В 1869 г. швейцарский биохимик Иоганн Фридрих Мишер впервые обнаружил, выделил из ядер клеток и описал ДНК. Но только в 1944 г. О. Эйвери, С. Маклеодом и М. Макарти бала доказана генетическая роль ДНК в передаче наследственной информации. Это открытие явилось мощным фактором, стимулирующим изучение наследственности на молекулярном уровне. С тех пор началось бурное развитие молекулярной биологии и генетики.
Нуклеиновые кислоты (от лат. nucleus – ядро) – это природные высокомолекулярные органические соединения, обеспечивающие хранение и передачу наследственной информации в живых организмах. В их состав входят: углерод (С), водород (Н), кислород (О), фосфор (Р). Нуклеиновые кислоты представляют собой биополимеры, состоящие из мономеров – нуклеотидов. В состав каждого нуклеотида входят:
· азотистое основание,
· простой углерод – 5-углеродный сахар пентоза (рибоза или дезоксирибоза),
· остаток фосфорной кислоты.
Существует два типа нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновая кислота - ДНК, содержащая дезоксирибозу, и рибонуклеиновая кислота - РНК, содержащая рибозу.
Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) содержится в ядре клетки, иногда в органоидах: митохондриях, пластидах. ДНК - это полимерное соединение с постоянным содержанием в клетке. По своей структуре молекула ДНК представляет собой две полимерные цепи, соединенные между собой и закрученные в форме двойной спирали (рис. 10). Ширина двойной спирали всего около 0,002 мкм, длина – до нескольких десятков и даже сотен микрометров. Нуклеотиды расположены друг от друга на расстоянии 0,34 нм, а на один виток спирали приходится 10 нуклеотидов. Молекулярная масса ДНК велика: она составляет десятки, и даже сотни миллионов. Основной структурной единицей одной цепи является нуклеотид, состоящий из азотистого основания, дезоксирибозы и фосфатной группы. ДНК содержит 4 вида азотистых оснований:
· пуриновые – аденин (А) и гуанин (Г),
· пиримидиновые – цитозин (Ц) и тимин (Т).
В 1951 г. Э. Чаргафф открыл явление комплементарности азотистых оснований в молекуле ДНК (правила Чаргаффа), показав, что количество аденина всегда равно количеству тимина (А=Т), а количество гуанина - количеству цитозина (Г=Ц). Сумма пуриновых оснований равна сумме пиримидиновых оснований (А+Г=Т+Ц).
В 1953 г. Дж. Уотсон, Ф. Крик и М. Уилкинс, основываясь на открытии Э. Чаргаффа, предложили модель структуры молекулы ДНК, представляющую собой двойную спираль.
Таким образом, в начале 50-х годов XX в. было доказано, что материальной единицей наследственности и изменчивости является ген, который имеет определенную структурно-функциональную организацию.
| Рис. 10. Участок двуспиральной молекулы ДНК | Рис. 11. Схематическое изображение молекулы ДНК |
Каждая цепь ДНК представляет полинуклеотид, в котором в строго определенном порядке расположены нуклеотиды. Азотистые основания подходят друг к другу настолько близко (рис. 11), что между ними возникают водородные связи. Причем в их расположении проявляется важная закономерность: аденин (А) одной цепи связан с тимином (Т) другой цепи двумя водородными связями, а гуанин (Г) одной цепи связан тремя водородными связями с цитозином (Ц) другой цепи, в результате чего формируются пары А-Т и Г-Ц. Такая способность к избирательному соединению нуклеотидов называетсякомплементарностью, т.е. пространственное и химическое соответствие между парами нуклеотидов (см. рис. 11).
Последовательность соединения нуклеотидов одной цепи противоположна (комплементарна) другой, т. е. цепи, составляющие одну молекулу ДНК, разнонаправлены, или антипараллельны. Цепи закручиваются вокруг друг друга и образуют двойную спираль. Большое число водородных связей обеспечивает прочное соединение нитей ДНК и придает молекуле устойчивость, сохраняя в то же время ее подвижность – под влиянием ферментов она легко раскручивается (деспирализуется).
Репликация (редупликация) ДНК– процесс самовоспроизведения (самоудвоения) макромолекул нуклеиновых кислот, обеспечивающий точное копирование генетической информации и передачу ее от поколения к поколению. Репликация ДНК происходит в период интерфазы перед клеточным делением (рис. 12). Материнская молекула ДНК (количество цепей ДНК в клетке равно 2с) под действием ферментов раскручивается с одного конца, а затем из свободных нуклеотидов по принципу комплементарности на обеих цепях достраиваются дочерние полинуклеотидные цепи. В результате матричных реакций возникают две одинаковые по нуклеотидному составу дочерние молекулы ДНК, в которых одна из цепей старая материнская, а другая - новая, вновь синтезированная. Такой синтез ДНК называется полуконсервативным.
| Рис. 12. Репликация ДНК |
Для матричного синтеза новой молекулы ДНК необходимо, чтобы старая молекула была деспирализована и вытянута. Но одновременное раскручивание спиралей, состоящих из огромного числа пар нуклеотидов невозможно. Поэтому репликация начинается в нескольких местах молекулы ДНК. Участок молекулы ДНК от точки начала одной репликации до точки начала другой называется репликоном. Репликон обязательно имеет контролирующие элементы: точку начала, в которой инициируется репликация, и точку окончания, в которой репликация останавливается. Место, в котором происходит репликация, получило название репликационной вилки. В репликационной вилке ферменты ДНК раскручивают двойную цепочку ДНК, и разрывают водородные связи между ее цепочками. Репликационная вилка постепенно движется вдоль молекулы ДНК от ее стартовой точки (точки начала) до точки окончания. Так как ДНК-полимераза может двигаться только в одном направлении, то в каждой репликационной вилке она может постепенно и непрерывно строить лишь одну новую цепь молекулы ДНК. Другая дочерняя молекула ДНК по мере расплетания материнской молекулы синтезируется отдельными короткими участками по 150-200 нуклеотидов (фрагменты Оказаки) под действием фермента ДНК-полимеразы, движущегося в противоположном направлении. Эти короткие участки вновь синтезируемой полинуклеотидной цепи одного репликона «сшиваются» ферментом лигазой.Такой принцип синтеза новых цепей ДНК называется прерывистым. Ферменты ДНК скручивают нити реплицированных участков ДНК. Участки «дочерних» молекул ДНК, синтезированные в соседних репликонах, также «сшиваются» ферментом лигазой. Весь геном клетки реплицируется только один раз за период времени, соответствующий одному митотическому циклу.
Функции ДНК.
1. Хранение наследственной информации о структуре белков или отдельных ее органоидов. Наименьшей единицей генетической информации после нуклеотида являются три последовательно расположенных нуклеотида – триплет.Последовательность триплетов в полинуклеотидной цепи определяет последовательность расположения аминокислот одной белковой молекулы (первичную структуру белка) и представляет собой ген. Вместе с белками ДНК входят в состав хроматина, вещества, из которого состоят хромосомы ядра клетки.
2. Передача наследственной информации в результате репликации при клеточном делении от материнской клетки – дочерним.
3. Реализация наследственной информации (хранящейся в виде генов) в результате матричных реакций биосинтеза через выработку специфических для клетки и организма белков. При этом на одной из ее цепей по принципу комплементарности из нуклеотидов окружающей молекулу среды синтезируются молекулы информационной РНК.
Строение рибонуклеиновой кислоты (РНК).По своей структуре молекулы РНК менее крупные, чем молекулы ДНК с молекулярной массой от 20-30 тыс. (т-РНК) до 1 млн (р-РНК). РНК – одноцепочечная молекула, построенная так же, как и одна из цепей ДНК. Мономеры РНК - нуклеотиды состоят из азотистого основания, рибозы (углевод) и фосфатной группы. РНК содержит 4 азотистых основания, причем тимин заменен на близкий к нему по строению урацил (нуклеотид – уридиловый). Нуклеотиды соединены в полинуклеотидную цепь так же, как и в ДНК, за счет остатков фосфорных кислот, расположенных между рибозами.
По месту нахождения в клеткесреди РНК выделяют: ядерные, цитоплазматические, митохондриальные, пластидные.
По выполняемым функциямсреди РНК выделяют: транспортные, информационные и рибосомные.
Транспортные РНК (т-РНК)– одноцепочные, но имеющие трехмерную структуру «клеверный лист», созданную внутримолекулярными водородными связями (рис. 13). Молекулы т-РНК – самые короткие. Состоят из 80-100 нуклеотидов. На их долю приходится около 10% от общего содержания РНК в клетке. Они переносят активированные аминокислоты к рибосомам при биосинтезе белка вклетке.
| Рис. 13. Структура т-РНК: А, Б, В, Г - участки комплементарного соединения; Д - участок соединения с аминокислотами; Е - антикодон (не соединенный триплет) | Информационная (матричная) РНК (и-РНК, м-РНК)– одноцепочная молекула, которая образуется в результате транскрипциина молекуле ДНК в ядре и несет информацию о первичной структуре одной белковой молекулы к месту синтеза белка в рибосомах. Молекула и-РНК может состоять из 300 – 3000нуклеотидов. На долю и – РНК приходится 0,5-1% от общего содержания РНК в клетке. Рибосомные РНК (р-РНК) – самые крупные одноцепочные молекулы. Они образуют вместе с белками сложные комплексы, поддерживающие структуру рибосом, на которых идет синтез белка. На долю р-РНК приходится около 90% от общего содержания РНК в клетке. |
Вся генетическая информация организма (структура его белков), заключена в его ДНК, состоящей из нуклеотидов, объединенных в гены. Ген – единица наследственной информации, содержащая информацию о структуре одного белка. Гены, обусловливающие свойства организмов, называютструктурными. А гены, которые регулируют проявление структурных генов, называют регуляторными. Реализация наследственной информации происходит следующим образом:
ДНК (ген) транскрипция ►- и-РНК (копия гена)-транскрипция ►
► Белок Фермент (на рибосомах) —> Реакция в клетке —>
—>Свойство или признак (фен)