Молекула ДНК

Вообразим ситуацию. Нам надо напечатать книгу с некоторой матрицы. Но есть проблема. Матрица находится в одной комнате, а печатный станок – в другой. Причем, матрица такая большая, что в дверь не проходит. Как быть? Из этой ситуации есть выход. Мы можем с большой матрицы скопировать маленькую, которая свободно пройдет в дверь. Потом эту копию отнести в комнату, где находится печатный станок, и там напечатать страницы книги.

Нечто подобное происходит и в клетке. Белки быстро изнашиваются, и поэтому их необходимо постоянно возобновлять. Белки – очень сложные молекулы. Каждый белок представляет собой определенную последовательность аминокислот. Аминокислот ‒ двадцать, а вариантов их последовательного расположения практически бесконечное множество. И от этой последовательности зависит свойство белка. Любое нарушение в этой последовательности приведет к тому, что свойства белка изменятся настолько, что он будет бесполезным. Поэтому очень важно, чтобы белок собирался в правильной последовательности аминокислот. А для этого важно, чтобы информация о последовательности аминокислот в каждом белке организма где-то хранилась. Она хранится в ДНК, причем, в закодированном виде. Эти молекулы находятся в ядре клетки. Но они очень большие и через поры ядра пройти не могут. Однако в клетке существует еще один вид молекул, несущих наследственную информацию. Это РНК. Они замечательны тем, что, во-первых, способны копировать информацию с ДНК, и, во-вторых, могут свободно проходить через поры ядра и поэтому переносить информацию от ДНК в находящиеся в цитоплазме рибосомы ‒ в те органеллы, где белок собирается из отдельных аминокислот.

Итак, чтобы понять, как происходит синтез, т.е. строительство всех белков организма, надо рассмотреть:

1) как устроены молекулы ДНК и РНК, т.е. рассмотреть их структуру;

2) как информация о структуре белка кодируется, иными словами, что такое генетический код;

3) как закодированная информация о структуре белка переносится с ДНК на РНК, этот процесс называется транскрипцией;

4) как строится белок, этот процесс называется трансляцией.

Ответив на эти вопросы, мы рассмотрим, как происходит синтез белков организма. Однако с молекулой ДНК связан еще один важнейший процесс: информацию о структуре каждого белка организма надо передать последующему поколению. Этот процесс называется репликацией.

Структуру молекулы ДНК выяснили американские исследователи генетик Джеймс Уотсон (род. 1928) и физик Фрэнсис Крик (род. 1916). Свою модель они предложили в 1953 году. За выдающийся вклад в это открытие им была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине 1962 года.

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) представляет собой биополимер, мономером которого является нуклеотид. В состав каждого нуклеотида входят остаток фосфорной кислоты, соединенный с сахаром дезоксирибозой, который, в свою очередь, соединен с азотистым основанием. Азотистых оснований в молекуле ДНК четыре вида: аденин, тимин, гуанин и цитозин.

Молекула ДНК состоит из двух длинных цепей, сплетенных между собой в виде спирали, чаще всего, правозакрученной. Исключение составляют вирусы, которые содержат одноцепочную ДНК.

Фосфорная кислота и сахар, которые входят в состав нуклеотидов, образуют основу спирали. Азотистые основания располагаются перпендикулярно и образуют «мостики» между спиралями. Азотистые основания одной цепи соединяются с азотистыми основаниями другой цепи согласно принципу комплементарности, или соответствия.

Принцип комплементарности. В молекуле ДНК аденин соединяется только с тимином, гуанин – только с цитозином.

Азотистые основания оптимально соответствуют друг другу. Аденин и тимин соединяется двумя водородными связями, гуанин и цитозин – тремя. Поэтому на разрыв связи гуанин-цитозин требуется больше энергии. Одинаковые по размеру тимин и цитозин гораздо меньше аденина и гуанина. Пара тимин-цитозин была бы слишком мала, пора аденин-гуанин – слишком велика, и спираль ДНК искривилась бы.

Водородные связи непрочны. Они легко разрываются и так же легко восстанавливаются. Цепи двойной спирали под действием ферментов или при высокой температуре могут расходиться, как замок-молния.