загрузка...
 
ДЕЗОКСИРИБОНУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ
Повернутись до змісту

ДЕЗОКСИРИБОНУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ

По общему плану устройства первичной структуры молекулы ДНК не имеют принципиальных отличий от РНК. Есть лишь две особенности. Во-первых, вместо рибозы в молекулах ДНК содержится дезоксирибоза. Во-вторых, в них отсутствует урацил. но есть 5-ме- тилурацил, именуемый обычно тимином (см. рис. 2-1).

С учетом этих нюансов, все изложенное про структуру РНК полностью распространяется и на ДНК. Это касается и способа соединения мономеров, которое тоже происходит в направлении 5'—>3' (хотя ферментом в данном случае является ДНК-полимераза).

Главные различия начинаются с пространственной организации макромолекул. Если РНК представляет собой единственную полимерную цепь, то молекула ДНК всегда (за исключением ДНК некоторых вирусов) состоит из двух полинуклеотидных цепей, расположенных параллельно. Они не одинаковы по строению и даже не являются зеркальным отражением одна другой. Вместе с тем, эти цепи строго соответствуют друг другу. Высокую точность их взаимной ком п лементарности обеспечивает одна структурная закономерность: против крупного (бициклического) основания одной цепн всегда находится менее объемное пиримидиновое основание, принадлежащее смежной цепи. Точнее, пуриновые основания образуют с пиримидиновыми только

такие пары: А Т и Г     Ц (рис. 2-14). Именно

в этих парах основания комплементарны друг другу и, будучи соединены водородными связями, точно укладываются в расстояние между двумя параллельными пентозофосфатными «стержнями» молекулы ДНК (дистанция меж глиикозидными связями их пентоз составляет около 1,1 нм).

Рис. 2-16. Схема двойной спирали ДНК по Дж. Уотсону и Ф. Крику.

Таким образом, молекулу ДНК можно представить как две нити. Обе формируются

чередованием остатков фосфата и дезоксири- бозы и имеют боковые «веточки» в виде А, Г, Ц или Т на каждом пентозном звене (рис. 2-15). Благодаря комплементарности в парах А  Т и Г     Ц комплементарными между собой оказываются и сами цепи: порядок чередования азотистых оснований в одной из них строго соответствует последовательности их в другой (но не тождественен ей!). Важно отметить, что эти цепи антипараллельны: если в одной из них направление 5'—>3' обращено, например, сверху вниз (как на рис. 2-15, слева), то в другой (изображенной справа) оно ориентировано наоборот — снизу вверх.

Двухцепочечное строение молекулы ДНК постулировали в 1953 г. Джеймс Уотсон и Френсис Крик. Под впечатлением только что опубликованных гипотез о возможных вариантах вторичной структуры белка они подвергли анализу ставшие известными картины дифракции рентгеновских лучей на нити ДНК. На этой основе ученые предложили структурную модель, согласно которой молекула ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, закрученных вокруг общей оси (рис. 2“ 16). Самым ценным в этой модели двойной спирали ДНК явилось обоснование комплементарности цепей как результата комплементарности пар азотистых оснований, сидящих на спирализо- ванном пентозофосфатном остове каждой из них. При этом пуриновые и пиримидиновые основания находятся внутри спирали, а высоко гидрофильные пеитозофосфатные цепи обвивают их снаружи. Имея плоскую, преимущественно неполярную структуру, каждое азотистое основание одной цепи соединено водородными связями с парным ему основанием другой цепи, находящимся в той же плоскости, перпендикулярной оси спирали. Поэтому пространственная организация молекулы ДНК фиксируется не только водородными связями (А с Т, Г с Ц), направленными поперек цепей, но и гидрофобными взаимодействиями, которые возникают между плоскостями азотистых оснований, уложенных стопкой внутри двойной спирали.

Правильность модели, предложенной Дж. Уотсоном и Ф. Криком, вскоре получила экспериментальные подтверждения. Дальнейшие исследования позволили значительно развить представления о пространственной организации молекул ДНК. В частности, была установлена вариабельность конформации двойной спирали. Вариант правозакрученной спирали, описанный первооткрывателями, насчитывает 10 пар оснований (п.о.) в одном витке, а шаг ее составляет 3,4 нм при толщине 2 нм. Эта форма считается доминирующей в физиологических условиях и теперь обозначается как В-форма. Другой из известных теперь вариантов (А-форма) имеет несколько меньший диаметр и содержит II п.о. в каждом витке протяженностью 2,8 нм (по оси спирали). Выявлен и левозакрученный вариант спирали (г-форма): при толщине 1,7 нм она содержит 12 п.о. на каждый виток.

Даже будучи скрученной в двойную спираль, молекула ДНК остается чрезвычайно длинной, достигая 8 см (в хромосоме 2 человека). При поперечнике 2 нм это делает ее крайне уязвимой. Поэтому важное значение имеют высшие структуры ДНК, призванные обеспечить компактную укладку. Начальным элементом упаковки являются нуклеосомы. Сердцевину каждой из них составляет октамер, образуемый четырьмя димерами гистонов Н2А, Н2В, НЗ и Н4. Вокруг такого белкового комплекса, богатого положительными зарядами, участок двойной спирали длиной около 150 п.о. делает почти два оборота. Начало и конец этих оборотов фиксируются на нуклеосоме гистоном Н1. В результате каждая нуклеосома почти в 7 раз укорачивает «свой» фрагмент ДНК и, кроме того, защищает его от воздействия ферментов. Участки двойной спирали (длиной в десятки п.о.), расположенные между соседними нук- леосомами, называют линкерными.

Образованная структура похожа на цепь бусинок толщиной около 10 нм. Она затем складывается (возможно, спиралеобразно) в более толстую нить (диаметром до 30 нм), которая образует сильно вытянутые боковые петли (500-1000 п.о. каждая). Основания этих тесно уложенных петель закреплены на центральном остове из негистоновых белков,, пока еще почти не изученных. Перечисленные уровни конденсации ДНК позволяют сократить линейные размеры молекулы на 4 порядка, уместив ее пределах хромосомы.

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ПОТЕНЦИАЛ МОЛЕКУЛ ДНК

Длительное время считалось, что носителем наследственности являются хромосомные белки. Такому пониманию способствовали и успехи иммунологии, демонстрировавшей не только видовые различия этих макромолекул, но и специфику белков каждого индивидуума. Лишь в 1944 г. было показано, что с помощью ДНК, выделенной из патогенных пневмококков, можно передавать наследуемые признаки (вирулентность, способность синтезировать капсулу) непатогенному, бескапсульному мутанту этих бактерий. Более того, оказалось, что перенесенные вместе с ДНК качества закрепляются в потомстве. Через 8 лет определяющую роль ДНК в наследственности подтвердили и опыты с мечеными атомами - 32Р (для ДНК) и 35S (для белков). Когда Дж. Уотсон и Ф. Крик предложили модель двойной спирали ДНК, сразу же стала очевидной ее пригодность для объяснения механизма точного копирования этих молекул, наступающего при делении клеток. Они постулировали, что двойная спираль может расплетаться, позволяя полинук- леотидным нитям расходиться так, чтобы на каждой из них, как на шаблоне (матрице), могла синтезироваться новая нить, полностью комплементарная своей матрице (рис. 2-17). В результате появляются две новые двухцепочечные молекулы, являющиеся точными копиями исходной (родительской) ДНК. При этом каждая из копий содержит одну родительскую нить, а вторую — вновь синтезированную, точно повторяющую ту цепь, которая оказалась в другой дочерней молекуле ДНК.

Среди атрибутов подлинной науки — ее предсказательная сила. Модель двойной спи-

Рис. 2-17. Принцип удвоения (рапликации) молекулы ДНК: А - расхождение полинуклеотидных цепей родительской ДНК (выделены затенением); Б * построение новых цепей, комплементарных каяедой из исходных «половинок».

рали ДНК открыла путь к разработке немыслимых ранее методов, многие из которых используют принцип комплементарности. Усилиями мирового научного сообщества вскоре были не только раскрыты молекулярные основы наследственности и механизмы биосинтеза белка, но и обеспечено бурное развитие всего комплекса биологических наук, включая создание различных направлений современной биотехнологии.

Теперь мы знаем, что наследственность - это способность передавать потомству информацию о строении белковых молекул, специфичных для данного организма.

Материальным носителем этой информации являются молекулы ДНК (у некоторых вирусов - молекулы РНК). Она закодирована в них характером чередования четырех азотистых оснований на стандартном пентозофос- фатном остове. Совокупность -всех молекул ДНК клеточного ядра обозначается как геном. Собственной ДНК (довольно скромных размеров) обладают также митохондрии (и хлоро- пласты).

Полностью расшифровать геном человека удалось уже к 2001 году. Оказалось, что он содержит почти 3 млрд пар азотистых оснований (в эухроматических участках ДНК хромосом) и несет информацию о структуре примерно 26,5 тысяч белков. Для записи этой информации используется лишь 25% общей протяженности всех ядерных ДНК.

Роль любой молекулы ДНК двуедина. Во- первых - хранение наследственной информации и безошибочная передача ее при смене поколений. Это обеспечивается дублированием информации в комплементарных цепях ДНК. Оно открывает возможность самовоспроизвод- ства (репликации) каждой молекулы ДНК при делении клетки (см. рис. 2-17).

Другой аспект функционального предназначения ДНК - передача генетической информации системам, строящим белковые молекулы. Она реализуется путем синтеза молекулы РНК, комплементарной тому или иному участку одной из цепей молекулы ДНК. У эукариот каждый такой участок — ген — несет информацию о структуре одной полипептидной цепи и является минимальной единицей наследственной информации. Сам процесс считывания указаний, заключенных в структуре гена, обозначается термином транскрипция (переписывание), а образующийся продукт {транскрипт) получил название информационной РНК (иРНК), поскольку она переносит информацию от ДНК к месту синтеза белка. Чаще ее обозначают как мРНК, производя это сокращение от распространенного термина мессенджер-РНК (messenger — связной, посыльный, курьер) либо от названия матричная РНК, принятого в русской литературе и отражающего тот факт, что мРНК синтезируется на ДНК как на матрице и, в свою очередь, служит матрицей для наработки молекул соответствующего белка.



загрузка...