ДНК — носитель наследственной информации

«Значение ДНК столь велико, что никакое знание о ней не будет полным». Ф.Крик.

ДНК — дезоксирибонуклеиновая кислота — биологическая макромолекула, носитель генети­ческой информации во всех эукариотических и прокариотических клетках и во многих вирусах.

В 1928 г. Ф.Гриффит обнаружил у пневмо­кокков явление трансформации (преобразование свойств бактерий). Он показал, что клетки неви­рулентных штаммов бактерий (шероховатые без капсул) приобретают свойства вирулентных (глад­ких с капсулами) штаммов, убитых нагреванием. Природа трансформирующего агента была уста­новлена Эвери, Мак-Леодом и Мак-Карти в 1944 г., им оказалась ДНК. Так открытие и изучение трансформации доказало роль ДНК как материального носителя наследственной информации, (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Трансформирующий фактор — это ДНК-

Трехмерная модель пространственного строе­ния двухцепочечной ДНК была описана в апрель­ском журнале Nature в 1953 г. Дж. Уотсоном, Френсисом Криком и Морисом Уилкинсом. Эти исследования легли в основу молекулярной био­логии, изучающей основные свойства и проявле­ния жизни на молекулярном уровне.

Структура ДНК — полимер, структурной еди­ницей которого является нуклеотид (рис. 2.2).

Нуклеотид состоит из азотистого основания пу-ринового: аденин (А) или гуанин (Г) или пирими-динового: цитозин (Ц) или тимин (Т), углевода дезоксирибозы (пятиуглеродное сахарное кольцо) и остатка фосфорной кислоты (НРО~). Двойная спираль ДНК правосторонняя. 10 пар оснований составляют полный оборот 360°, следовательно, каждая пара оснований повернута на 36 граду­сов вокруг спирали относительно следующей пары. Фосфатные группировки находятся снаружи спи­ралей, а основания — внутри и расположены с интервалом 34 нм. Цепи удерживаются вместе водородными связями между основаниями и за­кручены одна вокруг другой и вокруг общей оси.

Рис. 2.2. Строение ДНК.

В разработке модели ДНК важную роль сыг­рали наблюдения Чаргаффа (1949) о том, что ко­личественные отношения гаунина всегда равны содержанию цитозина, а содержание аденина со­ответствует содержанию тимина. Это положение было названо «правило Чаргаффа»:

т.е. пропорция пуриновых и пиримидиновых осно­ваний всегда равная.

Чаргаффом для характеристики нуклеотидного состава ДНК был предложен коэффициент спе­цифичности, учитывающий долю гуанин-цитозиновых пар:

Нуклеотиды соединены в полинуклеотидную цепь связями между 5' положения одного пентозного конца и 3' положения следующего пентозного кольца через фосфатную группу с образованием фосфодиэфирных мостиков, т.е. сахарно-фосфатный остов ДНК состоит из 5—3' связей. Генетическая информация записана в последовательности нуклеотидов в направлении от 5' конца к 3' концу — такая нить называется смысловой ДНК, здесь рас­положены гены. Вторая нить направления 3-5' счи­тается антисмысловой, но является необходимым «эталоном» хранения генетической информации. Антисмысловая нить играет большую роль в про­цессах репликации и репарации (восстановление структуры поврежденной ДНК). Основания в анти­параллельных нитях образуют за счет водородных связей комплементарные пары: А+Т; Г+Ц. Таким образом, структура одной нити определяет после­довательность нуклеотидов другой нити. Следова­тельно, последовательности оснований в нитях ДНК всегда антипараллельны и комплементарны.

Принцип комплементарности универсален для процессов репликации и транскрипции.

В настоящее время описаны несколько модификаций молекулы ДНК.

Полиморфизм ДНК —

это способность молекулы принимать различные конфигурации. В настоящее время описано 6 форм, часть которых может существовать только in vitro (в пробирке):

В-форма — имеет стандартную структуру, прак­тически соответствующую модели ДНК, которая была предложена Уотсоном, Криком и Уилкинсом, в физиологических условиях (низкая концен­трация солей, высокая степень гидратации) явля­ется доминирующим структурным типом.

А-форма — обнаружена в более обезвожен­ных средах и при более высоком содержании ионов калия и натрия. Интересна с биологической точки зрения, т.к. ее информация близка к структуре двухцепочечных ДНК, или для ДНК-РНК дуплексов.

С-форма — имеет меньше форм оснований на виток, чем В-форма. В этих трех формах могут находиться все ДНК независимо от нуклеотидной последовательности. Следующие формы характер­ны только для молекул ДНК с определенными последовательностями в парах оснований.

D- и Е-форма — возможны крайние варианты одной и той же формы, имеют наименьшее число пар оснований на виток (8 и 7.5). Обнаружены толь­ко в молекулах ДНК, не содержащих гуанина.

Z-форма — это зигзагообразная форма, с че­редованием лево- и правоспиральности. Эта фор­ма выявляется при наличии ряда факторов: высо­кая концентрация солей и наличие специфических катионов; высокое содержание отрицательных су­первитков в молекуле ДНК и других Z-ДНК встре­чается на участках, обогащенных парами Г—Ц. Показано, что Z-форма ДНК может участвовать в регуляции экспрессии генов как близко расположенных, так и существенно удаленных от Z-учас-тков, а также играть существенную роль в про­цессах рекомбинации.

Шотландский ученый Арнотт предположил: «Было бы удивительно, если бы в живой природе никак не использовалась эта способность ДНК — менять свою форму».

Некоторые из форм могут при определенных условиях, связанных с изменениями концентрации солей и степени гидратации, переходить друг в друга, например, А <-> В; а также Z <-> В. Пред­полагают, что взаимные переходы А- и В-форм регулируют работу генов. Показательно, что в ДНК человека имеются участки, потенциально способные переходить в Z-форму, которые диспер­гированы в геноме человека.

Предполагается, что в клетках человека сущес­твуют условия, стабилизирующие Z-форму (Марри и др., 1993).

Таблица 2.1 Структурные свойства некоторых типов ДНК

Знание структуры и функции ДНК необходи­мо для понимания сути некоторых генетических процессов, которые являются матричными. Было ясно, что сама ДНК не может играть роль матри­цы при синтезе белков из аминокислот, т.к. почти вся она находится в хромосомах, расположенных в ядре, в то время как большинство, если не все, клеточные белки синтезируются в цитоплазме. Та­ким образом, генетическая информация, заклю- -ченная в ДНК, должна передаваться какой-то про­межуточной молекуле, которая транспортирова­лась бы в цитоплазму и участвовала в синтезе полипептидных цепей. Предположение о том, что такой промежуточной молекулой может быть РНК, стало всерьез рассматриваться сразу, как только была открыта структура двойной спирали ДНК. Во-первых, клетки, синтезирующие большое количество белка, содержали много РНК. Во-вто­рых, еще более важным казалось то, что сахарофос-фатные «скелеты» ДНК и РНК чрезвычайно сход­ны и было бы легко представить себе, как происхо­дит синтез одиночных цепей РНК на одноцепочеч-ной ДНК с образованием нестабильных гибрид­ных молекул, одна цепь которых представлена ДНК, а другая РНК. Взаимоотношения ДНК, РНК и белка в 1953 г. были представлены в виде следующей схемы:

репликация ДНК..... транскрипция - ----- > РНК... трансляция......-> белок,

где одиночные цепи ДНК служат матрицами при синтезе комплементарных молекул ДНК (репли­кация). В свою очередь, молекулы РНК служат матрицами для последовательного соединения аминокислот с образованием полипептидных це­пей белков в процессе трансляции, названном так потому, что «текст», написанный на «языке» нуклеотидов, переводится (транслируется) на «язык» аминокислот. Группа нуклеотидов, кодирующая одну аминокислоту, называется кодоном.