Дезоксирибонуклеиновые кислоты

Молекула ДНК состоит из 2-х полинуклеотидных цепей, закрученных одна вокруг другой в спираль. Цепи построены из большого числа мономеров 4-х типов — нуклеотидов, специфичность которых определяется одним из 4-х азотистых оснований (аденин, гуанин, цитозин, тимин). Сочетания трех рядом стоящих нуклеотидов в цепи ДНК (триплеты, или кодоны) составляют код генетический. Нарушения последовательности нуклеотидов в цепи ДНК приводят к наследственным изменениям в организме — мутациям. ДНК точно воспроизводится при делении клеток, что обеспечивает в ряду поколений клеток и организмов передачу наследственных признаков и специфических форм обмена веществ.

Строение ДНК. Анимация

Уже в середине 19 века было установлено, что способность к наследованию тех или иных признаков организмов связана с материалом, содержащимся в клеточном ядре. В 1868-1872 годах швейцарский биохимик И. Ф. Мишер выделил из клеток гноя (лейкоцитов) и спермы лосося вещество, которое им было названо нуклеином, а впоследствии получило название дезоксирибонуклеиновая кислота.

В конце 19 — начале 20 века благодаря работам Л. Кесселя, П. Левена, Э. Фишера и др. было установлено, что молекулы ДНК представляют собой линейные полимерные цепи, состоящие из многих тысяч соединенных друг с другом мономеров — дезоксирибонуклеотидов четырех типов. Эти нуклеотиды образованы остатками пятиуглеродного сахара дезоксирибозы, фосфорной кислоты и одним из четырех азотистых оснований: пуринов— аденина и гуанина и пиримидинов— цитозина и тимина. Для обозначения оснований стали использовать начальные буквы их названий на английском или русском (в русскоязычной научной литературе) языке: соответственно A, G (Г), С (Ц) и Т.

Долгое время считалось, что ДНК содержится только в клетках животных, пока в 1930-х гг. российским биохимиком А. Н. Белозерским не было показано, что ДНК является обязательным компонентом всех живых клеток. Первые доказательства генетической роли ДНК (как вещества наследственности) были получены в 1944 году группой американских ученых (О. Эйвери и др.), которые в опытах на бактериях однозначно установили, что с ее помощью наследуемый признак может быть перенесен от одной клетки к другой.

К середине 20 в. работами английских ученых (А. Тодд и др.) было окончательно выяснено строение нуклеотидов, которые служат мономерными звеньями в молекуле ДНК, и тип межнуклеотидной связи. Все нуклеотиды соединены между собой 3'-, 5'-фосфодиэфирной связью таким образом, что остаток фосфорной кислоты служит связующим звеном между 3'-углеродным атомом дезоксирибозы одного нуклеотида и 5'-углеродным атомом дезоксирибозы другого нуклеотида. На основании этого в каждой цепи ДНК выделяют 3'-конец и 5'-конец молекулы.

Схема двойной спирали ДНК

В 1950 году американский биохимик Э. Чаргафф обнаружил существенные различия в нуклеотидном составе ДНК из разных источников. Кроме того, оказалось, что состав нуклеотидов в молекуле ДНК подчиняется ряду закономерностей, главные из которых — равенство суммарного количества пуриновых и пиримидиновых оснований и равенство количества аденина и тинина (А-Т) и гуанина и цитозина (Г-Ц). В 1953 году американский биохимик Дж.Уотсон и английский физик Ф. Крик на основании рентгеноструктурного анализа кристаллов ДНК (лаборатория М. Уилкинса) и, основываясь на данных Чаргаффа, предложили трехмерную модель ее структуры. Согласно этой модели молекулы ДНК представляют собой две правозакрученные вокруг общей оси полинуклеотидных цепи, или двойную спираль. На один виток спирали приходится примерно 10 нуклеотидных остатков. Цепи в этой двойной спирали антипараллельны, то есть направлены в противоположные стороны, так что 3'-конец одной цепи располагается напротив 5'-конца другой.

Остовы цепей образованы остатками дезоксирибозы и отрицательно заряженными фосфатными группами. Они находятся на внешней стороне двойной спирали (обращены к поверхности молекулы). Плохо растворимые в воде (гидрофобные) пуриновые и пиримидиновые основания обеих цепей ориентированы внутрь и расположены перпендикулярно оси двойной спирали.

Антипараллельные полинуклеотидные цепи двойной спирали ДНК не идентичны ни по последовательности оснований, ни по нуклеотидному составу. Однако они комплементарны друг другу: где бы ни появился в одной цепи аденин, напротив него в другой цепи обязательно будет стоять тимин, а против гуанина в одной цепи обязательно стоит цитозин другой цепи. Это означает, что последовательность оснований в одной цепи однозначно определяет последовательность оснований в другой (комплементарной) цепи молекулы. Более того, эти пары оснований образуют между собой водородные связи (три связи имеется в паре Г-Ц и две — между А-Т). Водородные связи и гидрофобные взаимодействия играют главную роль в стабилизации двойной спирали ДНК.

Нагревание, значительные изменения рH и ряд других факторов вызывают денатурацию молекулы ДНК, приводящую к разделению ее цепей. В определенных условиях возможно полное восстановление исходной (нативной) структуры молекулы ДНК, ее ренатурация. Способность комплементарных цепей ДНК легко разъединяться, а затем вновь восстанавливать исходную структуру лежит в основе самовоспроизведения молекулы ДНК, ее репликации (удвоения): если две комплементарные цепи ДНК разделить, а затем на каждой, как на матрице, построить новые, строго комплементарные им цепи, то две вновь образовавшиеся молекулы будут идентичны исходной. Открытие этого принципа позволило на молекулярном уровне объяснить явление наследственности.

Сравнительная характеристика нуклеиновых кислот

Почти все природные ДНК состоят из двух цепей (исключение составляют одноцепочечные ДНК некоторых вирусов). При этом ДНК может иметь линейную форму или кольцевую (когда концы молекулы ковалентно замкнуты). В клетках прокариот ДНК организована в одну хромосому (нуклеоид) и представлена одной кольцевой макромолекулой с молекулярной массой более 10. Кроме того, в клетках некоторых бактерий имеется одна или несколько плазмид — небольших кольцевых молекул ДНК, не связанных с хромосомой. У эукариот основная масса ДНК находится в ядре клетки в составе хромосом (ядерная ДНК). В каждой хромосоме эукариот имеется только одна линейная молекула ДНК, но так как во всех клетках эукариот (кроме половых) присутствует двойной набор гомологичных хромосом, то и ДНК представлена двумя неидентичными копиями, полученными организмом от отца и матери при слиянии половых клеток. Молекулярная масса эукариотических ДНК выше, чем у ДНК прокариот (например, в одной из хромосом плодовой мушки дрозофилы она достигает 7, 9 х 10¹⁰). Кроме того, в состав митохондрий и хлоропластов входят кольцевые молекулы ДНК с молекулярной массой 10⁶-10⁷. ДНК этих органелл называют цитоплазматической; она составляет примерно 0, 1% всей клеточной ДНК.

Размеры молекул ДНК обычно выражаются числом образующих их нуклеотидов. Эти размеры варьирует от нескольких тысяч пар нуклеотидов у бактериальных плазмид и некоторых вирусов до многих сотен тысяч пар нуклеотидов у высших организмов. Такие гигантские молекулы должны быть чрезвычайно компактно упакованы в клетках и вирусах. Например, длина ДНК нуклеотида кишечной палочки, состоящей примерно из четырех миллионов пар нуклеотидов, равна 1,4 мм, что в 700 раз превышает размеры самой бактериальной клетки. Общая длина всей ДНК в одной единственной клетке человека составляет примерно 2 м. Если же учесть, что организм взрослого человека состоит примерно из 10¹³ клеток, то общая длина всей ДНК человека должна составлять около 2х10¹³ м, или 2х10¹⁰ км (для сравнения: окружность земного шара — 4х10⁴ км, а расстояние от Земли до Солнца — 1,44х10⁸ км). Каким же образом происходит упаковка гигантских молекул ДНК в малом объеме клетки или вируса? Двойная спираль ДНК не является абсолютно жесткой, что делает возможным образование перегибов, петель, сверхспиральных структур и т. д. В нуклеоиде бактерий такая укладка поддерживается небольшим количеством специальных белков и, возможно, рибонуклеиновыми кислотами. В эукариотических клетках с помощью универсального набора основных белков гистонов и некоторых негистоновых белков ДНК превращается в очень компактное образование — хроматин, который является основным компонентом хромосом. Например, длина ДНК самой большой хромосомы человека равна 8 см, а в составе хромосомы благодаря упаковке она не превышает 8 нм.

Отдельные участки ДНК, кодирующие первичную структуру белка (полипептида) и РНК, называются генами. Наследственная информация записана в линейной последовательности нуклеотидов. У разных организмов она строго индивидуальна и служит важнейшей характеристикой, отличающей одну молекулу ДНК от другой и, соответственно, один ген от другого. Животные разных видов отличаются друг от друга потому, что молекулы ДНК их клеток имеют разную последовательность нуклеотидов, то есть несут разную информацию.

Репликация ДНК

Биосинтез ДНК происходит путем репликации, обеспечивающей точное копирование генетической информации и передачу ее от поколения к поколению. Этот процесс происходит при участии фермента ДНК-полимеразы. Матрицей для синтеза ДНК может служить и однонитевая (одноцепочечная) молекула рибонуклеиновой кислоты (РНК), что происходит, например, при заражении клеток ретровирусами (в их числе и вирусом Спида). Жизненный цикл этих вирусов включает обратный поток информации — от РНК к ДНК. При этом комплементарное копирование РНК в ДНК осуществляется с помощью фермента обратной транскриптазы. В ходе жизнедеятельности организмов их ДНК под влиянием внешних факторов может подвергаться различным повреждениям (мутациям), связанным с нарушением структуры азотистых оснований. В ходе эволюции клетки выработали защитные механизмы, обеспечивающие восстановление ее исходной структуры — репарацию ДНК.

Разработаны эффективные методы определения последовательности нуклеотидов в молекулах ДНК, благодаря которым накоплена огромная информация о ее первичной структуре в генах многих вирусов, некоторых митохондрий и хлоропластов, а также отдельных генов и фрагментов крупных геномов. Полностью определена нуклеотидная последовательность ДНК дрожжей, червя нематоды (150 млн. пар нуклеотидов). В рамках международной программы «Геном человека» в основном завершено установление нуклеотидной последовательности всей ДНК в геноме человека (3 млрд. пар нуклеотидов).

Знание последовательности чередования нуклеотидов в молекуле ДНК важно при анализе наследственных заболеваний человека, при выделении отдельных генов и других функционально важных участков ДНК; оно позволяет, используя генетический код, безошибочно установить первичную структуру белков, кодируемых определенными генами. Информация о первичной структуре ДНК широко используется в генетической инженерии при создании рекомбинантных ДНК — молекул с заданными свойствами, включающих компоненты ДНК из разных организмов.