ДНК, ее строение и биологическое значение. Репликация молекул ДНК

Проведенные исследования и опыты на бактериях и вирусах, растениях и животных убедительно доказали о связи наследственности организма с хромосомами.

Хромосомы несут в себе информацию о свойствах и признаках организма. Эта наследственная информация через хромосомы и клетки передается от одного поколения к другому. Таким образом, клетка является генетической системой, где сосредоточена вся наследственная информация. Ядро является хранилищем наследственной информации, а местом реализации наследственной информации – является цитоплазма.

По химическому составу хромосомы состоят из нуклеиновых кислот (ДНК, РНК и белка типа гистонов).

Нуклеиновые кислоты открыты в 1868г. Ф. Мишером, который выделил их из клеточных ядер человека, а затем из спермиев лососей.

Найденное вещество назвали нуклеином, подчеркнув их принадлежность к клеточному ядру. ДНК и РНК обладает способностью воспроизводить себе подобные и контролировать синтез строго специфических белков или ферментов.

ДНК и РНК принадлежит ведущая роль в передаче наследственной информации. Они имеют различные функции, различное химическое строение и места расположения.

ДНК – ее основная масса находится в хромосомах ядра. Сравнительно небольшая часть ДНК, около 5;% локализованы в митохондриях.

РНК – рибонуклеиновая кислота, ее основная масса находится в цитоплазме.

ДНК – гигантская молекула, она компактно упакована в хромосоме. В каждой хромосоме содержится всего одна молекула ДНК.

ДНК – по своей природе представляет собой сложный биологический полимер, имеет организованную систему, высокий молекулярный вес от 5 до 40млн. ед.может доходить до 100 млн. ед. Линейные размеры хромосомы примерно в 10000 раз меньше, чем содержащейся в ней ДНК. Модель структуры ДНК была предложена в 1953году Дж. Уотсоном и Ф. Криком.

В бактериальной клетке длина молекул ДНК достигает 1см, а в клетке человеческого тела более 1м (длина ДНК в 46 хромосомах).

У взрослого человека примерно 5х 10¹³ клеток, так что общая длина молекул ДНК в организме 10¹¹ км (почти в тысячу раз больше расстояние от Земли до Солнца).

В состав ДНК входит сахар-дезоксирибоза фосфорные остатки и азотистые основания.

Азотистые основания 2^х типов:

аденин (А)

пуриновые

гуанин (Г)

тимин (Т)

пиримидиновые

цитозин (Ц)

Комплекс: фосфорной кислоты

сахара дезоксирибозы (углевод)

азотистые основания

Ф-Д образуют нуклеотид

׀

А

Комплекс: Д сахара дезоксирибозы

׀

А азотистые основания образуют нуклеозид

Название нуклеотида обычно происходит от входящего в его состав нуклеозида, порядкового номера атома пентозы, к которому присоединен остаток фосфорной кислоты, или называют, как кислоту, по азотистому основанию. Название нуклеозида определяется содержащимся в нем азотистым основанием. Так, рибонуклеозид, имеющий в составе молекулы аденин, называют аденозином, гуанин – гуанозином, Тимин- тимидином, цитозин – цитидином, урацил – уридином. Дезоксирибонуклеозид: дезоксиаденозин, дезоксигуанозин, дезоксицитидин, тимидин.

Химический анализ показал, что в ДНК любых организмов количество А (аденина) всегда точно соответствует количеству Т (тимина), а количество гуанина – количеству Ц (цитозина) А=Т, Ц=Г. Таким образом, сумма пуриновых оснований (А+Г) равна сумме пиримидиновых оснований (Т+Ц). Эта зависимость была впервые установлена американским биохимиком Э. Чаргаффом А+Г / Т+Ц = 1 (правило нуклеиновых отношений)

В ДНК азотистые основания соединены друг с другом водородными связями в строго определенном сочетании, аденин всегда только с тимином, цитозин только с гуанином. Связь, при которой друг с другом соединяются лишь строго определенные химические вещества А↔Т и Г↔Ц, называется комплементарной.

Для каждого вида и индивидуума имеется специфическая молекула ДНК или наследственность.

Биологическое значение ДНК – в том, что на ней зашифрована вся наследственная информация любого организма.

Индивидуальность наследственной информации обеспечивается числом и порядком чередований азотистых оснований.

Каждый индивид имеет свою ДНК (вот в этом состоит барьер несовместимости - при пересадке кожи или других каких органов от одного человека другому, ДНК донора не совпадает с ДНК реципиента (больного), происходит отторжение даже через несколько лет.

В соматических клетках и ДНК в два раза больше, чем в половых, потому, что в соматический диплоидный набор хромосом, а в половых – гаплоидный.

ДНК всех живых существ в целом устроена одинаково, однако у разных видов установлено разное отношение молекулярной суммы А+Т к молекулярной сумме Г+Ц. Это отношение называют коэффициентом видовой специфичности введенной Д. Уотсоном. Видовая специфичность выражается долей в ней пар ГЦ. Эта доля неодинакова у разных видов.

А+Т

Г+Ц = 0,75 – данное соотношение у крупного рогатого скота;

0,72 – у кур;

1,04 – кишечной палочки;

0,66 – у человека.

Рентгеноструктурный анализ показал, что молекула ДНК состоит из двух цепей, эти спирально закрученные цепи (вокруг собственной оси) могут вытягиваться и складываться.

Наружный остов этих нитей состоит из чередующихся молекул сахара и фосфора, а внутреннюю часть составляют пары азотистых оснований, соединенных между собой водородными связями между аденином (А) и тимином (Т) двойная водородная связь. Цитозином (Ц) и гуанином (Г), тройная (А=Т) (Г=Ц). Молекула ДНК способна к автосинтезу (самоудвоению) – репликации.

Синтез ДНК. Этот процесс проходит в период клеточного покоя. ДНК находится в хромосомах и репликация её происходит перед каждым удвоением хромосом и делением клетки.

Репликация начинается с одного конца молекулы ДНК (в определенной точке старта) в хромосомах эукариот несколько точек. Спиралевидная ДНК раскручивается (расплетается вдоль оси, под действием комплекса ферментов) – главное из которых получил название ДНК – полимераза. Водородные связи разрываются на отдельных участках образуют вилку репликации.

Комплементарные нити разъединяются и каждая нить становится матрицей на которой проходит синтез и образование дочерних нитей.

У эукариот на каждой нити ДНК процесс репликации идет неодинаково. Репликация на материнской цепи, идущей от точки старта, идет ввиде сплошной линии, получившей название лидирующей.

Лидирующая нить – синтезируется при участии фермента ДНК – полимераза. Синтез «запаздывающей» нити идет сложней с участием комплекса ферментов, в противоположном направлении синтеза лидирующей нити. Вначале образуются отрезки-реплики новой дочерней нити ДНК. Они называются по имени открывшего их японского ученого Р. Оказаки. После завершения синтеза фрагменты Оказаки соединяются при помощи фермента лигазы в общую полинуклеотидную цепочку.

Чтобы доказать, что на молекуле ДНК записана вся наследственная информация проводился опыт на вирусах и бактериях и с помощью явлений трансформации, трансдукции и коньюгации доказано, что вся наследственная информация записана на ДНК.