Будова молекул ДНК і РНК

Біохімічні основи спадковості

Нуклеїнові кислоти (НК) є полімернимі сполуками. Основною одиницею цього полімеру є нуклеотид. У свою чергу нуклеотид включає три основні частини:

• цукор, що містить 5 атомів вуглецю (дезоксирибозу в ДНК і рибозу в РНК)

• азотистих основ;

• залишок фосфорної кислоти.

Азотисті основи, що входять до складу нуклеінових кислот, бувають пуриновими і піримідиновими. Пуриновими основами є аденін і гуанін, піримідиновими - тимін, цитозин і урацил. ДНК містить тільки 4 типи азотистих основ: аденін, гуанін, цитозин і ти мін. Склад РНК включає також аденін, гуанін і цитозин, але замість тиміну вона містить урацил.

Дивись відео про нуклеїнові кислоти (25 мин)

Кожен нуклеотид позначається великою літерою в залежності від включеного в нього азотистої основи: аденіновий - А, гуаніновий - Г, цитозиновий - Ц; тиміновий - Т, урациловй - У. Нуклеїнові кислоти - це дуже довгі молекули, які можуть містити до декількох мільярдів нуклеотидів. Наступні дослідження показали, що склад нуклеїнових кислот різний не тільки у різних організмів, але і в різних молекулах однієї клітини. У той же час роботи біохіміка Едвіна Чаргаффа виявили жодну особливість: якою б довжини не була б молекула ДНК і до якого б організму вона не відносилася, але в ній завжди молярний зміст аденіну дорівнює змісту тиміну, а гуаніну - цитозину. Ця рівність отримала назву «правило Чаргаффа». Таким чином, в будь якій молекулі ДНК кількість пуринових сполук відповідає кількості піримідинових: А=Т і Г = Ц. Змінюється тільки кількісне співвідношення цих пар.

Дезоксирибонуклеїнова кислота (ДНК) є універсальним носієм спадкової інформації для всіх живих організмів.

Структура ДНК була вперше встановлена ​​в 1953 р. Джеймсом Уотсоном і Френсісом Криком. Надалі це відкриття було підтверджено численними дослідженнями ДНК абсолютної більшості всіх живих організмів, у тому числі і людини.

Молекула ДНК містить 2 полінуклеотидних ланцюжки. Обидві ланцюжки закручені подвійний спіраллю навколо уявної осі. Ширина спіралі становить близько 2 нм, один крок спіралі має довжину 3,4 нм.

Нуклеотиди в структурі ДНК орієнтовані таким чином, що цукор - дезоксирибоза і фосфатний залишок виявляються зовні, а азотисті основа - всередині, між двома полінуклеотидними нитками. Зчеплення між цими ланцюжками забезпечується водневими зв'язками. При цьому між аденіном і тиміном утворюються 2 водені зв'язки, а між гуаніном і цитозином - 3. Таким чином, створюються умови для спаровування між собою компліментарних (відповідних один одному) азотистих основ відповідно до правила Чаргаффа. Для будь-якій послідовності нуклеотідов може бути утворена рівний їй по длині компліментарний полінуклеотідний ланцюжок, що і складе другу половину подвійної спіралі. Один крок спіралі містить 10 пар компліментарних нуклеїнових основ.

Така будова молекули ДНК забезпечує її унікальну здатність до самовідтворення (реплікації), самовідновлення (репарації), збереженню та реалізації спадкової інформації.

У людини основна кількість ДНК розташована в ядрах клітин, тільки невелика частина ДНК знаходиться у мітохондріях. Молекули ДНК дуже довгі. У ядрі клітини вони разом з білками створюють хромосоми. У хромосомах подвійна спіраль.

ДНК, в свою чергу, накручена на білки - гістони. Ці структури ще кілька разів укладаються в спіраль. ДНК мітохондрій представ лена у вигляді кільцевих молекул, не пов'язаних з гістонами, і кодує обмежену кількість інформації.

Дивись відео про ДНК

Реплікація ДНК - це процес, в результаті якого молекула ДНК подвоюється і утворюються дві її копії. Реплікація контролюється цілим рядом ферментів. Вона починається з розриву водневих зв'язків у деяких ділянках ДНК. Утворюються так звані «Реплікаційний здуття», які поступово розширюються в обидва боки від однієї ДНК У міру просування вздовж молекули ці здуття зливаються, спіраль молекули ДНК розкручується. Окремі полінуклеотидні нитки, що утворилися, служать матрицею для відтворення нових ланцюгів. За участю ферменту ДНК-полімерази з наявних в середовищі окремих нуклеотидів починають будуватися нові, компліментарні вихідним ниткам ланцюжка. Вони з'єднуються водневими зв'язками з нуклеотидами первоначальної ДНК таким чином, що аденін завжди зв’язується з тиміном, а гуанін - цитозином. В результаті відтворюється точна послідовність пар нуклеотидів вихідної ДНК.

Реплікація відбувається одночасно на обох полінуклеотидних ланцюжках первісної молекули, але з різною швидкістю. Формування одного ланцюга (лідируючого) йде безперервно і швидко. Утворення Другого (відстаючого) спочатку окремими короткими фрагментами (фрагменти Окадзакі). У подальшому ці фрагменти зшиваються між собою ферментом ДНК-лігази. Після закінчення реплікації з однієї батьківської ДНК утворюються дві дочірні, які представляють подвійні спирали і є точними копіями вихідної молекули.

Основне значення процесу реплікації заключається в забезпеченні передачі знову утвореним молекулам ДНК спадкової інформації, яка визначається

послідовністю нуклеотидів. Реплікація відбувається в 8-періоді мітотичного циклу клітини. У молекулах, що сформувалися після реплікації, копіюється структура вихідної ДНК. При цьому хромосоми складаються з двох хроматид. В процесі розподілу кожна з новоутворених клітин отримує по одній хромати-де від кожної хромосоми, тобто по копії вихідної ДНК. В результаті спадкова інформація у вигляді послідовності нуклеотидів передається від материнської клітини до дочірніх.