Все живые существа на нашей планете существенно отличаются друг от друга из-за того, что каждому виду пришлось приспосабливаться, выживать и размножаться в разных условиях: на суше и в воде, в тропиках или во льдах. Но при этом все внутренние базовые механизмы, определяющие строение всех живых существ, во многом очень похожи между собой.
Все живые организмы состоят их клеток. Примитивные организмы состоят из одной клетки, другие из большого количества. В каждой клетке любого из живых существ содержится информация, которая необходима для создания клетки, размножения или видоизменения. Эта информация содержится в нуклеиновых кислотах, которые находятся в каждой клетке. Клетка – это структурная единица организма. Организм человека состоит примерно из 1014 клеток. Все клетки имеют принципиально одинаковое строение, но функции у них разные. Именно нуклеиновые кислоты определяют нормальную жизнедеятельность клеток и всего организма. Любые отклонения в строении нуклеиновых кислот приводят к изменению клеточной организации, к изменению физиологических процессов и жизнеспособности клеток в целом. Нуклеиновая кислота это биологический полимер, который состоит из «кирпичиков» — нуклеотидов.
Структура нуклеотида
Нуклеотиды представляют собой тоже сложные строение, которое состоит из трех частей. Это азотистые соединения, углеводная единица (сахар) и фосфорная кислота. Различают 4 вида нуклеотидов по количеству азотистых оснований — аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц), тимин (Т). Между собой нуклеотиды соединяются химической связью, которая называется фосфорэфирная связь. Соединенные фосфорэфирной связью нуклеотиды формируют длинную нить. Соединенные в определенном порядке две такие линии, состоящие из нуклеотидов, формируют большую спиральную молекулу дезоксирибонуклеиновой кислоты – ДНК.
Строение молекулы ДНК
Как было отмечено выше состоит из двух цепей нуклеотидов, которые закручены спирально друг против друга. Спиральное закручивание нитей нуклеотидов дает возможность компактно разместить их на небольшом участке. Интересным есть и тот факт, что нуклеотиды в двух цепях расположены комплементарно. Напротив друг от друга могут располагаться только определенные типы нуклеотидов (перед аденином всегда стоит тимин, а цитозин всегда напротив гуанина). Такие пары нуклеотидов называют комплементарными. Комплементарные пары образуют химическую связь.
В развернутом виде длина всей ДНК, заключенной в ядро клетки составляет 5 метров. Кроме этого, спиральные нити нуклеотидов закручиваются на «катушки» — гистоновые белки. Считывание генетической (наследственной) информации всегда происходит только с развернутых нитей ДНК! В случае возникновения считывания информации с молекулы ДНК происходит процесс раскручивания спиральных нитей нуклеотидов с гистоновых белков. ДНК — это библиотека информации. Предположим, организму требуется определенный белок – инсулин. Для его синтеза определенные клетки высвобождают в кровь определенные белки, которые достигают фабрики инсулина поджелудочной железы. Эти сигнальные белки получают другие белки, находящиеся в ядре клетки и дают команду расплести тот участок молекулы ДНК, который кодирует инсулин и начинается процесс синтеза этого фермента. При поступлении нужного количества инсулина в клетки поджелудочной железы поступают другие белки. Они дают сигнал об остановке сигнала синтеза инсулина. Другими словами ген это книга, которую читатель изучил и выполнил определенную инструкцию и после этого вернул ее в библиотеку. В состав ДНК входят гены.
Что такое ген
Строго определенный участок молекулы ДНК, в котором находится строго определенное число нуклеотидов, расположенных в свою очередь в строго определенной комбинации называется геном. Следует отметить, что конкретному гену отведено конкретное место в молекуле ДНК, которое поменять нельзя. Для каждого гена определенная последовательность нуклеотидов является уникальной. Гены определяют цвет глаз, волос, группу крови и множество других функций организма человека.
ДНК человека содержит от 25 до 40 тысяч генов. ДНК червяка, к примеру, от 12 до 20 тысяч генов.
Последовательность нуклеотидов в генах разных видов живых существ существенно отличается друг от друга. Влияние внешней среды и ряд других факторов, многие из которых пока остаются неизвестными, могут менять последовательность нуклеотидов, а следовательно изменять и гены. Гены в свою очередь влияют на кодирование белков. Данный процесс принято называть мутацией. Некоторые мутации повышают приспособленность к окружающей среде, а некоторые представляют опасность для жизни: это может быть недоразвитие внутренних органов или деформация скелета
Что такое хромосома?
Совокупность всех генов, какого либо живого существа называют геномом. Для более компактного расположения генома в ДНК Природа разбила геном на своеобразные молекулы ДНК. Геном клетки человека разбит на 46 пар молекул ДНК. Одна такая пара молекул ДНК называется хромосомой. Каждой такой паре молекул ДНК (хромосоме) присущ определенный набор генов. Различают хромосомы по длине и форме. Наиболее распространенные формы хромосом бывают в виде Х или Y. Две одинаковые хромосомы по форме называются парными. Таких в клетке организма человека насчитывается 23 пары. из рисунка видно, что относительно после точки пересечения одни концы нитей длиннее, а другие короче. Хромосомы между собой отличаются по выполняемым функциям и размерам. Часть хромосом определяют поведенческие и внешние признаки особи. Другие – определяют, кем будет человек мужчиной или женщиной. Такие хромосомы называют половыми– Х (икс) и У (игрек). Сочетание хромосом ХХ (икс — икс) – создают женщину, а если ХУ (икс — игрек) – получается мужчина. Повреждения хромосом называют мутациями. Мутации, которые приводят к болезням, называют отрицательными, к образованию полезных свойств – положительными.
Что такое РНК (рибонуклеиновая кислота)
В природе существует еще один вид нуклеиновых кислот – РНК (рибонуклеиновая кислота). По строению РНК отличается от ДНК тем, что она представлена одной нитью нуклеотидов. Значение РНК в клетке заключается в том, что она служит для переноса информации с ДНК в определенные места клетки, где происходит синтез белков. РНК, в отличие от ДНК, может проходить через мембрану ядра клетки. ДНК может находиться только в ядре клетки.
Биохимические основы наследственности.
Генетическая роль нуклеиновых кислот.
Нуклеиновые кислоты – биологические полимеры, находятся во всех клетках, от примитивных до сложноустроенных. Впервые обнаружены Иоганном Фридрихом Мишером в1868 г. в клетках, богатых ядерным материалом (лейкоцитах, сперматозоидах лосося). Термин «нуклеиновые кислоты» предложен в 1889 г.
Существует два типа нуклеиновых кислот: ДНК, РНК (АТФ – мононуклеотид). ДНК и РНК являются молекулами – матрицами. ДНК содержится около 6*10 -12 г в соматических клетках: в ядре, митохондриях. РНК входит в состав рибосом, содержится в ядре и цитоплазме.
Изучение и доказательство ведущей роли нуклеиновых кислот в передаче наследственной информации проведено на вирусных частицах. Вирус табачной мозаики известен как вирулентный для табака и для подорожника. Состоит вирусная частица на 95% из белка и на 5% из нуклеиновой кислоты. В вирусных частицах поменяли местами белковый капсид, но через некоторое время белок в обоих штаммах трансформировался в прежнюю форму.
В бактериофагах, поражающих кишечную палочку, белки оболочки фага метили радиоактивной S, а ДНК фага метили радиоактивным Р. В бактериальной клетке, зараженной фагом, образовались частицы фага, в которых был лишь радиоактивный Р.
Строение и функции молекул ДНК и РНК.
Нуклеиновые кислоты – биополимеры нерегулярного строения, мономерами которых являются нуклеотиды. Нуклеотид состоит из остатков трёх веществ: фосфорной кислоты, углевода - пентозы, азотистого основания. В состав нуклеотидов ДНК входит углевод дезоксирибоза, в РНК – рибоза. Остатки пуриновых и пиримидиновых азотистых оснований, входящих в состав ДНК – это аденин, гуанин, цитозин, тимин. В составе молекул РНК – аденин, гуанин, цитозин, урацил.
Нуклеотиды соединяются между собой через остаток фосфорной кислоты одного нуклеотида и углевод другого прочной ковалентной эфирной связью, называемой «кислородный мостик». Связь идёт через 5-ый атом углерода углевода одного нуклеотида к 3-ему атому углерода углевода другого нуклеотида. Последовательность нуклеотидов представляет первичную структуру нуклеиновых кислот. РНК – одиночная полинуклеотидная цепь. ДНК по структуре двойная полинуклеотидная цепь, свёрнутая в спираль.
Вторичная структура ДНК формируется при возникновении второй цепи ДНК, выстраиваемой по принципу комплементарности относительно первой. Вторая цепь противонаправлена первой (антипараллельна). Азотистые основания лежат в плоскости, перпендикулярной плоскости молекулы – это напоминает винтовую лестницу. Перилами этой лестницы являются остатки фосфорной кислоты и углевод, а ступенями азотистые основания.
Азотистые основания, входящие в состав каждого нуклеотида в противонаправленных цепях, способны образовывать между собой комплементарные водородные связи (за счет имеющихся функциональных групп в строении каждого азотистого основания). Адениловый нуклеотид комплементарен тиминовому, гуаниловый – цитозиновому, и наоборот. Сами по себе эти связи непрочные, но «прошитая» многократно по всей длине такими связями молекула ДНК представляет очень прочное соединение.
Комплементарность – это пространственно-структурное и химическое соответствие азотистых оснований друг другу, они подходят друг к другу «как ключ к замку».
В одну молекулу ДНК могут входить 10 8 и более нуклеотидов.
Структура молекулы ДНК как двойной антипараллельной спирали была предложена в 1953 г. американским биологом Джемсом Уотсоном и английским физиком Френсисом Криком.
Молекула ДНК любого живого организма на планете состоит всего из четырёх типов нуклеотидов, отличающихся друг от друга входящими в них азотистыми основаниями: аденилового, гуанилового, тиминового и цитозинового. В этом универсальность ДНК. Их последовательность различна, а число бесконечно.
Для каждого вида живых организмов и для каждого организма отдельно эта последовательность индивидуальна и строго специфична .
Особенность структуры ДНК в том, что химически активные участки молекулы – азотистые основания, погружены в центр спирали и образуют между собой комплементарные связи, а остатки дезоксирибозы и фосфорной кислоты находятся на периферии и прикрывают доступ к азотистым основаниям – они химически неактивны. Такая структура долго может сохранять химическую стабильность. А что ещё нужно для хранения наследственной информации? Именно эти особенности структуры ДНК определяют её способность кодировать и воспроизводить генетическую информацию.
Прочную структуру ДНК разрушить достаточно трудно. Тем не менее это происходит в клетке регулярно – при синтезе РНК и удвоением молекулы самой ДНК перед делением клетки.
Удвоение, репликация ДНК начинается с того, что особый фермент – ДНК-полимераза – расплетает двойную спираль и разъединяет её на отдельные нити – формируется редупликационная вилка. Фермент при этом действует подобно замку в застёжке-молнии. На каждой однонитчатой цепи – липких концах редупликационной вилки - из находящихся в кариоплазме свободных нуклеотидов синтезируется новая цепь по принципу комплементарности. В новых двух молекулах ДНК одна цепь остаётся исходной материнской, а вторая – новой дочерней. В результате вместо одной молекулы ДНК возникают две молекулы такого же точно нуклеотидного состава, как и первоначальная.
В живых системах мы встречаемся с новым типом реакций, неизвестными в неживой природе. Они называются реакциями матричного синтеза . Матричный синтез напоминает отливку на матрице: новые молекулы синтезируются в точном соответствии с планом, заложенным в структуре уже существующих молекул. В этих реакциях обеспечивается точная последовательность мономерных звеньев в синтезируемых полимерах. Мономеры поступают в определённое место на молекулы, служащие матрицей, где реакция протекает. Если бы такие реакции происходили в результате случайного столкновения молекул, они протекали бы бесконечно медленно. Синтез сложных молекул на основе матричного принципа осуществляется быстро и точно с помощью ферментов. Матричный синтез лежит в основе важнейших реакций синтеза нуклеиновых кислот и белков. Роль матрицы в клетке играют молекулы нуклеиновых кислот ДНК или РНК. Мономерные молекулы, из которых синтезируется полимер, - нуклеотиды или аминокислоты – в соответствии с принципом комплементарности располагаются и фиксируются на матрице в строго определённом порядке. Затем происходит соединение мономерных звеньев в полимерную цепь, и готовый полимер сходит с матрицы. После этого матрица готова к сборке новой точно такой же полимерной молекулы.
Реакции матричного типа – специфическая особенность живой клетки. Они являются основой фундаментального свойства всего живого – способности к воспроизведению себе подобного.
Функции нуклеиновых кислот – хранение и передача наследственной информации. В молекулах ДНК закодирована информация о первичной структуре белка. На матрице ДНК идёт синтез молекул и-РНК. Этот процесс называется «транскрипция». И-РНК в процессе «трансляции» реализует информацию в виде последовательности аминокислот в молекуле белка.
ДНК каждой клетки несёт информацию не только о структурных белках, определяющих форму клетки, но и обо всех белках-ферментах, белках-гормонах и других белках, а также строении всех видов РНК.
Возможно, нуклеиновые кислоты обеспечивают различные виды биологической памяти – иммунологическую, нейрологическую и т. д., а также играют существенную роль в регуляции биосинтетических процессов.
Похожая информация.
План рождения человека готов тогда, когда половые клетки матери и отца сливаются в одно целое. Такое образование называется зиготой или оплодотворённой яйцеклеткой. Сам же план развития организма заключён в молекуле ДНК , находящейся в ядре этой единственной клетки. Именно в ней закодирован цвет волос, рост, форма носа и всё остальное, что делает личность индивидуальной.
Конечно, судьба человека зависит не только от молекулы, но и от многих других факторов. Но гены, заложенные при рождении, тоже во многом влияют на судьбоносный путь. А представляют они собой последовательность нуклеотидов.
При каждой делении клетки ДНК удваивается. Поэтому каждая клетка несёт в себе информацию о строении всего организма. Это как если бы при строительстве кирпичного здания на каждом кирпиче имелся архитектурный план всего сооружения. Посмотрел всего лишь на один кирпич и уже знаешь, частью какой строительной конструкции он является.
Подлинная структура молекулы ДНК была впервые продемонстрирована британским биологом Джоном Гёрдоном в 1962 году. Он брал ядро клетки из кишечника лягушки и с помощью микрохирургической техники пересаживал его в лягушачью икринку. При этом в этой икринке собственное ядро было предварительно убито ультрафиолетовым облучением.
Из гибридной икринки вырастала нормальная лягушка. При этом она была абсолютно идентична той, чьё клеточное ядро было взято. Так было положено начало эре клонирования. А первым успешным результатом клонирования среди млекопитающих стала овечка Долли. Она прожила 6 лет, а затем скончалась.
Впрочем, сама природа тоже создаёт двойников. Случается это тогда, когда после первого деления зиготы две новые клетки не остаются вместе, а расходятся в стороны, и из каждой получается свой организм. Так рождаются однояйцевые близнецы. Их молекулы ДНК абсолютно одинаковые, поэтому близнецы так похожи.
Своим внешним видом ДНК напоминает верёвочную лестницу, завитую в правую спираль. А состоит она из полимерных цепочек, каждая из которых формируется из звеньев 4-х типов: адениновое (А), гуаниновое (Г), тиминовое (Т) и цитозиновое (Ц).
Именно в их последовательности и заключена генетическая программа любого живого организма. На рисунке ниже, для примера, приведён нуклеотид Т. У него верхнее кольцо называется азотистым основанием, пятичленное кольцо внизу представляет собой сахар, а слева находится фосфатная группа.
На рисунке изображён тиминовый нуклеотид, входящий в состав ДНК. Остальные 3 нуклеотида имеют сходное строение, а различаются по азотистому основанию. Правое верхнее кольцо - азотистое основание. Нижнее пятичленное кольцо - сахар. Левая группа РО - фосфат
Размеры молекулы ДНК
Диаметр двойной спирали составляет 2 нм (нм - нанометр, равен 10 -9 метра). Расстояние между соседними парами оснований вдоль спирали составляет 0,34 нм. Полный оборот двойная спираль делает через 10 пар. А вот длина зависит от того организма, которому принадлежит молекула. У простейших вирусов имеется всего лишь несколько тысяч звеньев. У бактерий их несколько миллионов. А у высших организмов их миллиарды.
Если вытянуть в одну линию все ДНК, заключённые в одной клетке человека, то получится нить длиной примерно 2 м. Отсюда видно, что длина нити в миллиарды раз больше её толщины. Чтобы лучше представить себе размеры молекулы ДНК, можно вообразить, что её толщина равна 4 см. Такой нитью, взятой из одной человеческой клетки, можно опоясать земной шар по экватору. В таком масштабе человек будет соответствовать размерам Земли, а ядро клетки вырастит до размеров стадиона.
Верна ли модель Уотсона и Крика?
Рассматривая структуру молекулы ДНК, возникает вопрос, как она, имея такую огромную длину, располагается в ядре. Она должна лежать так, чтобы быть доступной по всей своей длине для РНК-полимеразы, которая считывает нужные гены.
А как осуществляется репликация? Ведь после удвоения две комплементарные цепи должны разойтись. Это довольно сложно, так как цепи первоначально закручены в спираль.
Такие вопросы изначально породили сомнения в верности модели Уотсона и Крика . А данная модель была слишком конкретна и просто дразнила специалистов своей незыблемостью. Поэтому все бросились искать изъяны и противоречия.
Одни специалисты предполагали, что если злополучная молекула состоит из 2-х полимерных цепочек, связанных слабыми нековалентными связями, то они должны расходиться при нагревании раствора, что можно легко проверить экспериментально.
Вторые специалисты заинтересовались азотистыми основаниями, которые образуют друг с другом водородные связи. Это можно проверить, измеряя спектры молекулы в инфракрасной области.
Третьи специалисты думали, что если внутри двойной спирали и впрямь запрятаны азотистые основания, то можно выяснить, действуют ли на молекулу те вещества, которые способны реагировать только с этими запрятанными группами.
Было поставлено множество опытов и к концу 50-х годов XX столетия стало ясно, что предложенная Уотсоном и Криком модель выдерживает все испытания. Попытки её опровержения потерпели неудачу .
Молекула ДНК - засекреченный источник данных жизни
Прогресс науки не оставляет сомнений в том, что живые существа имеют чрезвычайно сложную структуру и слишком совершенную организацию, возникновение которой не может считаться случайностью. Это свидетельствует о том факте, что живые существа созданы Всемогущим Творцом, обладающим высшими знаниями. Недавно, например, с объяснением совершенной структуры человеческого гена, что стало весомой задачей Проекта Генома человека – уникальное создание Бога ещё раз предстало на всеобщее обозрение.
От США до Китая учёные со всего мира уже около десятилетия стараются расшифровать 3 миллиарда химических букв в молекуле ДНК и установить их последовательность. В результате, 85% данных, содержащихся в молекуле ДНК человеческих существ, могли бы быть секвенированы. Хотя это развитие является захватывающим и важным, доктор Фрэнсис Колинз, который возглавляет Проект, Человеческого Генома утверждает, что на данный момент изучении структуры молекулы ДНК и в расшифровке информации сделан только первый шаг.
Для того чтобы понять, почему расшифровка этой информации занимает столько времени, мы должны понять природу информации, хранящейся в структуре молекулы ДНК.
Секретная структура молекулы ДНК
В производстве технологического продукта или в управлении заводом наиболее используемыми инструментами являются опыт и накопление знаний, приобретённых за многие столетия.
Как может цепочка невидимая для глаза, состоящая из атомов, собранных в виде дорожек, с размером в одну миллиардную миллиметра обладать такой вместимостью информации и памяти?
К этому вопросу существует прибавляется следующее: если каждая из 100 триллионов клеток в твоём теле знает один миллион страниц информации наизусть, сколько энциклопедических страниц можете Вы, как умный и сознательный человек запомнить за всю жизнь? Самое главное это то, что клетка использует эту информацию без изьянов, чрезвычайно спланированным и согласованным образом, в правильных местах и никогда не совершает ошибок. Даже до того, как человек рождается на свет, его клетки уже начали процесс его созидания.
ДНК является универсальным источником и хранителем наследственной информации, которая записана с помощью специальной последовательности нуклеотидов, она определяет свойства всех живых организмов.
Средняя молекулярная масса нуклеотида принимается равной 345, а количество нуклеотидных остатков может достигать нескольких сот, тысяч и даже миллионов. ДНК в основной своей массе находится в ядрах клеток. Немного содержится в хлоропластах и митохондриях. Однако ДНК ядра клетки - это не одна молекула. Она состоит из множества молекул, которые распределены по разным хромосомам, их количество меняется в зависимости от организма. Это и есть особенности строения ДНК.
История открытия ДНК
Строение и функции ДНК были открыты Джеймсом Уотсоном и Френсисом Криком, им даже была вручена Нобелевская премия в 1962 году.
Но впервые обнаружил нуклеиновые кислоты швейцарский ученый Фридрих Иоганн Мишер, работавший в Германии. В 1869 году он изучал животные клетки - лейкоциты. Для их получения использовал повязки с гноем, достававшиеся ему из больниц. Из гноя Мишер вымывал лейкоциты, а из них выделял белок. В ходе этих исследований ученому удалось установить, что в лейкоцитах кроме белков имеется еще что-то, какое-то неизвестное на тот момент вещество. Оно представляло собой нитевидный или хлопьевидный осадок, который выделялся, если создать кислую среду. Осадок сразу растворялся при добавлении щелочи.
Ученый с помощью микроскопа обнаружил, что при отмывании лейкоцитов с помощью соляной кислоты от клеток остаются ядра. Тогда он сделал заключение, что в ядре есть неизвестное вещество, названное им нуклеином (слово nucleus в переводе означает ядро).
Проведя химический анализ, Мишер выяснил, что новое вещество в своем составе имеет углерод, водород, кислород и фосфор. В то время фосфорорганических соединений было известно немного, поэтому Фридрих решил, что обнаружил новый класс соединений, находящихся в ядре клетки.
Таким образом, в XIX веке было открыто существование нуклеиновых кислот. Однако в то время никто не мог даже подумать о том, какая важная роль им принадлежит.
Вещество наследственности
Строение ДНК продолжали исследовать, и в 1944 году группа бактериологов под руководством Освальда Эвери получила доказательства того, что эта молекула заслуживает серьезного внимания. Ученый на протяжении многих лет занимался изучением пневмококков, организмов, которые вызывали пневмонию или заболевание легких. Эвери проводил опыты, смешивая пневмококки, вызывающие заболевание, с теми, которые безопасны для живых организмов. Сначала болезнетворные клетки убивали, а после добавляли к ним те, которые заболеваний не вызывают.
Результаты исследований поразили всех. Были такие живые клетки, которые после взаимодействия с мертвыми научались вызывать болезнь. Ученый выяснил природу вещества, которое участвует в процессе передачи информации живым клеткам от мертвых. Молекула ДНК и оказалась этим веществом.
Строение
Итак, необходимо разобраться с тем, какое строение имеет молекула ДНК. Открытие ее структуры стало значимым событием, это привело к образованию молекулярной биологии - новой отрасли биохимии. ДНК в больших количествах находится в ядрах клеток, однако размеры и количество молекул зависят от вида организма. Установлено, что ядра клеток млекопитающих содержат много этих клеток, они распределены по хромосомам, их насчитывается 46.
Изучая строение ДНК, в 1924 году Фельген впервые установил ее локализацию. Доказательства, полученные в ходе экспериментов, показали, что ДНК находится в митохондриях (1-2%). В других местах эти молекулы могут находиться при вирусной инфекции, в базальных тельцах, а также в яйцеклетках некоторых животных. Известно, что чем сложнее организм, тем масса ДНК больше. Количество молекул, находящихся в клетке, зависит от функции и составляет обычно 1-10%. Меньше всего их находится в миоцитах (0,2%), больше - в половых клетках (60%).
Строение ДНК показало, что в хромосомах высших организмов они связаны с простыми белками - альбуминами, гистонами и прочими, которые все вместе образуют ДНП (дезоксирибонуклеопротеид). Обычно большая молекула нестойкая, и для того чтобы она оставалась целой и неизменной в ходе эволюции, создана так называемая репарирующая система, которая состоит из ферментов - лигаз и нуклеаз, отвечающих за «ремонт» молекулы.
Химическое строение ДНК
ДНК является полимером, полинуклеотидом, состоящим из огромного числа (до десятков тысяч миллионов) мононуклеотидов. Строение ДНК имеет следующий вид: мононуклеотиды содержат азотистые основания - цитозин (Ц) и тимин (Т) - из производных пиримидинов, аденин (А) и гуанин (Г) - из производных пурина. Кроме азотистых оснований, в составе молекулы человека и животных имеется 5-метилцитозин — минорное пиримидиновое основание. С фосфорной кислотой и дезоксирибозой связываются азотистые основания. Схема строения ДНК продемонстрирована ниже.
Правила Чаргаффа
Строение и биологическая роль ДНК изучались Э. Чаргаффом в 1949 году. В ходе исследований он выявил закономерности, которые наблюдаются в количественном распределении азотистых оснований:
- ∑Т + Ц = ∑А + Г (то есть число пиримидиновых оснований равно числу пуриновых).
- Всегда количество остатков аденина равно количеству остатков тимина, а количество гуанина равно цитозину.
- Коэффициент специфичности имеет формулу: Г+Ц/А+Т. Например, у человека он равен 1,5, у быка - 1,3.
- Сумма "А + Ц" равна сумме "Г + Т", то есть аденина и цитозина имеется столько же, сколько гуанина и тимина.
Модель строения ДНК
Ее создали Уотсон и Крик. Остатки фосфатов и дезоксирибоз располагаются по хребту двух закрученных спиралеобразным образом полинуклеотидных цепей. Определено, что плоскостные структуры пиримидиновых и пуриновых оснований располагаются перпендикулярно оси цепи и образуют как бы ступени лестницы в виде спирали. Установлено также, что А всегда соединяется с Т при помощи двух водородных связей, а Г прикреплено к Ц уже тремя такими же связями. Этому явлению дали название "принцип избирательности и комплементарности".
Уровни структурной организации
Изогнутая как спираль полинуклеотидная цепь - это первичная структура, которая имеет определенный качественный и количественный набор мононуклеотидов, связанных 3’,5’-фосфодиэфирной связью. Таким образом, каждая из цепей имеет 3’-конец (дезоксирибоза) и 5’-конец (фосфатный). Участки, которые содержат в себе генетическую информацию, названы структурными генами.
Двухспиральная молекула - это вторичная структура. Причем ее полинуклеотидные цепи антипараллельны и связываются водородными связями между комплементарными основаниями цепей. Установлено, что в каждом витке этой спирали содержится 10 нуклеотидных остатков, длина ее равняется 3,4 нм. Эту структуру поддерживают также Ван-дер-Ваальсовы силы взаимодействия, которые наблюдаются между основаниями одной цепи, включающие отталкивающие и притягивающие компоненты. Эти силы объясняются взаимодействием электронов в соседних атомах. Электростатическое взаимодействие также стабилизирует вторичную структуру. Оно возникает между заряженными положительно молекулами гистонов и заряженной отрицательно нитью ДНК.
Третичная структура - это намотка цепей ДНК на гистоны или суперспирализация. Описано пять видов гистонов: Н1, Н2А, Н2В, Н3, Н4.
Укладка нуклеосом в хроматин - это четвертичная структура, поэтому молекула ДНК, имеющая длину несколько сантиметров, может складываться до 5 нм.
Функции ДНК
Основными функциями ДНК являются:
- Хранение наследственной информации. Последовательность аминокислот, находящихся в молекуле белка, определяется порядком, в котором расположены нуклеотидные остатки в молекуле ДНК. Также в ней зашифрована вся информация о свойствах и признаках организма.
- ДНК способна передавать наследственную информацию следующему поколению. Это возможно из-за способности к репликации - самоудвоению. ДНК способна распадаться на две комплементарные цепочки, и на каждой из них (в соответствии с принципом комплементарности) восстанавливается исходная последовательность нуклеотидов.
- При помощи ДНК происходит биосинтез белков, ферментов и гормонов.
Заключение
Строение ДНК позволяет ей являться хранителем генетической информации, а также передавать ее следующим поколениям. Какие есть особенности у этой молекулы?
- Стабильность. Это возможно благодаря гликозидным, водородным и фосфодиэфирным связям, а также механизму репарации индуцированных и спонтанных повреждений.
- Возможность репликации. Этот механизм позволяет в соматических клетках сохранять диплоидное число хромосом.
- Существование генетического кода. При помощи процессов трансляции и транскрипции последовательность оснований, находящихся в ДНК, преобразуется в последовательность аминокислот, находящихся в полипептидной цепи.
- Способность к генетической рекомбинации. При этом образуются новые сочетания генов, которые сцеплены между собой.
Таким образом, строение и функции ДНК позволяют ей играть неоценимую роль в организмах живых существ. Известно, что длина 46-ти молекул ДНК, находящихся в каждой клетке человека, равна почти 2 м, а число нуклеотидных пар составляет 3,2 млрд.
