Дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК) и Принцип комплементарности

Под комплементарностью (взаимодополняемостью) понимают такое соответствие молекул биополимеров, которое обеспечивает возникновение между ними водородной связи.

В ДНК такое соответствие обеспечивается формированием парных связей (аденин-тимин и гуанин-цитозин).

Это необходимо для хранения и трансляции всей генетической информации человека, а заодно таких фундаментальных процессов, как репликации, транскрипции во время синтеза белка и возобновления этой кислоты вследствие повреждения ее цепи.

Описание комплементарности

Образование двойной цепи дезоксирибонуклеиновой кислоты (рнк) возможно тогда, когда одно пуриновое основание (аденин, гуанин) связано между собой одним из пиримидиновых оснований (тимином, цитозином.). Это соотношение известно как правило взаимодополняемости. Это правило означает, что две цепи несут одну и ту же генетическую информацию, хотя и различаются между собой химически. Получается, что одна цепь дезоксирибонуклеиновой кислоты задает другую.Дополняемость нуклеотидов обеспечивает важнейшую функцию нуклеинового соединения – определение синтеза белка. Вся информация о составе белка кодируется этими четырьмя основаниями – аденином, тимином, гуанином и цитозином. Образуется нуклеотидная последовательность, которая безошибочно передается от одного поколения к другому. По такому принципу происходит формирование идентичной молекулы – репликация. В свою очередь, нуклеотиды являются носителями всей информации, ведь каждая цепь служит своеобразной матрицей для получения новой. 

История открытия  РНК

Этот принцип был открыт Эрвином Чаргаффом в 1950 году. Но еще задолго до этого – в 1868 г.

было открыто РНК, а за шесть лет до открытия принципа взаимодополняемости было доказано, что именно эта кислота есть носителем генетической информации.

Чаргафф показал, что вследствие комплементарности нуклеотидов структуры молекул ДНК и РНК химически и геометрически соответствуют друг другу. Это было огромным прорывом в изучении наследственности, расшифровке дезоксирибонуклеиновой кислоты. 

Принцип действия

Основы действия этого явления можно описать правилом Чаргаффа, которое гласит: Количество пуриновых основ (аденина и гуанина) равно содержанию пиримидиновых (тимина и цитозина);Количество аденина равняется содержанию тимина;Содержание гуанина равно соответственно цитозину. Немного позже А. Белозерский установил, что количественное соотношение пуриновых и пиримидиновых оснований есть постоянным для каждого отдельного вида организма. Иными словами, это соотношение является видовой характеристикой организма. 

Для чего нужен принцип взаимодополняемости

Взаимодополняемость является важнейшей в формировании белков. Без нее невозможен синтез дочерней молекулы кислоты, которая была бы идентичной материнской. Без нее невозможно было представить себе деление клеток, ведь в ходе деления материнской клетки каждая новая клетка получает по одной копии ДНК, которая есть всегда одинаковой. Комплементарность обеспечивает передачу генетической информации от поколения к поколению. Это же позволяет понять механизм образования мутаций, а также способов их предотвращения. Изучения взаимодополняемости дало основание утверждать, что репликация дезоксирибонуклеиновой кислоты является важнейшим событием для деления клетки, синтеза белка. Использование комплементарности в генетике и медицинеЭто явление сегодня очень широко используется для внедрения в практическую медицину ДНК-технологий. Оно позволило подробнее изучить механизм развития наследственных болезней, анализировать основы их патогенеза. Вот некоторые области медицины и генетики, где успешно применяется такой принцип: Благодаря современным методам молекулярной медицины были созданы вакцины для борьбы с некоторыми формами гепатита, создан человеческий инсулин;Стало возможным восстанавливать нормальную свертываемость крови у больных гемофилией;В организм человека можно вводить полноценные гены, их фрагменты и таким образом корригировать некоторые нарушения обмена веществ;Стала возможной терапия некоторых форм иммунодефицита у детей;Разрабатываются эффективные методики лечения больных фенилкетонурией, муковисцидозом, гиперхолестеринемией и другими тяжелыми наследственными болезнями;Проводятся исследования человеческих генов.

Перспективы развития исследований 

На современном этапе развития медицины и генетики взаимодополняемость получает свое широкое применение во многих исследованиях. Так, она позволяет устанавливать, внедрять в лечебную практику такие основополагающие принципы функционирования живых организмов, как саморегуляция, взаимоотношение функциональных систем, организации функций и проч.

Комплементарность позволяет использовать такие методы лечения, которые были бы направлены как бы «внутрь» организма, с использованием его компенсаторных возможностей.

 Изучение нуклеотидов дает большие возможности внедрять в основные методы лечения самые последние достижения генной инженерии с тем, чтобы побороть тяжелые наследственные болезни и обеспечить больным полноценную жизнь.

Интересные факты о взаимодополняемости

В ходе исследований выяснились такие интересные факты: В человеческом геноме свыше трех миллиардов «букв» – нуклеотидов;Только лишь один их процент кодирует белки;Всего у человека свыше двадцати тысяч генов;Человеческий геном хранится в каждой(!) клетке;Около четырех пятых всего генома «переписывается» на РНК – рибонуклеиновую кислоту;В ДНК имеется огромное количество вспомогательных участков, контролирующих весь сложнейший процесс кодировки и синтеза белка.Впрочем, возможности комплементарности для изучения нашего генома до конца не исследованы, так что перед нами – новые открытия, связанные с генетикой.

Днк (дезоксирибонуклеиновая кислота)

ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) — это линейный органический полимер, мономерными звеньями которого являются нуклиатиды.

Вся информация о строении и функционировании любого живого организма содержится в закодированном виде в его генетическом материале. Основу генетического материала организма составляет дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК).

ДНК большинства организмов – это длинная двухцепочечная полимерная молекула.

 Последовательность мономерных звеньев (дезоксирибонуклеотидов) в одной ее цепи соответствует (комплементарна) последовательности дезоксирибонуклеотидов в другой.

Принцип комплементарности обеспечивает синтез новых молекул ДНК, идентичных исходным, при их удвоении (репликации).

Участок молекулы ДНК, кодирующий определенный признак, – ген.

Гены – это индивидуальные генетические элементы, имеющие строго специфичную нуклеотидную последовательность, и кодирующие определенные признаки организма. Одни из них кодируют белки,  другие — только молекулы РНК.

Информация, которая содержится в генах, кодирующих белки (структурных генах), расшифровывается в ходе двух последовательных процессов:

• синтеза РНК (транскрипции): на определенном участке ДНК как на матрице синтезируется матричная РНК (мРНК).
• синтеза белка (трансляции): В ходе согласованной работы многокомпонентной системы при участии транспортных РНК (тРНК), мРНК, ферментов и различных белковых факторов осуществляется синтез белковой молекулы.

Все эти процессы обеспечивают правильный перевод зашифрованной в ДНК генетической информации с языка нуклеотидов на язык аминокислот. Аминокислотная последовательность белковой молекулы определяет ее структуру и функции.

Строение ДНК

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

• азотистого основания;
• пятиуглеродного сахара (пентозы);
• фосфатной группы (рисунок 1).
  Рисунок 1 : ДНК – строение одной цепочки нуклеотидов

При этом,  фосфатная группа присоединена к 5′-атому углерода моносахаридного остатка,  а  органическое основание — к 1′-атому.

Основания в ДНК бывают двух типов:

• Пуриновые: аденин ( А ) и гуанин (G);
• Пиримидиновые: цитозин (С) и тимин (Т);(рисунок 2),
  Рисунок 2: Азотистые основания- пуриновые и пиримидиновые

Строение нуклеотидов в молекуле ДНК

В ДНК моносахарид представлен  2′-дезоксирибозой, содержащей только 1 гидроксильную группу (ОН),  а  в РНК — рибозой, имеющей 2 гидроксильные группы (OH).

Нуклеотиды соединены друг с другом фосфодиэфирными связями, при этом фосфатная группа 5′-углеродного атома одного нуклеотида связана с З’-ОН-группой дезоксирибозы соседнего нуклеотида (рисунок 1). На одном конце полинуклеотидной цепи находится З’-ОН-группа (З’-конец),  а  на другом — 5′-фосфатная группа (5′-конец).

Уровни структуры ДНК

Принято выделять 3 уровня структуры ДНК:

• первичную;
• вторичную;
• 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.

 Правило Чаргаффа

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

1. У ДНК молярные доли пуриновых и пиримидиновых оснований равны: А+ G = C + Т  или (А + G)/(C + Т)=1.
2. 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
3. Правило эквивалентности, то есть : А=Т, Г=Ц; А/Т = 1;  Г/Ц=1.
4. 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.

Модель ДНК Уотсона-Крика

Б 1953 г. Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик, основываясь на данных рентгеноструктурного анализа кристаллов ДНК, пришли к выводу, что нативная ДНК состоит из двух полимерных цепей, образующих двойную спираль (рисунок 3).

Навитые одна на другую полинуклеотидные цепи удерживаются вместе водородными связями, образующимися между комплементарными основаниями противоположных цепей (рисунок 3).

При этом аденин образует пару только с тимином,  а  гуанин — с цитозином.

Пара оснований  А—Т  стабилизируется двумя водородными связями,  а  пара G—С — тремя.

Длина двухцепочечной ДНК обычно измеряется числом пар комплементарных нуклеотидов (п.н.). Для молекул ДНК, состоящих из тысяч или миллионов пар нуклеотидов, приняты единицы т.п.н. и м.п.н. соответственно. Например, ДНК хромосомы 1 человека представляет собой одну двойную спираль длиной 263 м.п.н.

Сахарофосфатный остов молекулы, который состоит из фосфатных групп и дезоксирибозных остатков, соединенных 5’—З’-фосфодиэфирными связями, образует «боковины винтовой лестницы»,  а  пары оснований  А—Т  и G—С — ее ступеньки (рисунок 3).

Рисунок 3: Модель ДНК Уотсона-Крика

Цепи молекулы ДНК антипараллельны: одна из них имеет направление 3’→5′, другая 5’→3′.

В соответствии с принципом комплементарности, если в одной из цепей имеется нуклеотидная последовательность 5-TAGGCAT-3′, то в комплементарной цепи в этом месте должна находиться последовательность 3′-ATCCGTA-5′. В этом случае двухцепочечная форма будет выглядеть следующим образом:

• 5′-TAGGCAT-3′
• 3-ATCCGTA-5′.

1. В такой записи 5′-конец верхней цепи всегда располагают слева,  а  3′-конец — справа.
2. Носитель генетической информации должен удовлетворять двум основным требованиям: воспроизводиться (реплицироваться) с высокой точностью и детерминировать (кодировать) синтез белковых молекул.
3. Модель ДНК Уотсона—Крика полностью отвечает этим требованиям, так как:

• согласно принципу комплементарности каждая цепь ДНК может служить матрицей для образования новой комплементарной цепи. Следовательно, после одного раунда репликации образуются две дочерние молекулы, каждая из которых имеет такую же нуклеотидную последовательность, как исходная молекула ДНК.
• нуклеотидная последовательность структурного гена однозначно задает аминокислотную последовательность кодируемого ею белка.

Интересные факты о ДНК

1. Одна молекула ДНК человека вмещает порядка 1,5 гигабайта информации. При этом, ДНК всех клеток человеческого организма занимают 60 млрд. терабайт, что сохраняются на 150-160 граммах ДНК. [2]
2. Международный день ДНК отмечается 25 апреля.

   Именно в этот день в 1953 году Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик опубликовали в журнале Nature свою статью под названием «Молекулярная структура нуклеиновых кислот», где описали двойную спираль молекулы ДНК.

   [3]

Список литературы: Молекулярная биотехнология: принципы и применение, Б.Глик, Дж. Пастернак, 2002 год Б.Глик, Дж. Пастернак, Источник: Молекулярная биотехнология: принципы и применение, Б.Глик, Дж. Пастернак, 2002 год [2] MPlast.

by – портал: “ДНК 1 клетки человека вмещает 1,5 гигабайта информации – лучший винчестер на планете” – 27 апреля 2016 года [3] Журнал NATURE: “Molecular Structure of Nucleic Acids” – 25 апреля 1953 года Дата в источнике: 2002 год

Дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК) и Принцип комплементарности • биология-в.рф

Дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК) и Принцип комплементарности

Дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК)

Основная часть ДНК сосредоточена в хромосомах клетки. Незначительная ее часть находится в митохондриях и пластидах. У прокариот – кольцевая ДНК, плазмиды.  ДНК – это длинная полинуклеотидная цепь, которая может достигать 10 м.  Соответственно, она имеет большую молекулярную массу. В ядре ДНК размещается благодаря образованию компактной структуры.

Происходит это из-за взаимодействия с основными белками – гистонами (от греч. гистос – ткань). Гистоны одинаковые почти у всех эукариот. Двойная спираль ДНК намотана на молекулы пистонов, образующих сердцевину, и сокращается почти в пять раз. Образуется нуклеосома (от лат .nucleus – ядро от греч. сома – тело).

Нуклеосомы взаимодействуют с другими белками и образуют спираль высшего уровня.

Первооткрыватели структуры ДНК

Американский биохимик Дж. Уотсон и английский генетик Ф. Крик в 1953 году предложили модель пространственной структуры ДНК. Позднее она была подтверждена экспериментально. ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей.

Они соединены между собой водородными связями, которые образуются между нуклеотидами: два – между аденином и тимином, три – между цитозином и гуанином. Каждый нуклеотид расположен в плоскости, которая перпендикулярна оси спирали.

Две полинуклеотидные цепи ДНК, в соответствии с предложенной моделью, образуют правозакрученую спираль – вторичную структуру ДНК. Спирали ДНК разнонаправлены. Между азотистыми основаниями расстояние составляет 0,34 нм.

Шаг спирали равняется 3,4 нм и содержит десять пар азотистых оснований, диаметр спирали составляет около 2 нм. Спираль ДНК может испытывать пространственное уплотнение и формировать суперспираль – третичную структуру.

Это возможно потому, что ДНК соединяется с ядерными белками.

Последним уровнем структурной организации ДНК является хромосома, которая наиболее компактна в период деления. У многих прокариот, некоторых вирусов, в митохондриях и хлоропластах эукариот ДНК имеет кольцевую структуру и не соединяется с белками.

Американский ученый Э. Чаргафф и его коллеги в 1950 году исследовали состав ДНК и обнаружили определенные закономерности. Правило Э. Чаргаффа (для ДНК): число адениловых нуклеотидов равняется количеству тимидиловых, а гуаниловых количеству цитозидиловых, то есть А = Т, Г = Ц, или А + Г (Ц) = Т + Ц (Г). Соотношение (А + Г)/ (Т + Ц) = 1.

Принцип комплементарности

Принцип комплементарности (от лат. complementum – дополнение) – это правило строгого соответствия: аденина (А) – тимину (Т) или урацилу (У), гуанина (Г) – цитозину (Ц).

Молекулы ДНК способны к самоудвоению – репликации (от англ. replica – отражение), редупликации (от лат. duplicatio– удвоение). В основе ее лежит принцип комплементарности. В новообразованной цепи последовательность нуклеотидов определяется их последовательностью в цепи первичной молекулы ДНК.

Одна цепь принадлежит материнской молекуле, вторая – синтезируется. Такой метод называется полуконсервативным. Синтез новых цепей катализируется ферментом ДНК-полимеразой. Фермент этот движется вдоль каждой цепи от З’-конца до 5′-конца.  Репликация начинается одновременно на многих участках ДНК.

 Синтезированные участки ДНК собираются потом в единое целое. Удвоение происходит в синтетический период интерфазы. Скорость репликации ДНК у млекопитающих составляет приблизительно 50 нуклеотидов в секунду. Под влиянием внешних факторов могут возникнуть любые повреждения. Они могут быть исправлены на матрице второй цепи.

Соответствующие ферменты удаляют поврежденные участки, встраивают новые. Этот процесс называется репарацией.

Двухспиральная ДНК полностью или частично может распадаться на отдельные цепи и терять биологическую активность при определенных условиях (действие кислот, щелочей, высоких или низких температур и т. п.).

Происходит процесс денатурации ДНК, то есть разрыв водородных связей между комплементарными азотистыми основаниями.

После прекращения действия факторов ДНК может восстановить двухспиральное строение, то есть может происходить процесс ренатурации.

Функции ДНК

Сохраняет, воссоздает наследственную информацию, во время деления материнской клетки обеспечивает ее передачу дочерним клеткам, из нее происходит синтез белка. Количество ДНК в клетке является видовым признаком.

Молекулярный уровеньУровни организации живого

ЕГЭ. Принцип комлементарности. Репликация ДНК

Приветствую друзья, продолжаем разбирать теорию связанную с генетическим кодом клетки. В прошлой статье мы узнали как клетка хранит и использует свой генетический материал, а сегодня поговорим о процессах, которые сопутствуют этому.

Мы помним, что гены – это всего лишь информация о структуре каких-либо белков. Каждый ген (небольшой участок ДНК) отвечает за их сборку (синтез) на рибосомах (органеллы, где происходит сборка белков из аминокислот).

Процессы транскрипции и трансляции в клетке (с) картинка из интернета Процессы транскрипции и трансляции в клетке (с) картинка из интернета

Все эти процессы: удвоения ДНК (репликация), переписывания ДНК на информационную РНК (транскрипция) и сборки белка из аминокислот в рибосомах за счёт тРНК (трансляция) и называются реакциями матричного синтеза.

Реакции матричного синтеза. Репликация. Транскрипция. Трансляция. Реакции матричного синтеза. Репликация. Транскрипция. Трансляция.

Не стоит бояться в этой схеме словосочетания “нуклеиновые кислоты” – это просто обобщённое название для всех ДНК и РНК в клетке. Они так называются, потому что чаще всего находятся в ядре (от лат. nucleus — ядро).

Принцип комплементарности и репликация ДНК

Поскольку процесс создания (синтеза) белка начинается с процесса переписывания (транскрипция) его структуры молекулой иРНК с ДНК, то очень важно, чтобы запись начиналась и заканчивалась в строго определенных местах. Тогда получившийся белок будет “полноценным” и сможет корректно выполнять свои биологические функции.

Для этого и существует принцип комплементарности. Он позволяет парам нуклеотидов (из которых и состоит ДНК) связываться только с подходящими для них молекулами.

Принцип комплементарности для ДНК. Тимин комплементарен аденину (двойная связь), гуанин комплементарен цитозину (тройная связь) (с) картинка из интернета Принцип комплементарности для ДНК. Тимин комплементарен аденину (двойная связь), гуанин комплементарен цитозину (тройная связь) (с) картинка из интернета

У РНК есть свои особенности, это необходимо для того, чтобы клетка могла отличить её от ДНК, поэтому в ней молекулы Тимина (Т) заменены на молекулы Урацила (У). Получается, что при переписывании (транскрипции) гена вместо пары А=Т, получается пара А=У, остальное происходит без изменений. Посмотрите пример ниже для лучшего понимания.

Принцип комплементарности для РНК. Аденин комплиментарен Урацилу. Гуанин комлементарен Цитозину. Принцип комплементарности для РНК. Аденин комплиментарен Урацилу. Гуанин комлементарен Цитозину.

При делении клетки, ей необходимо удвоить свою генетическую информацию (для того, чтобы каждая новая клетка имела полный набор генов).

Это и называется процессом репликации ДНК и возможно как раз таки за счёт принципа комлементарности.

Двойную цепь ДНК можно развернуть и достроить парными нуклеотидами получив уже две двойных (сестринских) цепи, которые будут абсолютно идентичны.

Процесс репликации. Удвоении ДНК клеткой перед делением (с) картинка из интернета Процесс репликации. Удвоении ДНК клеткой перед делением (с) картинка из интернета

Очень важно разбираться в процессах матричного синтеза. Данная тема обширно представлена в ЕГЭ как в B части, где требуется указать процентное соотношение тех или иных нуклеотидов в ДНК/РНК, так и в C части, где просят достроить комплементарную цепь и посмотреть какие белки на РНК в ней закодированы.

Эти и другие задания мы обязательно разберём на канале, а пока подписывайтесь, ставьте лайки (это продвигает публикацию и образовывает больше людей) и делитесь своими вопросами и мнением в х. Всем удачи 🙂

ДЕЗОКСИРИБОНУКЛЕИ́НОВЫЕ КИСЛО́ТЫ

Авторы: А. А. Богданов

ДЕЗОКСИРИБОНУКЛЕИ́НОВЫЕ КИС­ЛО́ТЫ (ДНК), нук­леи­но­вые ки­сло­ты, со­дер­жа­щие в ка­че­ст­ве уг­ле­вод­но­го ком­по­нен­та де­зок­си­ри­бо­зу. ДНК – осн.

ком­по­нент хро­мо­сом всех жи­вых ор­га­низ­мов, ве­ще­ст­во, из ко­то­ро­го по­строе­ны ге­но­мы всех про- и эу­ка­ри­от, а так­же вне­хро­мо­сом­ные на­следств. эле­мен­ты (плаз­ми­ды) и ге­но­мы мн. ви­ру­сов.

В клет­ках про­ка­ри­от ДНК ор­га­ни­зо­ва­на в ви­де ком­пакт­но­го об­ра­зо­ва­ния – нук­леои­да. У эу­ка­ри­от она со­дер­жит­ся в яд­рах кле­ток и в ор­га­нел­лах – ми­то­хон­д­ри­ях и хло­ро­пла­стах. В нук­лео­тид­ной по­сле­до­ва­тель­но­сти ДНК за­пи­са­на (ко­ди­ро­ва­на) ге­не­тич.

ин­фор­ма­ция о всех при­зна­ках ви­да и осо­бен­но­стях ин­ди­ви­дуу­ма. Все осн. ге­не­тич. про­цес­сы – ре­п­ли­ка­ция, транс­крип­ция и ре­ком­би­на­ция свя­за­ны с функ­цио­ни­ро­ва­ни­ем мо­ле­ку­лы ДНК.

Впер­вые ДНК в ви­де ком­плек­сов с бел­ка­ми (де­зок­си­ри­бо­нук­ле­о­про­теи­дов) бы­ла от­кры­та в 1868 И. Ф. Ми­ше­ром в яд­рах кле­ток гноя и спер­ме рыб. Дол­гое вре­мя счи­та­лось, что ДНК со­дер­жит­ся толь­ко в клет­ках жи­вот­ных, и лишь к сер. 1930-х гг. бы­ло до­ка­за­но (А. Н.

Бе­ло­зер­ский), что ДНК – не­пре­мен­ный ком­по­нент ка­ж­дой жи­вой клет­ки. В 1944 амер. мик­ро­био­лог О. Эй­ве­ри с со­труд­ни­ка­ми по­ка­за­ли, что с по­мо­щью ДНК, тща­тель­но очи­щен­ной от всех ос­таль­ных кле­точ­ных ком­по­нен­тов, на­сле­дуе­мый био­ло­гич. при­знак мо­жет быть пе­ре­не­сён из од­ной клет­ки в дру­гую.

Тем са­мым бы­ла оп­ре­де­ле­на био­ло­гич. функ­ция ДНК как ве­ще­ст­ва на­след­ст­вен­но­сти.

В кон. 19 – нач. 20 вв.

бы­ло ус­та­нов­ле­но, что ДНК пред­став­ля­ют со­бой по­ли­мер­ные мо­ле­ку­лы, мо­но­мер­ны­ми со­став­ляю­щи­ми ко­то­рых слу­жат де­зок­си­ри­бо­нук­ле­о­ти­ды, со­дер­жа­щие ос­тат­ки де­зок­си­ри­бо­зы, фос­фор­ной ки­сло­ты и од­но из че­ты­рёх азо­ти­стых ос­но­ва­ний: пу­ри­но­вых – гуа­ни­на (G) и аде­ни­на (А) и пи­ри­ми­ди­но­вых – ци­то­зи­на (C) и ти­ми­на (Т). В кон. 1940-х – нач. 1950-х гг. в ла­бо­ра­то­рии А. Тод­да бы­ло до­ка­за­но, что един­ст­вен­ным ти­пом меж­нук­лео­тид­ной свя­зи в по­ли­мер­ных це­пях ДНК яв­ля­ет­ся 3'–5'-фос­фо­ди­эфир­ная связь. В это же вре­мя Э. Чар­гафф с со­труд­ни­ка­ми вы­яс­ни­ли осн. за­ко­но­мер­но­сти нук­лео­тид­но­го со­ста­ва ДНК (пра­ви­ла Чар­гаф­фа), наи­бо­лее важ­ная из ко­то­рых – ра­вен­ст­во со­дер­жа­ния ос­тат­ков аде­ни­на и ти­ми­на (А = Т), а так­же гуа­ни­на и ци­то­зи­на (G = C).

Ос­но­вы­ва­ясь на этих дан­ных, в 1953 Дж. Уот­сон и Ф. Крик рас­шиф­ро­ва­ли рент­ге­но­грам­мы кри­стал­лов ДНК, по­лу­чен­ные в ла­бо­ра­то­ри­ях Р. Франк­лин и М. Уил­кин­са, и сде­ла­ли од­но из вы­даю­щих­ся от­кры­тий совр. ес­те­ст­во­зна­ния.

Они ус­та­но­ви­ли, что мо­ле­ку­ла ДНК пред­став­ля­ет со­бой ре­гу­ляр­ную спи­раль, со­стоя­щую из двух по­ли­нук­лео­тид­ных це­пей (двой­ная спи­раль). Диа­метр спи­ра­ли по­стоя­нен на про­тя­же­нии всей её дли­ны и ра­вен при­мер­но 2 нм. Дли­на вит­ка спи­ра­ли со­став­ля­ет 3,4 нм. На один ви­ток в од­ной це­пи при­хо­дит­ся при­мер­но 10 нук­лео­тид­ных ос­тат­ков, т. е.

меж­нук­лео­тид­ное рас­стоя­ние вдоль оси спи­ра­ли рав­но 0,34 нм. Азо­ти­стые ос­но­ва­ния в двой­ной спи­ра­ли ДНК ле­жат в од­ной плос­ко­сти, ко­то­рая прак­ти­че­ски пер­пен­ди­ку­ляр­на её гл. оси.

При этом ос­но­ва­ния, при­над­ле­жа­щие раз­ным це­пям и на­хо­дя­щие­ся на­про­тив друг дру­га, об­ра­зу­ют ком­пле­мен­тар­ные па­ры, ста­би­ли­зи­ро­ван­ные во­до­род­ны­ми свя­зя­ми та­ким об­ра­зом, что аде­нин все­гда спа­рен толь­ко с ти­ми­ном, а гуа­нин – с ци­то­зи­ном (па­ры G – C свя­за­ны ме­ж­ду со­бой тре­мя во­до­род­ны­ми свя­зя­ми, а па­ры А – Т лишь дву­мя).

Для ста­би­ли­за­ции струк­ту­ры двой­ной спи­ра­ли ДНК важ­ное зна­че­ние име­ют так­же взаи­мо­дей­ст­вия ме­ж­ду плос­ко­стя­ми со­сед­них ос­но­ва­ний, при­над­ле­жа­щих од­ной и той же це­пи (т. н. стэ­кинг-взаи­мо­дей­ст­вия, от англ. stack – стог, скла­ды­вать в стог, рас­по­ла­гать один над дру­гим).

Из мо­де­ли двой­ной спи­ра­ли Уот­со­на – Кри­ка пря­мо вы­те­ка­ет прин­цип са­мо­вос­про­из­ве­де­ния (уд­вое­ния, ре­п­ли­ка­ции) мо­ле­ку­лы ДНК (а сле­до­ва­тель­но, и лю­бо­го ге­не­тич.

ма­те­риа­ла): ес­ли две ком­пле­мен­тар­ные це­пи ДНК раз­де­лить, а за­тем на ка­ж­дой, как на мат­ри­це, по­стро­ить но­вые, стро­го ком­пле­мен­тар­ные им це­пи, то две до­чер­ние дву­спи­раль­ные мо­ле­ку­лы бу­дут иден­тич­ны ма­те­рин­ской.

От­кры­тие это­го прин­ци­па по­зво­ли­ло на мо­ле­ку­ляр­ном уров­не объ­яс­нить яв­ле­ние на­след­ст­вен­но­сти и по­ло­жи­ло на­ча­ло мо­ле­ку­ляр­ной био­ло­гии. Прин­цип ком­пле­мен­тар­но­го спа­ри­ва­ния ос­но­ва­ний нук­леи­но­вых ки­слот ле­жит в ос­но­ве всех про­цес­сов пе­ре­да­чи ге­не­тич. ин­фор­ма­ции в клет­ке.

В двой­ной спи­ра­ли ДНК са­ха­ро­фос­фат­ный ос­тов по­ли­нук­лео­тид­ных це­пей об­ра­щён на­ру­жу, а на по­верх­но­сти спи­ра­ли мож­но вы­де­лить две бо­розд­ки: боль­шую – ши­ри­ной 2,2 нм и ма­лую – ши­ри­ной 1,2 нм. Двой­ная спи­раль ДНК, опи­сан­ная Дж.

 Уот­со­ном и Ф. Кри­ком, – пра­во­зак­ру­чен­ная, а по­ли­нук­лео­тид­ные це­пи в ней ан­ти­па­рал­лель­ны, т. е. на­прав­ле­ны в про­ти­во­по­лож­ные сто­ро­ны, так что 3'-ко­нец од­ной це­пи рас­по­ла­га­ет­ся на­про­тив 5'-кон­ца дру­гой.

Она бы­ла на­зва­на В-фор­мой ДНК.

Ока­за­лось, од­на­ко, что двой­ная спи­раль ДНК ха­рак­те­ри­зу­ет­ся су­ще­ст­вен­ным по­ли­мор­физ­мом и при из­ме­не­нии внеш­них ус­ло­вий мо­жет при­ни­мать про­стран­ст­вен­ную струк­ту­ру (кон­фор­ма­цию), от­лич­ную от уот­сон-кри­ков­ской В-фор­мы. Так, при по­ни­же­нии влаж­но­сти в пре­па­ра­те или, напр.

, при до­бав­ле­нии спир­та к вод­но­му ра­ст­во­ру ДНК она пе­ре­хо­дит в т. н.

А-фор­му, от­ли­чаю­щую­ся от В-фор­мы ши­ри­ной и глу­би­ной бо­роз­док, уве­ли­че­ни­ем диа­мет­ра спи­ра­ли, сме­ще­ни­ем пар ос­но­ва­ний к пе­ри­фе­рии спи­ра­ли и их за­мет­ным на­кло­ном по от­но­ше­нию к оси спи­ра­ли, а внут­ри неё об­ра­зу­ет­ся по­лость диа­мет­ром 0,4 нм.

В ос­но­ве этих струк­тур­ных пре­вра­ще­ний ле­жит из­ме­не­ние кон­фор­ма­ции ос­тат­ка де­зок­си­ри­бо­зы, что, в свою оче­редь, ве­дёт к из­ме­не­нию рас­стоя­ния ме­ж­ду фос­фат­ны­ми груп­па­ми со­сед­них нук­лео­тид­ных ос­тат­ков од­ной це­пи.

При вы­со­кой кон­цен­тра­ции со­лей уча­ст­ки двой­ных спи­ра­лей ДНК с че­ре­дую­щи­ми­ся нук­лео­тид­ны­ми по­сле­до­ва­тель­но­стя­ми ти­па мно­го­крат­но по­вто­ряю­ще­го­ся гуа­но­зин-ци­то­зи­но­во­го ди­нук­ле­о­ти­да (GC) из пра­во­зак­ру­чен­ной фор­мы пе­ре­хо­дят в ле­во­зак­ру­чен­ную.

У этой фор­мы ДНК ли­ния, со­еди­няю­щая фос­фат­ные груп­пы, че­рез ка­ж­дые две па­ры име­ет из­лом и при­ни­ма­ет зиг­за­го­об­раз­ный вид. Та­кая кон­фор­ма­ция ДНК на­зы­ва­ет­ся Z-фор­мой (от англ. zigzag). Хо­тя по­ли­мор­физм ДНК мо­жет иг­рать су­ще­ст­вен­ную роль в ре­гу­ля­ции ак­тив­но­сти ге­нов, пря­мых дан­ных о на­ли­чии у двой­ной спи­ра­ли ДНК in vivo иных кон­фор­ма­ций, кро­ме В-фор­мы, по­ка нет.

Важ­ным свой­ст­вом двой­ных спи­ра­лей ДНК яв­ля­ет­ся их мик­ро­ге­те­ро­ген­ность, об­на­ру­жи­вае­мая рент­ге­но­ст­рук­тур­ным ана­ли­зом вы­со­ко­го раз­ре­ше­ния.

Она обу­слов­ле­на тон­ки­ми раз­ли­чия­ми в кон­фор­ма­ции нук­лео­тид­ных ос­тат­ков, по­яв­ле­ние ко­то­рых за­ви­сит от по­сле­до­ва­тель­но­сти рас­по­ло­же­ния нук­лео­ти­дов в це­пи, и про­яв­ля­ет­ся в об­ра­зо­ва­нии ха­рак­тер­ных из­ги­бов и из­ло­мов.

Та­кие осо­бен­но­сти струк­ту­ры мо­ле­ку­лы ДНК, не­со­мнен­но, долж­ны быть свя­за­ны с её функ­цио­ни­ро­ва­ни­ем.

При на­ли­чии в мо­ле­ку­ле ДНК по­вто­ряю­щих­ся по­сле­до­ва­тель­но­стей (па­лин­дро­мов) мо­гут фор­ми­ро­вать­ся па­ры не толь­ко ме­ж­ду ос­но­ва­ния­ми про­ти­во­по­лож­ных це­пей, но и в пре­де­лах од­ной це­пи, что соз­да­ёт воз­мож­ность об­ра­зо­ва­ния свя­зан­ных во­до­род­ны­ми свя­зя­ми свое­об­раз­ных шпи­лек с пет­ля­ми.

При по­вы­ше­нии темп-ры или рН раст­во­ров ДНК, в при­сут­ст­вии ря­да ор­га­нич. ве­ществ и др. со­еди­не­ний про­ис­хо­дит де­на­ту­ра­ция ДНК – раз­рыв во­до­род­ных свя­зей ме­ж­ду па­ра­ми ос­но­ва­ний и раз­ру­ше­ние ре­гу­ляр­ной струк­ту­ры двой­ной спи­ра­ли, ко­то­рое за­вер­ша­ет­ся пол­ным раз­де­ле­ни­ем це­пей.

Бла­го­да­ря коо­пе­ра­тив­но­му ха­рак­те­ру внут­ри­мо­ле­ку­ляр­ных взаи­мо­дей­ст­вий, ста­би­ли­зи­рую­щих двой­ную спи­раль, этот про­цесс на­по­ми­на­ет фа­зо­вый пе­ре­ход и по­это­му на­зы­ва­ет­ся плав­ле­ни­ем ДНК. В ус­ло­ви­ях, оп­ти­маль­ных для об­ра­зо­ва­ния двой­ной спи­ра­ли, отд.

ком­пле­мен­тар­ные це­пи ДНК спо­соб­ны ре­ас­со­ции­ро­вать с вос­ста­нов­ле­ни­ем ис­ход­ной дву­спи­раль­ной струк­ту­ры (ре­на­ту­ра­ция ДНК).

Это свой­ст­во ле­жит в ос­но­ве ме­то­да мо­ле­ку­ляр­ной гиб­ри­ди­за­ции нук­леи­но­вых ки­слот, ко­то­рый по­зво­ля­ет вы­яв­лять сте­пень сход­ст­ва нук­лео­тид­ных по­сле­до­ва­тель­но­стей мо­ле­кул ДНК или ДНК и РНК, осо­бен­но­сти их ор­га­ни­за­ции, в т. ч. на­ли­чие и чис­ло по­вто­ров (см. Нук­лео­тид­ные по­сле­до­ва­тель­но­сти).

По­сле­до­ва­тель­ность че­ре­до­ва­ния нук­лео­тид­ных ос­тат­ков в ДНК (пер­вич­ная струк­ту­ра) у раз­ных ор­га­низ­мов стро­го ин­ди­ви­ду­аль­на и слу­жит важ­ней­шей ха­рак­те­ри­сти­кой, от­ли­чаю­щей од­ну мо­ле­ку­лу ДНК от дру­гой и со­от­вет­ст­вен­но один ген или один ре­гу­ля­тор­ный ге­не­тич. эле­мент от дру­го­го.

Раз­ме­ры мо­ле­кул ДНК варь­и­ру­ют от не­сколь­ких ты­сяч пар нук­лео­ти­дов (т. п. н.) у плаз­мид и не­ко­то­рых ви­ру­сов до со­тен т. п. н. у выс­ших ор­га­низ­мов. Со­дер­жа­ние ДНК в раз­ных ор­га­низ­мах так­же раз­лич­но и по чис­лу об­ра­зую­щих её нук­лео­ти­дов со­став­ля­ет от 5·106 у бак­те­рий до 2·1011 пар нук­лео­ти­дов (п. н.

) у выс­ших рас­те­ний (в рас­чё­те на га­п­ло­ид­ный ге­ном). Эти ги­гант­ские мо­ле­ку­лы чрез­вы­чай­но ком­пакт­но упа­ко­ва­ны в клет­ках или ви­ру­сах. В про­ка­рио­тич. нук­лео­ти­де та­кая ук­лад­ка под­дер­жи­ва­ет­ся не­боль­шим ко­ли­че­ст­вом спец. бел­ков и, ве­ро­ят­но, ри­бо­нук­леи­но­вы­ми ки­сло­та­ми (РНК). Опи­са­но неск.

уров­ней упа­ков­ки эу­ка­рио­ти­че­ской ДНК с по­мо­щью уни­вер­саль­но­го на­бо­ра гис­то­нов и не­ко­то­рых не­гис­то­но­вых бел­ков, при­во­дя­щих к об­ра­зо­ва­нию осн. ком­по­нен­та хро­мо­со­мы – хро­ма­ти­на. Напр.

, дли­на ДНК са­мой боль­шой хро­мо­со­мы че­ло­ве­ка рав­на 8 см, но в хро­мо­со­ме (в со­стоя­нии ми­то­за) она не пре­вы­ша­ет 5 мкм.

В яд­рах эу­ка­ри­от (за ис­клю­че­ни­ем га­мет) ДНК пред­став­ле­на дву­мя ко­пия­ми. Ка­ж­дая про- и эу­ка­рио­ти­че­ская хро­мо­со­ма со­дер­жит толь­ко од­ну мо­ле­ку­лу дву­спи­раль­ной ДНК.

Ге­ном по­дав­ляю­ще­го боль­шин­ст­ва ви­ру­сов так­же пред­став­лен дву­спи­раль­ной ДНК, и лишь не­ко­то­рые фа­ги в ка­че­ст­ве ге­ном­ной со­дер­жат од­но­тя­же­вую коль­це­вую или ли­ней­ную мо­ле­ку­лу ДНК.

В коль­цо замк­ну­ты мо­ле­ку­лы дву­ни­те­вых ДНК про­ка­рио­тич. хро­мо­со­мы, плаз­мид и мн. ви­ру­сов, ДНК ми­то­хон­д­рий и хло­ро­пла­стов. При этом ес­ли цепь ко­ва­лент­но-не­пре­рыв­на (т. е. все фос­фо­ди­эфир­ные свя­зи замк­ну­ты), то цик­лич.

ДНК мо­гут на­хо­дить­ся в сверх­спи­ра­ли­зо­ван­ной фор­ме, ко­гда ни­ти двой­ной спи­ра­ли мно­го­крат­но за­це­п­ле­ны друг с дру­гом. В клет­ке сверх­вит­ки соз­да­ют­ся и раз­ру­ша­ют­ся фер­мен­та­ми то­пои­зо­ме­ра­за­ми.

Цик­ли­че­ская сверх­спи­ра­ли­зо­ван­ная ДНК об­ла­да­ет оп­ре­де­лён­ным за­па­сом энер­гии по срав­не­нию с её ли­ней­ной фор­мой, по­это­му об­ра­зо­ва­ние сверх­вит­ков важ­но для функ­цио­ни­ро­ва­ния ДНК (напр., по­зво­ля­ет раз­ре­шать то­по­ло­гич. труд­но­сти, воз­ни­каю­щие при ре­п­ли­ка­ции).

Кро­ме то­го, бла­го­да­ря на­ли­чию сверх­вит­ков мо­гут об­ра­зо­вы­вать­ся не­обыч­ные струк­ту­ры в её мак­ро­мо­ле­ку­ле: кре­сто­об­раз­ные струк­ту­ры (в па­лин­дро­мах), Z-фор­ма, три­ни­те­вые уча­ст­ки, или т. н. Н-фор­ма (в го­мо­пу­рин-го­мо­пи­ри­ми­ди­но­вых бло­ках).

Био­син­тез ДНК (ре­п­ли­ка­ция) осу­ще­ст­в­ля­ет­ся пу­тём мат­рич­но­го син­те­за при уча­стии фер­мен­тов ДНК-по­ли­ме­раз со­вме­ст­но с боль­шой груп­пой вспо­мо­гат. бел­ков и на­хо­дит­ся под кон­тро­лем спец. ре­гу­ля­тор­ных сис­тем клет­ки.

In vitro лю­бой уча­сток ДНК мо­жет быть ам­пли­фи­ци­ро­ван с по­мо­щью по­ли­ме­раз­ной цеп­ной ре­ак­ции.

В хо­де ре­п­ли­ка­ции in vivo, а так­же по­сле её окон­ча­ния про­ис­хо­дит ме­ти­ли­ро­ва­ние не­боль­шо­го чис­ла оп­ре­де­лён­ных ос­тат­ков ци­то­зи­на с об­ра­зо­ва­ни­ем 5-ме­тил­ци­то­зи­на, пред­став­ляю­щее со­бой спе­ци­фич.

про­цесс мо­ди­фи­ка­ции ДНК, не­по­сред­ст­вен­но свя­зан­ный с её по­сле­дую­щим функ­цио­ни­ро­ва­ни­ем. Ме­ти­ли­ро­ва­ние и де­ме­ти­ли­ро­ва­ние ДНК иг­ра­ют важ­ную роль в про­цес­сах эм­брио- и га­ме­то­ге­не­за.

В хо­де жиз­не­дея­тель­но­сти ор­га­низ­мов их ДНК под влия­ни­ем внеш­них фак­то­ров мо­жет под­вер­гать­ся разл. по­вре­ж­даю­щим воз­дей­ст­ви­ям, со­про­во­ж­даю­щим­ся на­ру­ше­ни­ем струк­ту­ры азо­ти­стых ос­но­ва­ний. В хо­де эво­лю­ции клет­ки вы­ра­бо­та­ли за­щит­ные ме­ха­низ­мы, обес­пе­чи­ваю­щие вос­ста­нов­ле­ние ис­ход­ной струк­ту­ры – ре­па­ра­цию ДНК.

В клет­ке ДНК рас­ще­п­ля­ет­ся спе­ци­фич. фер­мен­та­ми – де­зок­си­ри­бо­нук­леа­за­ми. Сре­ди них наи­бо­лее из­вест­ны эн­до­нук­леа­зы ре­ст­рик­ции, за­щи­щаю­щие клет­ку от чу­же­род­ной ДНК и ши­ро­ко при­ме­няе­мые в ге­не­тич. ин­же­не­рии.

В нач. 1970-х гг. Ф. Сен­ге­ром и др. бы­ли раз­ра­бо­та­ны эф­фек­тив­ные ме­то­ды оп­ре­де­ле­ния по­сле­до­ва­тель­но­сти нук­лео­ти­дов в мо­ле­ку­лах ДНК (см. Се­к­ве­ни­ро­ва­ние). В кон. 20 в. на ос­но­ве этих ме­то­дов соз­да­на мощ­ная ав­то­ма­ти­зир.

тех­но­ло­гия се­к­ве­ни­ро­ва­ния ДНК, с по­мо­щью ко­то­рой оп­ре­де­ле­на пер­вич­ная струк­ту­ра ДНК пол­ных ге­но­мов мн. ви­ру­сов, ми­то­хон­д­рий, хло­ро­пла­стов, бак­те­рий, рас­те­ний и жи­вот­ных. К 2004 бы­ло за­вер­ше­но оп­ре­де­ле­ние нук­лео­тид­ной по­сле­до­ва­тель­но­сти прак­ти­че­ски все­го ге­но­ма че­ло­ве­ка (бо­лее трёх млрд. п. н.).

Эти ра­бо­ты сти­му­ли­ро­ва­ли раз­ви­тие био­ин­фор­ма­ти­ки и по­ло­жи­ли на­ча­ло но­во­му раз­де­лу мо­ле­ку­ляр­ной ге­не­ти­ки – ге­но­ми­ке.

Ин­фор­ма­ция о нук­лео­тид­ных по­сле­до­ва­тель­но­стях ДНК ши­ро­ко ис­поль­зу­ет­ся при соз­да­нии ре­ком­би­нант­ных ДНК – мо­ле­кул с за­дан­ны­ми свой­ст­ва­ми, вклю­чаю­щих струк­тур­ные эле­мен­ты ДНК раз­ных ор­га­низ­мов (см. Ге­не­ти­че­ская ин­же­не­рия), а так­же при кон­ст­руи­ро­ва­нии но­вых бел­ков (см.

Бел­ко­вая ин­же­не­рия). Зна­ние пер­вич­ной струк­ту­ры ДНК важ­но при ана­ли­зе на­следств. и он­ко­ло­гич. за­бо­ле­ва­ний, иден­ти­фи­ка­ции лич­но­сти (см. ДНК-ти­пи­ро­ва­ние), при ам­пли­фи­ка­ции и вы­де­ле­нии оп­ре­де­лён­ных ге­нов, ре­гу­ля­тор­ных эле­мен­тов и др. функ­цио­наль­но важ­ных уча­ст­ков ДНК.