Структура вещества наследственности – ДНК

Структура вещества наследственности – ДНК

В процессе развития хромосомной теории наследственности было показано, что гены содержатся в хромосомах. Но из чего состоят сами хромосомы, и какое вещество хромосом является материальной основой генов? Ответы на эти вопросы, являющиеся предметом молекулярной генетики, долгое время оставались неизвестными. Пониманию природы вещества наследственности  способствовали опыты по трансформации – искусственной передаче наследственных признаков, выполненные на бактериях в 1944 г. О. Эйвери, К. МакЛеодом и М. МакКарти. В этих опытах впервые было показано, что за трансформацию ответственны молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), присутствие которых в ядрах клеток было открыто еще в позапрошлом веке в 1869 г. Фридрихом Мишером, назвавшим эти молекулы нуклеином. Трансформирующая  активность ДНК была подтверждена в многочисленных последующих опытах на многих экспериментальных объектах. Оказалось, что ДНК является основным веществом хромосом всех исследованных видов. Наряду с ДНК в хромосомах содержатся белки: около 20% белков в хромосоме прокариот и 50-60% – в хромосомах эукариот, причем большая часть этих эукариотических белков – до 80% – относится к специфическому классу гистонов.

В хромосомах эукариот ДНК упакована очень компактно, особенно в период деления клетки. Во время митоза длина хромосом становится короче в тысячи раз. Очевидно, что это возможно только для высоко организованных структур. В соответствии с современными представлениями существует не менее пяти уровней упаковки ДНК в хромосомах. Ключевая роль в процессах упаковки ДНК и структурной организации хромосом принадлежит гистонам.

Определение химической структуры и пространственной организации молекул ДНК явилось одним из самых ярких открытий ХХ века. В 1953 г. Джеймс Уотсон и Френсис Крик на основании рентгеноструктурного анализа кристаллов ДНК, выполненного Р. Франклином, предложили модель, в соответствии с которой ДНК состоит из двух полимерных цепей, образующих форму двойной спирали – рис. 13.

 

 

Рисунок 13. Структура ДНК

В основании каждой из полимерных цепей лежат последовательности из одинаковых сахаров (дезоксирибозы), соединенных между собой остатками фосфорной кислоты  или  фосфодиэфирной связью. Дезоксирибоза содержит 5 атомов углерода, то есть является пентозой – рис. 14.

 

Рисунок 14. Дезоксирибоза

Каждый сахар, в свою очередь, соединен гликозидной связью с одним из четырех азотистых оснований: двух пуринов – аденина (A) и гуанина (G), и двух пиримидинов – цитозина (C) и тимина (T) – рис.15.

 

Рисунок 15. Структура пуринов и пиримидинов

Азотистое основание, сахар и остаток фосфорной кислоты вместе составляют нуклеотид. Таким образом, цепь ДНК представляет собой последовательность нуклеотидов. Две цепи ДНК удерживаются вместе за счет водородных связей между нуклеотидами. Аденин связывается с тимином, а гуанин с цитозином. Это правило A-T, G-C называется правилом комплементарности. В результате две нити ДНК оказываются комплементарными или взаимодополняющими друг друга. Каждая нить ДНК имеет форму спирали, и при их объединении образуется  двойная спираль. В зависимости от положения атомов углерода в остатке дезоксирибозы выделяют 5’- и 3’-концы ДНК. Нить ДНК начинается с 5’-конца и заканчивается 3’-концом. В двойной спирали нити ДНК находятся в противоположной ориентации по отношению друг к другу. Мы уже упоминали о том, что связи между нуклеотидами в двойной спирали ДНК водородные и потому легко рвутся даже при относительно небольшом нагревании молекулы. Этот нормальный физиологический процесс называется денатурацией или плавлением ДНК. При восстановлении температурных условий происходит восстановление водородных связей по правилу комплементарности с образованием двойной спирали ДНК. Этот процесс называется гибридизацией.

Длина молекул ДНК измеряется в нуклеотидах или, точнее, в парах оснований (п.о.), тысячах пар оснований –  килобазах (кб) и  миллионах пар оснований – мегобазах (мб), и эта длина может варьировать от нескольких нуклеотидов до десятков и даже сотен миллиардов пар оснований. Суммарная длина молекулы ДНК человека составляет 3,2х109 п.о. Основная масса ДНК эукариот находится в ядрах клеток в составе хромосом в суперскрученном состоянии за счет взаимодействия с гистонами и другими белками хромосом. Около 5% ДНК находится в митохондриях – самых крупных после ядра органеллах клетки. У прокариот ДНК содержится в хромосоме и плазмидах. Если выделить молекулу ДНК из одной клетки человека и развернуть во всю длину, ее физический размер составит почти два метра. Нужно обладать очень богатым воображением, чтобы представить  себе, что в ядре каждой нашей клетки имеется молекула ДНК такого гигантского размера, и как же она суперскручена, как замечательно она упакована, что ей там не только не тесно, но она способна выполнять свои удивительные функции!

Два свойства отличают нуклеиновые кислоты от других типов молекул. Во-первых, молекулы ДНК способны размножаться, то есть сами себя воспроизводить. Этот процесс называется репликацией, и он осуществляется с помощью фермента ДНК-полимеразы, способного вести комплементарный синтез ДНК по однонитевой матрице. При делении клетки процессу образования хроматид из родительской хромосомы предшествует репликация ДНК, которая происходит на синтетической стадии S клеточного цикла. При  этом две нити ДНК расходятся, и каждая из них служит матрицей для комплементарного синтеза новых нитей ДНК – рис. 16. Заметим, кстати, что появление молекул ДНК, способных к самовоспроизводству, ассоциируется с возникновением жизни на Земле, так как жизнь невозможна без размножения.

 

Рисунок 16. Репликация ДНК

Вторым уникальным свойством ДНК  является то, что в них в виде последовательности нуклеотидов записана информация,  определяющая разнообразие всех форм жизни. Недаром ДНК сравнивают с энциклопедией жизни!

Несмотря на эти открытия, многие ученые долго не могли согласиться с тем, что ДНК является этим загадочным веществом наследственности. Действительно, основным структурным элементом полипептидных цепей, а значит и белков, являются аминокислоты. Число их вариантов равно 20. Разнообразие ДНК достигается за счет вариации всего лишь 4 типов нуклеотидов. Казалось невероятным, что такая простая молекула, как ДНК, может кодировать такие сложные множества белков. Кроме того, в начале изучения химической структуры ДНК было неверное представление о том, что расположение нуклеотидов в этих молекулах упорядочено, а сами они напоминают периодические кристаллы. Оказалось, что это ошибка, и все дело в том, что порядок нуклеотидов варьирует по длине этой гигантской молекулы. Варьирующий порядок нуклеотидов и определяет огромную информационную ёмкость ДНК.