Строение и функции ДНК

ДНК – дезоксирибонуклеиновая кислота – биологическая макромолекула, носитель генетической информации во всех эукариотических клетках. Трехмерная модель пространственного строения двухцепочечной ДНК была описана в 1953 г. Дж. Уотсоном и Френсисом Криком. Согласно этой модели молекула ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, которые образуют правую спираль (винтовую линию) относительно одной и той же оси. Направление цепей взаимно противоположное. Структура ДНК – полимер, структурной единицей которого является нуклеотид.

Нуклеотид состоит из: азотистого основания: пуринового – аденин (А) или гуанин (Г) или пиримидинового – цитозин (Ц) или тимин (Т); углевода дезоксирибозы (пятиуглеродное сахарное кольцо); остатка фосфорной кислоты (НРО₃^*) (рис 2).

Аденин	Тимин
Гуанин	Цитозин
Дезоксирибоза	Остаток фосфорной кислоты
Рис. 2 Структурные компоненты и строение нуклеотида ДНК

Двойная спираль ДНК правосторонняя. 10 пар оснований составляют полный оборот 360^о, следовательно, каждая пара оснований повернута на 36 ^о вокруг спирали относительно следующей пары. Сахарофосфатный остов располагается по периферии двойной спирали, а азотистые основания находятся внутри и их плоскости перпендикулярны оси спирали (рис. 3). Между основаниями образуются специфические водородные связи, в результате чего осуществляетсяся так называемое уотсон–криковское спаривание. Аденин всегда образует водородные связи с тимином, а гуанин с цитозином. Такая закономерность называется комплементарностью.Комплементарность это определенная последовательностей оснований в противоположных цепях ДНК. Данная закономерность очень важна для репликации ДНК.

Рис. 3. Схема структуры участка ДНК

Соотношение между числом разных оснований в ДНК установлены Чаргаффом в 1949 г. и сыграли важную роль в построении двойной спирали. Чаргафф обнаружил, что у ДНК самого разного происхождения количество аденина равно количеству тимина, а количество гуанина – количеству цитозина. Эта закономерность была названа «правилом Чаргаффа» и выражается так: А = Т; Г = Ц. Таким образом, более объемные пурины всегда спариваются с пиримидинами, имеющими меньшие размеры. Это приводит к тому, что расстояния между С1’- атомами дезоксирибозы в двух цепях оказываются одинаковыми для АТ- и ЦГ- пар. В результате АТ- и ГЦ-пары включаются в двойную спираль без какого-либо заметного изменения геометрии остова. Цепи удерживаются вместе водородными связями и закручены одна вокруг другой и вокруг общей оси (рис.4).

Нуклеотиды соединены в полинуклеотидную цепь через фосфатную группу с образованием фосфодиэфирных мостиков, т.е. сахаро–фосфатный остов ДНК состоит из 5’–3’ связей. Генетическая информация записана в последовательности нуклеотидов в направлении от 5’ конца к 3’ концу – эта 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 ДНК. Таким образом, структура одной нити определяет последовательность нуклеотидов другой нити, так, что последовательности оснований в нитях ДНК всегда антипараллельны и комплементарны.

Рис. 4. Модель вторичной и пространственной структуры ДНК

Знание структуры и функций ДНК необходимо для понимания сути некоторых генетических процессов, протекающих в клетке. Было ясно, что сама ДНК не может играть роль матрицы при синтезе белков из аминокислот, так как почти вся ДНК находится в хромосомах, расположенных в ядре, в то время как почти все клеточные белки синтезируются в цитоплазме. Таким образом, генетическая информация, заключенная в ДНК, должна передаваться какой-то промежуточной молекуле, которая транспортируется в цитоплазму и участвует в синтезе полипептида. Такой промежуточной молекулой служит РНК (рибонуклеиновая кислота). Взаимоотношения ДНК, РНК и белка представлены на рис.5.

Рис. 5. Схема взаимоотношений ДНК, РНК и белка