Биохимические основы наследственности

Строение, функции и синтез ДНК. Материальными носителями наследственной информации являются нуклеиновые кислоты. Они были открыты в 1869 г. Фридрихом Мишером, выделившим из ядер клеток человека вещество, названное им нуклеином. В дальнейшим были изучены строение и молекулярная структура нуклеина и установлено, что он представлен двумя типами нуклеиновых кислот – ДНК, локализованной преимущественно в ядре, и РНК, находящейся в ядре и цитоплазме.

Ученый Кольцов – гипотеза о самокопировании генетического материала и способности его управлять клеткой и организмом.

1929г., бактериолог Гриффитс – провел опыт с колониями пневмококков штамма С (вирулентный) и Р (без капсулы), поэтому съедается макрофагами и не заражает мышей), он смешал вирулентный, убитый нагреванием, и невирулентный, в итоге мыши умерли. однако он так и не выявил причину превращения бактерий из мертвых в живые вирулентные. Только в 1944 г. учеными Эвери и др. было выявлено, что эта трансформация происходит за счет ДНК, ее добавляли в колонии безкапсульных, и они тутже обрастали капсулой, т.е. формировались гладкие колонии.

Эксперимент Херши и Чейза – использовали радиоактивные изотопы фосфор (входит в ДНК) и серу (в состав оболочки вируса фага), в зараженную кишечную палочку проникал только фосфор (и соответственно ДНК)

ДНК – это гетерополимер, мономерами которого является нуклеотиды. Каждый нуклеотид включает 3 компонента:

– остататок фосфорной кислоты – сахар (дезоксирибоза)

– азотистое основание

Пуриновые азотистые основания – аденин и гуанин,

пиримидиновые – тимин и цитозин.

Специфичность каждого нуклеотида определяется наличием соответствующего азотистого основания, поэтому нуклеотиды принято обозначать начальными буквами азотистых оснований – А, Г, Т или Ц. Нуклеотиды соединяются между собой прочными ковалентными фосфодиэфирными связями в длинную цепочку (10⁸ и >). Каждый фосфат связан с 5' углеродным атомом дезоксирибозы одного нуклеотида и с 3' атомом другого. Благодаря такому соединению нуклеотидов молекула ДНК обладает полярностью (3' и 5'-конец).

Структурная формула молекулы ДНК была установлена в 1953 г. Джеймсом Уотсоном и Френсисом Криком.

Молекула ДНК представляет собой двухцепочечную правовинтовую спираль, в которой азотистые основания ориентированы вовнутрь и соединены попарно водородными связями: А с Т – 2-мя, Г и Ц – 3-мя. Сахар и фосфат и ориентированы кнаружи спирали. Важная особенность – антипараллельность этих полинуклеотидных цепей, 5 конец соединяется с 3, и наоборот. Диаметр спирали составляет 2 нм (2*10 ^-9 м), длина шага 3,4 нм. В каждый виток входит 10 пар нуклеотидов. Таким образом, в структурной организации молекулы ДНК выделяют первичную структуру – полинуклеотидную цепь, вторичную структуру – две комплементарные друг другу и антипараллельные полинуклеотидные цепи, соединенные водородными связями, и третичную структуру – трехмерную спираль. Дж. Уотсоном было введено понятие о видовой специфичности ДНК – (А+Т): (Г+Ц) – число нуклеотидов и их последовательность в молекуле ДНК специфичны для каждого вида и частично для каждой особи. Молекула ДНК обладает исключительным многообразием. Если предположить. что у млекопитающих в ДНК содержится 10⁸ нуклеотидов, то число молекул ДНК будет 4 в степени 10⁸. Таким образом в молекуле ДНК может быть записан любой объем информации, уникальной и специфичной для каждой особи.

Репликация молекулы ДНК

Синтезируются новые молекулы ДНК в ядре в S-период интерфазы клеточного цикла путём самокопирования (удваивания), который называется репликация.

Существуют три гипотезы репликации.

Наиболее вероятной является полуконсервативная гипотеза.

Участок, где начинают расплетаться комплементарные нити, называется вилкой репликации. «Расплетает» двойную спираль фермент топоизомераза, разрывает водородные связи между нуклеотидами хеликаза. Далее репликация на каждой из нитей идёт неодинаково, т.к. они антипараллельны. Фермент ДНК-полимераза может строить цепочку только в одном направлении – от 5' – конца к 3'-концу. Идёт от 3' к 5', строит от 5' к 3'.

Одна из нитей синтезируется от 5' конца к 3' концу в виде сплошной комплементарной цепочки последовательно нуклеотид за нуклеотидом и называется «лидирующей».

Синтез «запаздывающей» нити происходит сложнее. Вначале образуются отрезки (реплики) новой дочерней нити ДНК, соединение которых между собой обеспечивает фермент лигаза. Отрезки назвали фрагментами Оказаки по имени описавшего их японского учёного.

Схематическое изображение процесса репликации, цифрами отмечены: (1) запаздывающая нить, (2) лидирующая нить, (3) ДНК полимераза (Polα), (4) ДНК лигаза, (5) РНК праймер, (6) ДНК праймаза, (7) фрагмент Оказаки, (8) ДНК полимераза (Polδ), (9) хеликаза, (10) одиночная нить со связанными белками, (11) топоизомераза

Функция ДНК – хранение наследственной информации и передач её из поколения в поколение.

Свойства ДНК

1. ДНК, выделенная из различных тканей одного и того же организма имеет одинаковый нуклеотидный состав.

2. Нуклеотидный состав ДНК разных видов различен (причём у близких видов – сходный, у эволюционно отдалённых – заметно отличающийся).

3. Нуклеотидный состав ДНК у организма данного вида не зависит от возраста организма, условий питания и внешней среды.

4. Поскольку число отстатков аденина равно числу остатков тимина (А=Т) и Г = Ц, то А+Г = Т+Ц, следовательно =1 (число пуриновых = числу пиримидиновых).

5. Соотношение специфично для каждого вида и частично для каждой особи. Его называют коэффициентом видовой специфичности.