узнать, из каких веществ состоит клетка. Для экспериментов выбрал лейкоциты, которые легко получить из гноя.

Отделяя ядро от протоплазмы, белков и жиров, Мишер обнаружил соединение с большим содержанием фосфора. Он назвал эту молекулу нуклеином ("нуклеус" на латыни — ядро).

Это соединение проявляло кислотные свойства, поэтому возник термин "нуклеиновая кислота". Его приставка "дезоксирибо" означает, что молекула содержит H-группы и сахара. Потом выяснилось, что на самом деле это соль, но название менять не стали.

В начале XX века ученые уже знали, что нуклеин представляет собой полимер (то есть очень длинную гибкую молекулу из повторяющихся звеньев), звенья сложены четырьмя азотистыми основаниями (аденином, тимином, гуанином и цитозином), а нуклеин содержится в хромосомах — компактных структурах, которые возникают в делящихся клетках. Их способность передавать наследственные признаки продемонстрировал американский генетик Томас Морган в опытах на дрозофилах.

Модель, объяснившая гены

А вот что делает в ядре клетки дезоксирибонуклеиновая кислота, сокращенно ДНК, долго не понимали. Считалось, что она играет какую-то структурную роль в хромосомах. Единицам наследственности — генам — приписывали белковую природу. Прорыв совершил американский исследователь Освальд Эвери, опытным путем доказавший, что генетический материал передается от бактерии к бактерии посредством ДНК.

Стало ясно, что ДНК нужно изучать. Но как? В то время ученым был доступен только рентген. Чтобы просвечивать им биологические молекулы, их приходилось кристаллизовать, а это сложно. Расшифровкой структуры белковых молекул по рентгенограммам занимались в Кавендишской лаборатории (Кембридж, Великобритания). Работавшие там молодые исследователи Джеймс Уотсон и Френсис Крик не располагали собственными экспериментальными данными по ДНК, поэтому они воспользовались рентгенограммами коллег из Королевского колледжа Мориса Уилкинса и Розалинды Франклин.

Уотсон и Крик предложили модель структуры ДНК, точно соответствующую рентгенограммам: две параллельные цепочки закручены в правую спираль. Каждая цепочка складывается произвольным набором азотистых оснований, нанизанных на остов их сахаров и фосфатов, и удерживается водородными связями, протянутыми между основаниями. Причем аденин соединяется только с тимином, а гуанин — с цитозином. Это правило называют принципом комплементарности.

Модель Уотсона и Крика объясняла четыре главных функции ДНК: репликацию генетического материала, его специфику, хранение информации в молекуле и ее способность мутировать.

Ученые опубликовали свое открытие в журнале Nature 25 апреля 1953 года. Через десять лет им вместе с Морисом Уилкинсом присудили Нобелевскую премию по биологии (Розалинда Франклин скончалась в 1958 году от рака в возрасте 37 лет).

"Теперь, более полувека спустя, можно констатировать, что открытие структуры ДНК сыграло в развитии биологии такую же роль, как в физике — открытие атомного ядра. Выяснение строения атома привело к рождению новой, квантовой физики, а открытие строения ДНК привело к рождению новой, молекулярной биологии", — пишет Максим Франк-Каменецкий, выдающийся генетик, исследователь ДНК, автор книги "Самая главная молекула".

Генетический код

Теперь оставалось узнать, как эта молекула действует. Было известно, что ДНК содержит инструкции для синтеза клеточных белков, которые выполняют всю работу в клетке. Белки — это полимеры, состоящие из повторяющихся наборов (последовательностей) аминокислот. Причем аминокислот — всего двадцать. Виды животных отличаются друг от друга набором белков в клетках, то есть разными последовательностями аминокислот. Генетика утверждала, что эти последовательности задаются генами, которые, как тогда считали, служат первокирпичиками жизни. Но что такое гены, никто в точности не представлял.

Ясность внес автор теории Большого взрыва физик Георгий Гамов, сотрудник Университета Джорджа Вашингтона (США). Основываясь на модели двухцепочечной спирали ДНК Уотсона и Крика, он предположил, что ген — это участок ДНК, то есть некая последовательность звеньев — нуклеотидов. Поскольку каждый нуклеотид — это одно из четырех азотистых оснований, то нужно просто выяснить, как четыре элемента кодируют двадцать. В этом состояла идея генетического кода.

К началу 1960-х установили, что белки синтезируются из аминокислот в рибосомах — своего рода "фабриках" внутри клетки. Чтобы приступить к синтезу белка, к ДНК приближается фермент, распознает определенный участок в начале гена, синтезирует копию гена в виде маленькой РНК (ее называют матричной), затем уже в рибосоме из аминокислот выращивается белок.

Выяснили также, что генетический код — трехбуквенный. Это значит, что одной аминокислоте соответствуют три нуклеотида. Единицу кода назвали кодоном. В рибосоме информация с мРНК считывается кодон за кодоном, последовательно. И каждому из них соответствует несколько аминокислот. Как же выглядит шифр?

На этот вопрос ответили Маршалл Ниренберг и Генрих Маттеи из США. В 1961 году они впервые доложили свои результаты на биохимическом конгрессе в Москве. К 1967-му генетический код полностью расшифровали. Он оказался универсальным для всех клеток всех организмов, что имело далеко идущие последствия для науки.

Открытие структуры ДНК и генетического кода полностью переориентировало биологические исследования. То, что у каждого индивида уникальная последовательность ДНК, кардинально изменило криминалистику. Расшифровка генома человека дала антропологам совершенно новый метод изучения эволюции нашего вида. Недавно изобретенный редактор ДНК CRISPR-Cas позволил сильно продвинуть вперед генную инженерию. По всей видимости, в этой молекуле хранится решение и самых злободневных проблем человечества: рака, генетических заболеваний, старения.

Жизнь ДНК (дезоксирибонуклеиновых кислот)

Определение понятия "ДНК"

Ген - это совокупность сегментов ДНК, обуславливающих образование либо молекулы РНК, либо белкового продукта (Сингер М., Берг П., 1998).

У человека около 30000 генов. Во всём объёме ДНК структурные гены (т.е. те, которые кодируют белки, идущие на построение стуктур организма) занимают лишь 3-10%.

Наименьшая функциональная единица ДНК состоит из следующих элементов: структурный ген, регуляторные зоны, регуляторные гены.

Строение молекулы ДНК

Молекулы ДНК имеют вид длинных двойных цепей полимеров – полинуклеотидов, состоящих из мономеров – нуклеотидов. Двойная цепь закручена в спираль. Поэтому ДНК похожа на винтовую лестницу (посмотрите на рисунок вверху). Каждый нуклеотид включает одно из четырех азотистых оснований – аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц) или тимин (Т), одну молекулу пентозы (пятиуглеродный сахар) и один остаток фосфорной кислоты. Обычно молекула ДНК состоит из двух комплементарных нитей, которые образуют двойную спираль. При этом аденин одной нити находится в паре с тимином другой (стабилизируется двумя водородными связями), а гуанин аналогично связан с цитозином (тремя водородными связями). Последовательность азотистых оснований в молекуле ДНК несет информацию, необходимую для синтеза белков. ДНК - очень длинные молекулы, состоящие из множества нуклеотидов. Например, геном человека состоит из 46 хромосом, основу которых составляют молекулы ДНК, которые в совокупности собраны примерно из 3 млрд нуклеотидны пар.

У эукариот генетический материал находится в ядре клетки в хромосомах. Хромосомы в активном состоянии существуют в виде хроматина. Хроматин содержит около 40% ДНК, 40% гистонов (щелочных белков), около 20% негистоновых хромосомных белков и немного РНК.

Видео: Строение хромосомы

ДНК мы можем отнести к "живым системам", к "живым молекулам" на том основании, что они лежат в основе жизни вообще, а также обладают рядом важнейших свойств живого, в частности, способностью к размножению. ДНК насктолько самостоятельны и самодостаточны, что способны существовать даже вне клетки - в виде вирусов. В своей жизни молекулы ДНК проходят жизненные этапы, напоминающие нам жизнь более сложных биологических систем - живых организмов. Это такие этапы как рождение, созревание, работа (деятельность) и "смерть".

Тема: Строение ДНК

Домашнее задание

1. Знать и уметь писать структурные формулы нуклеотидов: А, Т, Г, Ц, У.
2. Знать устройство молекул ДНК и их организацию в хромосомы.
3. Знать способы связывания нуклеотидов в ДНК по вертикали и горизонтали. Понятие о 3"-5" связях.
4. Уметь пользоваться таблицей генетического кода для построения молекул пептидов на основе участка ДНК размером от 12 и более нуклеотидов.

Видео: Хромосомы, митоз, репликация

Этапы жизни молекулы ДНК

Рождение (репликация) - созревание (хромосомы) - работа (транскрипция) - управление (регуляция) - видоизменение (мутация) - "смерть"

1. Репликация ДНК - рождение новой дочерней нити ДНК на родительской нити.
2. Созревание ДНК - формирование хромосомы.
3. Транскрипция ДНК - работа ДНК в виде матричного синтеза на ней РНК.
4. Регуляция транскрипции - управление деятельностью ДНК по транскрипции.
5. Репарация ДНК - восстановление повреждённых участков.
6. Изменения структуры ДНК - мутации, транспозоны.
7. Деградация ДНК - разрушение при каждом цикле репликации.

1. Рождение - репликация

Репликация ДНК проходит очень просто, на счёт "раз, два, три", то есть в три этапа: 1) инициация, 2) элонгация, 3) терминация.

1. Инициация - начинание

Мишень для запуска репликации

Репликация огромной молекулы ДНК начинается с возникновения репликативной точки. Эта точка имеет специфическую последовательность богатую парами А-Т. Такие учкастки в ДНК как раз и являются мишенями для белков, инициирующих репликацию. Именно к ним присоединяются специальные распознающие белки, которые обеспечивают присоединение ферментов репликации хеликазы и топоизомеразы (гиразы) и таким образом запускают процесс репликации. Хеликаза расплетает ДНК на две цепи. Образуется репликативная вилка. Молекула ДНК жестко закреплена на ядерном матриксе и не может свободно вращаться при расплетании какого-либо участка. Это блокирует продвижение хеликазы по цепи. Топоизомераза надрезает нити ДНК и снимает структурное напряжение.
В одной репликативной вилке действуют две хеликазы, которые движутся в противоположных направлениях. Разделенные цепи фиксируются ДНК- связывающими белками. Участки формирования репликативной вилки называются «точками ori» (origin - начало). У эукариот одновременно образуется тысячи таких вилок, что обеспечивает высокую скорость репликации.

2. Элонгация - продолжение (удлиннение)

Наращивание дочерних цепей ДНК на двух родительских цепях происходит неодинаково. ДНК- полимераза III прокариот и δ- или α-ДНК-полимеразы эукариот могут осуществлять синтез новой цепи ДНК лишь в направлении 5’>3’, т.к. могут присоединить новый нуклеотид только к углероду в положении 3’, но не в положении 5’.

Цепь с такой направленностью называется лидирующей . На ней синтез дочерней нити ДНК идёт непрерывно. ДНК-полимераза III или δ-полимераза непрерывно присоединяют к ней комплементарные нуклеотиды.

Цепь с полярностью 3’>5’ является отстающей и достраивается по частям (также в направлении 5’>3’). α-ДНК-полимераза (или ДНК-полимераза III) синтезирует на этой цепи короткие участки - фрагменты Оказаки.

Синтез фрагментов Оказаки и лидирующей цепи начинается с образования РНК-праймеров (затравок ) длиной 10-15 рибонуклеотидов ферментом праймазой (РНК-полимеразой). Ни одна из ДНК-полимераз не способна начать синтез ДНК с нуля, а может лишь достраивать существующую цепь. Параллельно с образованием лидирующей цепи или фрагментов Оказаки происходит удаление рибонуклеотидов из праймеров и замена их нуклеотидами ДНК. Замена рибонуклеиновых участков (праймеров) на участки ДНК происходит с помощью β-ДНК-полимеразы, которая имеет как экзонуклеазную, так и полимеразную активность.

Таким образом, репликация невозможна без частичной временной транскрипции.

Скорость репликации (элонгации) ДНК составляет около 45000 нуклеотидов в минуту, таким образом, родительская вилка расплетается со скоростью 4500 об/мин. Это сопоставимо, например, со скоростью вращения охлаждающего вентилятора в компьютере (1300-4800 об/мин).

3. Терминация - завершение (окончание)

Завершение репликации происходит тогда, когда пробелы между фрагментами Оказаки заполнятся нуклеотидами (при участии ДНК-лигазы) с образованием двух непрерывных двойных цепей ДНК и когда встретятся две репликативные вилки. Затем происходит закручивание синтезированных ДНК с образованием суперспиралей.

Правильность репликации обеспечивается точным соответствием комплементарных пар оснований и действием ДНК-полимераз, которые обладают кроме полимеразной, еще и экзонуклеазной активностью и способны распознавать и исправлять ошибки. Если включается некомплементарный нуклеотид, то фермент делает шаг назад, отщепляет его и продолжает полимеразную реакцию. Поэтому процесс репликации является высокоточным.

После завершения репликации происходит метилирование ДНК в участках –GАТС- по аденину (с образованием N-метиладенина) и остаткам цитозина с образованием 5-метилцитозина. Метилирование не нарушает комплементарности цепей и является необходимым для формирования структуры хромосом и регуляции транскрипции генов.

У прокариот, таких как бактерии, ДНК способна реплицироваться, не распрямляясь в линейную молекулу, то есть оставаясь в характерной для неё кольцевой форме.

Видео: П

2. Созревание - формирование хромосомы и хроматина

3. Работа - транскрипция

Видео: Блокировка работы гена

4. Управление - регуляция

5. Восстановление (починка) - репарация

6. Видоизменение - мутация .

7. "Смерть" - деградация при репликации.