ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота).

ДНК - биологический полимер, состоящий из двух полинуклеотидных цепей, закрученных одна вокруг другой в правовитковую спираль. Мономерами каждой такой цепочки являются нуклеотиды.

Нуклеотиды, входящие в состав ДНК, содержат пятиуглеродный сахар - дезоксирибозу, одно из азотистых оснований: аденин, гуанин, цитозин, тимин (А,Г,Ц,Т) - и остаток фосфорной кислоты. Нуклеотиды различаются между собой только по структуре азо­тистого основания.

Два азотистых основания относятся к классу пуринов (аденин и гуанин), а два - к пиримидинам (цитозин и тимин).

В каждой цепи нуклеотиды соединяются между собой ковалентными связями: дезоксирибоза одного нуклеотида соединяется с остатком фосфорной кислоты последующего нуклеотида. Две цепи по всей длине соединены друг с другом водородными связями, возникающими между азотистыми основаниями, входящими в состав нуклеотидов разных це­пей. Особенностью структуры ДНК является то, что против азотистого основания А одной цепи лежит азотистое основание Т другой цепи, а против азотистого основания Г всегда расположено азотистое осно­вание Ц.

Такая способность к избирательному соединению нуклеотидов, в результате чего формируюся пары А-Т и Г-Ц, называется комплементарностью. Эти пары оснований называют комплементарными основани­ями (дополняющими друг друга).

Нуклеотидный состав впервые количественно проанализировал американский биохимик Эрвин Чаргафф. Он обнаружил, что у всех изу­ченных им видов количество пуринового основания аденина равно ко­личеству пиримидинового основания тимина, т.е. А = Т. Сходным об­разом количество второго пурина - гуанина всегда равно количеству второго пиримидина - цитозина, т.е. Г = Ц.

Таким образом в любых молекулах ДНК сумма пуриновых основа­ний (А+Г) всегда равна сумме пиримидиновых (Ц+Т), причем количес­тво аденина = количеству тимина (А=Т), а количество гуанина = ко­личеству цитозина (Г=Ц).

 

Т.е. отношение ^{аденин + гуанин} = 1 (единице)

^{тимин + цитозин}

 

Такая закономерность получила название правила Чаргаффа (1950г).

Это правило было использовано в дальнейшем при построении модели молекулы ДНК.

Модель ДНК.

Впервые представления о молекуле ДНК, как о гигантской спира­ли, было выдвинуто Морисом Уилкинсоном после получения эксперимен­тальных данных. Он на основании проведенных рентгеноструктурных исследований указал, что молекула ДНК, вероятно, представляет собой спираль - гигантскую закрученную нить.

Основываясь на этих данных и данных многочисленных лаборато­рных опытов американский биохимик Джеймс Уотсон и английский фи­зик Френсис Крик в 1953 году предложили трехмерную модель струк­туры молекулы ДНК, которая объяснила все факты, связанные с функ­ционированием нуклеиновых кислот.

Исследуя строение молекулы ДНК эти ученые впервые установили, что она представляет собой закрученную вправо спираль, образованную двумя антипараллельными полинуклеотидными цепями. Причем сахаро-фосфатные участки нуклеотидов находятся на внешней стороне, а азо­тистые основания - внутри. Две цепи соединяются друг с другом во­дородными связями между их азотистыми основаниями по принципу комплементарности. При этом пурины одной цепи всегда образуют па­ру с пиримидинами другой цепи, и наоборот. Между А и Т образуются две водородные связи, а между Г и Ц - три. Хотя водородные связи непрочные, но большое число этих связей обеспечивает прочное сое­динение нитей ДНК, что придает молекуле устойчивость и в тоже время сохраняет ее подвижность.

Две комплементарные цепи ДНК имеют противоположную поляр­ность: они идут как бы во встречных направлениях, так что их кон­цевые фосфатные группы находятся на противоположных концах двой­ной спирали.

Основания в молекуле ДНК располагаются так, что расстояние между парой осно­ваний, т.е. одним пурином и одним пиримидином, постоянно и равно 0,34нм.

Диаметр двойной спирали ДНК составляет примерно 2 нм. В каж­дый виток (полный оборот) спирали входит 10 пар нуклеотидов, сле­довательно длина одного оборота ДНК равна 3,4 нм.

Такая модель полностью подтверждена экспериментально и сыг­рала исключительно важную роль в развитии молекулярной биологии и генетики.

Расположение нуклеотидов в цепях ДНК несет важную генетическую информацию. Порядок расположения нуклеотидов в молекулах ДНК определяет порядок расположения аминокислот в первичной структу­ре белка.

Большинство природных ДНК имеет двуцепочечную структуру. Иск­лючение составляют некоторые вирусы, в составе которых обнаружены одноцепочечные ДНК, также линейные и кольцевые (в последнем случае концы молекулы ковалентно замкнуты).

В клетках прокариот ДНК представлена в виде кольца.

Биспиральная структура ДНК не является абсолютно жесткой, что делает возможным образование перегибов, петель, суперспиралей и т.п. необходимых для упаковки гигантских молекул ДНК в малом объ­еме клетки или вируса.

В начале пятидесятых годов Мирский и Вендрели показали, что все соматические клетки организмов одного вида содержат одинако­вое количество ДНК. В половых клетках ДНК содержится (в расчете на одну клетку) вдвое меньше. Известно, что содержание ДНК в одном сперматозоиде человека равно 3,3^. 10^-12 г. Такое же количество ДНК содержится в яйцеклетке человека. Следовательно, в 6,6^. 10^-12 г ДНК содержится вся информация, определяющая развитие человека.

В молекуле ДНК различают несколько структур:

Первичная - это последовательность нуклеотидов в цепи, она строго индивидуальна и специфична для каждой природной ДНК и представляет собой закодированную запись биологической инфо­рмации (генетический код). Первичная структура поддер­живается сильными ковалентными связями.

Вторичная - цепи, закрученные в спираль и удерживающиеся друг око­ло друга за счет водородных связей.

Третичная - объединение ДНК с белками-гистонами в хромосомах.

 

Редупликация ДНК.

Принцип комплементарности лежит в основе уникальной способ­ности ДНК к самоудвоению (редупликации).

Для того, чтобы новые цепи ДНК были построены по принципу ко-мплементарности, двойная спираль должна быть раскручена и родите­льские цепи отделены друг от друга. Только в этом случае фермент ДНК-полимераза способен двигаться по "материнским" цепям и использовать их в качестве матрицы для безошибочного синтеза "дочерних" цепей.

Редупликация происходит следующим образом. Под действием спе­циальных ферментов разрываются водородные связи между двумя це­пями и происходит локальное расплетение двойной спирали, образование репликативной вилки. Затем при участии фермента ДНК-полимеразы, который передвигается вдоль материнской цепи, синтезирует­ся новая (дочерняя) цепь ДНК по принципу комплементарности. Таким образом, каждая полинуклеотидная цепь выполняет роль матрицы для новой комплементарной цепи. В результате получаются две молекулы ДНК, у каждой из которых одна половина происходит от родительской молекулы, а другая является вновь синтезированной, т.е. две новые молекулы ДНК представляют собой точную копию исходной молекулы.

Такой механизм редупликации называют полуконсервативным, т.к. каждая дочерняя цепь сохраняет (консервирует) в неизменном виде одну из материнских цепей.