Строение молекулы ДНК

 

Молекуле ДНК принадлежит совершенно особое место в науке о жизни. Именно в ДНК хранится полная информация о строении и свойствах организма, причем во всех мельчайших подробностях. Поэтому знание всех особенностей строения ДНК принципиально важно. Именно с открытия Уотсоном и Криком в 1953 году строения самой важной структуры ДНК, знаменитой двойной спирали, началась новая эра в истории человеческой цивилизации — эра молекулярной биологии и генетики, биотехнологии и основанной на молекулярной генетике медицины.

 

Что такое молекула ДНК?

 

Дезоксирибонуклеиновая кислота́ (ДНК) — макромолекула (одна из трёх основных, две другие — РНК и белки), обеспечивающая хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов. Молекула ДНК хранит биологическую информацию в виде генетического кода, состоящего из последовательности нуклеотидов. ДНК содержит информацию о структуре различных видов РНК и белков.

 

 

В клетках эукариот (животных, растений и грибов) ДНК находится в ядре клетки в составе хромосом, а также в некоторых клеточных органеллах (митохондриях и пластидах). В клетках прокариотических организмов (бактерий и архей) кольцевая или линейная молекула ДНК, так называемый нуклеоид, прикреплена изнутри к клеточной мембране. У них и у низших эукариот (например дрожжей) встречаются также небольшие автономные, преимущественно кольцевые молекулы ДНК, называемые плазмидами. Кроме того, одно- или двухцепочечные молекулы ДНК могут образовывать геном ДНК-содержащих вирусов.

 

 

История изучения

 

ДНК как химическое вещество была выделена Иоганном Фридрихом Мишером в 1869 году из остатков клеток, содержащихся в гное. Он выделил вещество, в состав которого входят азот и фосфор. Вначале новое вещество получило название нуклеин, а позже, когда Мишер определил, что это вещество обладает кислотными свойствами, вещество получило название нуклеиновая кислота. Биологическая функция новооткрытого вещества была неясна, и долгое время ДНК считалась запасником фосфора в организме. Более того, даже в начале XX века многие биологи считали, что ДНК не имеет никакого отношения к передаче информации, поскольку строение молекулы, по их мнению, было слишком однообразным и не могло содержать закодированную информацию.

 

До 1930-х годов считалось, что ДНК содержится только в животных клетках, а в растительных - РНК. В 1934 году в журнале «Hoppe-Seyler’s Zeitschrift fur physiologishe Chemie», затем в 1935 году в «Ученых записках МГУ» вышла статья советских биохимиков А. Н. Белозерского и А. Р. Кизеля в которых доказывалось присутствие ДНК в растительных клетках. В 1936 году группой Белозерского ДНК была выделена из семян и тканей бобовых, злаковых и других растений. Результатом исследований этой же группы советских учёных в 1939 – 1947 годах стала первая в мировой научной литературе информация о содержании нуклеиновых кислот у различных видов бактерий.

 

Постепенно было доказано, что именно ДНК, а не белки, как считалось раньше, является носителем генетической информации. Одно из первых решающих доказательств принесли эксперименты Освальда Эвери, Колина Маклауда и Маклина Маккарти (1944 г.) по трансформации бактерий. Им удалось показать, что за так называемую трансформацию (приобретение болезнетворных свойств безвредной культурой в результате добавления в неё мёртвых болезнетворных бактерий) отвечает выделенная из пневмококков ДНК.

 

Строение молекулы ДНК

ДНК – это линейный органический полимер. Его мономерные звенья – нуклеотиды, которые, в свою очередь, состоят из:

 

o азотистого основания;

o пятиуглеродного сахара (пентозы);

o фосфатной группы (рисунок 1).

 

Основания в ДНК бывают двух типов:

 

o Пуриновые: аденин (А) и гуанин (G);

o Пиримидиновые: цитозин (С) и тимин (Т);(рисунок 2)

 

Уровни структуры ДНК

 

Принято выделять 3 уровня структуры ДНК:

 

o первичную;

o вторичную;

o третичную.

 

Первичная структура ДНК – это последовательность расположения нуклеотидов в полинуклеотидной цепи ДНК.

 

Вторичная структура ДНК - стабилизируется водородными связями между комплементарными парами оснований и представляет собой двойную спираль из двух антипараллелных цепочек, закрученных вправо вокруг одной оси.

 

Общий виток спирали- 3,4нм, расстояние между цепочками 2нм.

 

Третичная структура ДНК – суперсперализация ДНК. Двойная спираль ДНК на некоторых участках может подвергаться дальнейшей спирализации с образованием суперспирали или открытой кольцевой формы, что часто вызвано ковалентным соединением их открытых концов. Суперспиральная структура ДНК обеспечивает экономную упаковку очень длинной молекулы ДНК в хромосоме. Так, в вытянутой форме длина молекулы ДНК составляет 8 см, а в форме суперспирали укладывается в 5 нм.

 

Функции ДНК

 

ДНК хранит наследственную информацию в виде генов.

Порядок нуклеотидов гена определяет порядок аминокислот в одном белке (или полипептиде, если белок состоит из нескольких полипептидных цепей). То есть ДНК кодирует белки организма. Далее белки определяют все остальное — строение, свойства, функции клеток и организма.

 

ДНК осуществляет передачу наследственной информации при делении клеток в процессе роста или размножения. В процессе деления клетки двойная спираль ДНК удваивается (с помощью механизма редупликации). При этом происходит раскручивание двойной спирали ДНК и на каждой цепи достраивается другая по принципу комплиментарности азотистых оснований. В итоге получаются две двойные спирали ДНК. Эти идентичные молекулы расходятся при делении в разные клетки, передавая в каждую идентичную наследственную информацию.

 

На ДНК осуществляется синтез РНК, т. е. ДНК отвечает за передачу генетической информации в цитоплазму. Синтез белка происходит в цитоплазме, и его синтез осуществляет РНК. А на ДНК синтезируется именно РНК. Причем трех видов: информационная, транспортная и рибосомальная. РНК синтезируется на одной из цепей ДНК также по принципу комплиментарности (как это происходит при удвоении ДНК). Далее информационная РНК определяет последовательность аминокислот в белке, транспортная РНК — доставляет аминокислоты к месту синтеза, а рибосомальная РНК входит в состав рибосом, которые являются местом синтеза белка. Синтез РНК на ДНК называется транскрипцией, а синтез белка на РНК — трансляцией.

 

Правило Чаргаффа

 

Правило Э. Чаргаффа – это закономерность количественного содержания азотистых оснований в молекуле ДНК:

 

У ДНК молярные доли пуриновых и пиримидиновых оснований равны: А+ G = C + Т или (А + G)/(C + Т)=1.

В ДНК количество оснований с аминогруппами (А +C) равно количеству оснований с кетогруппами (G + Т): А +C= G + Т или (А +C)/(G + Т)= 1

Правило эквивалентности, то есть: А=Т, Г=Ц; А/Т = 1; Г/Ц=1.

Нуклеотидный состав ДНК у организмов различных групп специфичен и характеризуется коэффициентом специфичности: (Г+Ц)/(А+Т). У высших растений и животных коэффициент специфичности меньше 1, и колеблется незначительно: от 0,54 до 0,98, у микроорганизмов он больше 1.

 

Заключение

 

ДНК – главная молекула в живом организме. Она хранит генетическую информацию, которую передаёт от одного поколения к другому. Молекула ДНК-имеет форму закрученной веревочной лестницы (спирали), перекладины которой представлены парами нуклеиновых оснований.

 

Основное значение ДНК – способность нести информацию о белке и способность удваиваться. Последовательность из трех связанных между собой нуклеотидов – код для конкретной аминокислоты. Из последовательности аминокислот получаются белки, которые управляют в организме биохимическими механизмами развития и метаболизмом.

 

Второе важное свойство ДНК – способность к репликации (удвоению). Именно эта способность ДНК к репликации делает возможным размножение всех форм жизни – от простейшего микроба до сложного многоклеточного организма.

 

Знание этого позволило изучить эволюцию на молекулярном уровне, отследить историю изменений в конкретных генах и в их организации. Все в биологии имеет смысл лишь в свете эволюции.