МОСКВА, 25 апр — РИА Новости, Татьяна Пичугина. Ровно 65 лет назад британские ученые Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик опубликовали статью о расшифровке структуры ДНК, заложив основы новой науки — молекулярной биологии. Это открытие изменило очень многое в жизни человечества. РИА Новости рассказывает о свойствах молекулы ДНК и о том, почему она так важна.

Во второй половине XIX века биология была совсем молодой наукой. Ученые только приступали к исследованию клетки, а представления о наследственности, хотя и были уже сформулированы Грегором Менделем, не получили широкого признания.

Весной 1868 года молодой швейцарский врач Фридрих Мишер приехал в Университет города Тюбингена (Германия), чтобы заняться научной работой. Он намеревался узнать, из каких веществ состоит клетка. Для экспериментов выбрал лейкоциты, которые легко получить из гноя.

Отделяя ядро от протоплазмы, белков и жиров, Мишер обнаружил соединение с большим содержанием фосфора. Он назвал эту молекулу нуклеином ("нуклеус" на латыни — ядро).

Это соединение проявляло кислотные свойства, поэтому возник термин "нуклеиновая кислота". Его приставка "дезоксирибо" означает, что молекула содержит H-группы и сахара. Потом выяснилось, что на самом деле это соль, но название менять не стали.

В начале XX века ученые уже знали, что нуклеин представляет собой полимер (то есть очень длинную гибкую молекулу из повторяющихся звеньев), звенья сложены четырьмя азотистыми основаниями (аденином, тимином, гуанином и цитозином), а нуклеин содержится в хромосомах — компактных структурах, которые возникают в делящихся клетках. Их способность передавать наследственные признаки продемонстрировал американский генетик Томас Морган в опытах на дрозофилах.

Модель, объяснившая гены

А вот что делает в ядре клетки дезоксирибонуклеиновая кислота, сокращенно ДНК, долго не понимали. Считалось, что она играет какую-то структурную роль в хромосомах. Единицам наследственности — генам — приписывали белковую природу. Прорыв совершил американский исследователь Освальд Эвери, опытным путем доказавший, что генетический материал передается от бактерии к бактерии посредством ДНК.

Стало ясно, что ДНК нужно изучать. Но как? В то время ученым был доступен только рентген. Чтобы просвечивать им биологические молекулы, их приходилось кристаллизовать, а это сложно. Расшифровкой структуры белковых молекул по рентгенограммам занимались в Кавендишской лаборатории (Кембридж, Великобритания). Работавшие там молодые исследователи Джеймс Уотсон и Френсис Крик не располагали собственными экспериментальными данными по ДНК, поэтому они воспользовались рентгенограммами коллег из Королевского колледжа Мориса Уилкинса и Розалинды Франклин.

Уотсон и Крик предложили модель структуры ДНК, точно соответствующую рентгенограммам: две параллельные цепочки закручены в правую спираль. Каждая цепочка складывается произвольным набором азотистых оснований, нанизанных на остов их сахаров и фосфатов, и удерживается водородными связями, протянутыми между основаниями. Причем аденин соединяется только с тимином, а гуанин — с цитозином. Это правило называют принципом комплементарности.

Модель Уотсона и Крика объясняла четыре главных функции ДНК: репликацию генетического материала, его специфику, хранение информации в молекуле и ее способность мутировать.

Ученые опубликовали свое открытие в журнале Nature 25 апреля 1953 года. Через десять лет им вместе с Морисом Уилкинсом присудили Нобелевскую премию по биологии (Розалинда Франклин скончалась в 1958 году от рака в возрасте 37 лет).

"Теперь, более полувека спустя, можно констатировать, что открытие структуры ДНК сыграло в развитии биологии такую же роль, как в физике — открытие атомного ядра. Выяснение строения атома привело к рождению новой, квантовой физики, а открытие строения ДНК привело к рождению новой, молекулярной биологии", — пишет Максим Франк-Каменецкий, выдающийся генетик, исследователь ДНК, автор книги "Самая главная молекула".

Генетический код

Теперь оставалось узнать, как эта молекула действует. Было известно, что ДНК содержит инструкции для синтеза клеточных белков, которые выполняют всю работу в клетке. Белки — это полимеры, состоящие из повторяющихся наборов (последовательностей) аминокислот. Причем аминокислот — всего двадцать. Виды животных отличаются друг от друга набором белков в клетках, то есть разными последовательностями аминокислот. Генетика утверждала, что эти последовательности задаются генами, которые, как тогда считали, служат первокирпичиками жизни. Но что такое гены, никто в точности не представлял.

Ясность внес автор теории Большого взрыва физик Георгий Гамов, сотрудник Университета Джорджа Вашингтона (США). Основываясь на модели двухцепочечной спирали ДНК Уотсона и Крика, он предположил, что ген — это участок ДНК, то есть некая последовательность звеньев — нуклеотидов. Поскольку каждый нуклеотид — это одно из четырех азотистых оснований, то нужно просто выяснить, как четыре элемента кодируют двадцать. В этом состояла идея генетического кода.

К началу 1960-х установили, что белки синтезируются из аминокислот в рибосомах — своего рода "фабриках" внутри клетки. Чтобы приступить к синтезу белка, к ДНК приближается фермент, распознает определенный участок в начале гена, синтезирует копию гена в виде маленькой РНК (ее называют матричной), затем уже в рибосоме из аминокислот выращивается белок.

Выяснили также, что генетический код — трехбуквенный. Это значит, что одной аминокислоте соответствуют три нуклеотида. Единицу кода назвали кодоном. В рибосоме информация с мРНК считывается кодон за кодоном, последовательно. И каждому из них соответствует несколько аминокислот. Как же выглядит шифр?

На этот вопрос ответили Маршалл Ниренберг и Генрих Маттеи из США. В 1961 году они впервые доложили свои результаты на биохимическом конгрессе в Москве. К 1967-му генетический код полностью расшифровали. Он оказался универсальным для всех клеток всех организмов, что имело далеко идущие последствия для науки.

Открытие структуры ДНК и генетического кода полностью переориентировало биологические исследования. То, что у каждого индивида уникальная последовательность ДНК, кардинально изменило криминалистику. Расшифровка генома человека дала антропологам совершенно новый метод изучения эволюции нашего вида. Недавно изобретенный редактор ДНК CRISPR-Cas позволил сильно продвинуть вперед генную инженерию. По всей видимости, в этой молекуле хранится решение и самых злободневных проблем человечества: рака, генетических заболеваний, старения.

Молекула ДНК - это полинуклеотид, мономерными единицами которого служат четыре дезоксирибонуклеотида (дАМФ, дГМФ, дЦМФ и дТМФ). Соотношение и нуклеотидов в ДНК разных организмов различны. Кроме главных азотистых оснований в ДНК содержатся и другие дезоксирибонуклеотиды с минорными основаниями: 5-метилцитозин, 5-оксиметилцитозин, 6-метиламинопурин.

После того как появилась возможность использования метода рентгеновской кристаллографии для изучения биологических макромолекул и получения совершенных рентгенограмм, удалось выяснить молекулярную структуру ДНК. Указанный метод основан на том, что пучок параллельных рентгеновских лучей, падающих на кристаллическое скопление атомов, образует дифракционную картину, которая в основном зависит от атомной массы этих атомов, их расположения в пространстве. В 40-х годах прошлого века была выдвинута теория о трехмерной структуре молекулы ДНК. У. Астбюри доказал, что представляет собой стопку из наложенных один на другой плоских нуклеотидов.

Первичная структура молекулы ДНК

Под первичной структурой нуклеиновых кислот подразумевают последовательность расположения нуклеотидов в полинуклеотидной цепи ДНК. Нуклеотиды связываются между собой при помощи фосфодиэфирных связей, которые образуются между ОН-группой в положении 5 дезоксирибозы одного нуклеотида и ОН-группой в положении 3 пентозы другого.

Биологические свойства нуклеиновых кислот определяются качественным соотношением и последовательностью нуклеотидов вдоль полинуклеотидной цепи.

Нуклеотидный состав ДНК у организмов разных специфичен и определяется отношением (Г + Ц)/(А + Т). С помощью коэффициента специфичности была определена степень гетерогенности нуклеотидного состава ДНК у организмов различного происхождения. Так, у высших растений и животных отношение (Г+Ц)/(А+Т) колеблется незначительно и имеет значение больше 1. Для микроорганизмов коэффициент специфичности изменяется в широких пределах — от 0,35 до 2,70. Вместе с тем данного биологического вида содержат ДНК одного и того же нуклеотидного состава, т. е. можно сказать, что по содержанию ГЦ-пар оснований ДНК одного вида идентичны.

Определение гетерогенности нуклеотидного состава ДНК по коэффициенту специфичности еще не дает информации о ее биологических свойствах. Последнее обусловлено различной последовательностью отдельных нуклеотидных участков в полинуклеотидной цепи. Это значит, что генетическая информация в молекулах ДНК закодирована в специфической последовательности ее мономерных единиц.

Молекула ДНК содержит нуклеотидные последовательности, предназначенные для инициации и терминации процессов синтеза синтеза РНК (транскрипция), (трансляция). Имеются нуклеотидные последовательности, которые служат для связывания специфических активирующих и ингибирующих регуляторных молекул, а также нуклеотидные последовательности, не несущие какой-либо генетической информации. Существуют также модифицированные области, которые защищают молекулу от действия нуклеаз.

Проблема нуклеотидной последовательности ДНК до настоящего времени полностью не разрешена. Определение нуклеотидной последовательности нуклеиновых кислот является трудоемкой процедурой, предусматривающей применение метода специфического нуклеазного расщепления молекул на отдельные фрагменты. На сегодняшний день полная нуклеотидная последовательность азотистых оснований установлена для большинства тРНК разного происхождения.

Молекула ДНК: вторичная структура

Уотсон и Крик спроектировали модель двойной спирали Согласно данной модели две полинуклеотидных цепи обвивают друг друга, при этом образуется своеобразная спираль.

Азотистые основания в них расположены внутри структуры, а фосфодиэфирный остов — снаружи.

Молекула ДНК: третичная структура

Линейная ДНК в клетке имеет форму вытянутой молекулы, она упакована в компактную структуру и занимает всего 1/5 объема клетки. Например, длина ДНК хромосомы человека достигает 8 см, а упакована так, что умещается в хромосоме с длиной 5 нм. Подобная укладка возможна благодаря наличию спирализованных структур ДНК. Из этого следует, что двухцепочечная спираль ДНК в пространстве может подвергаться дальнейшей укладке в определенную третичную структуру — суперспираль. Суперспиральная конформация ДНК характерна для хромосом высших организмов. Подобная третичная структура стабилизируется за счет с остатками аминокислот, входящих в состав тех белков, которые образуют нуклеопротеидный комплекс (хроматин). Следовательно, ДНК ассоциирована с белками главным образом основного характера — гистонами, а также кислыми белками и фосфопротеидами.

(наряду с РНК), которые являются полимерами, а точнее - полинуклеотидами (мономер - нуклеотид).

ДНК отвечает за хранение и передачу при делении клеток генетического кода. Именно через молекулы ДНК реализуются наследственность и изменчивость. На ДНК синтезируются все виды РНК. Далее различные типы РНК совместно обеспечивают синтез белков клетки, т. е. реализуют генетическую информацию.

В клетках эукариот подавляющее количество ДНК находится в ядре, где они образуют комплексы с особыми белками, в результате чего образуются хромосомы. В клетках прокариот существует одна большая кольцевая (или линейная) молекула ДНК (также в комплексе с белками). Кроме того в клетках эукариот своя ДНК есть в митохондриях и хлоропластах.

В случае ДНК каждый нуклеотид состоит из 1) азотистого основания, которое может быть аденином, гуанином, цитозином или тимином, 2) дезоксирибозы, 3) фосфорной кислоты.

Последовательность нуклеотидов в цепочке ДНК определяет первичную структуру молекулы. Для ДНК характерна вторичная структура молекулы в форме двойной спирали (чаще всего правозакрученной). При этом две цепи ДНК соединяются между собой водородными связями, образуемыми между комплементарными азотистыми основаниями.

Аденин комплементарен тимину, а гуанин – цитозину. Между аденином и тимином образуются две водородные связи, а между гуанином и цитозином - три. Таким образом, гуанин и цитозин соединены между собой немного прочнее (хотя водородные связи в принципе слабые). Количество связей определяется особенностями строения молекул.

Аденин и гуанин относятся к пуринам и состоят из двух колец. Тимин и цитозин относятся к пиримидиновым основаниям, состоящим из одного кольца. Таким образом между остовами (состоящими из чередующихся дезоксирибозы и фосфорной кислоты) двух цепей ДНК при любой паре нуклеотидов разных цепей всегда существует три кольца (поскольку двухкольцовый пурин всегда комплементарен только определенному однокольцовому пиримидину). Это позволяет сохранять ширину между цепями молекулы ДНК одинаковой на всем протяжении (примерно 2,3 нм).

В одном витке спирали находится примерно 10 нуклеотидов. Длина одного нуклеотида примерно 0,34 нм. Длина же молекул ДНК обычно огромна, превышает миллионы нуклеотидов. Поэтому, чтобы более компактно разместиться в ядре клетки, ДНК подвергается различной степени «сверхспирализации».

При считывании информации с ДНК (то есть синтезе на ней РНК, этот процесс называется транскрипцией ) происходит деспирализация (процесс обратный спирализации), две цепочки расходятся под действием специального фермента. Водородные связи слабые, поэтому разделение и в последующем сшивание цепей происходит при малой затрате энергии. РНК синтезируется на ДНК согласно все тому же принципу комплементарности. Только вместо тимина в РНК аденину комплементарен урацил.

Генетический код, записанный на молекулах ДНК, состоит из триплетов (последовательностей трех нуклеотидов), которые обозначают одну аминокислоту (мономер белка). Однако большая часть ДНК не кодирует белок. Значение таких участков молекулы различно, во многом до конца не выяснено.

Перед делением клетки всегда происходит удвоение количества ДНК. Этот процесс называется репликацией . Она носит полуконсервативный характер: цепи одной молекулы ДНК расходятся, и на каждой достраивается своя новая комплементарная цепь. В итоге из одной двухцепочной молекулы ДНК получаются две двухцепочные ДНК, идентичные первой.

В ДНК полинуклеотидные цепи разнонаправлены, т. е. там где у одной цепи 5"-конец (остаток фосфорной кислоты присоединен к пятому атому углерода дезоксирибозы), у другой - 3" (углерод, свободный от фосфорной кислоты).

При репликации и транскрипции синтез всегда идет в направлении от 5"-конца к 3", так как новые нуклеотиды могут присоединяться только к свободному 3" атому углерода.

Строение и роль ДНК как вещества, отвечающего за наследственную информацию, были выяснены в 40-50-х годах XX века. В 1953 году Д. Уотсон и Ф. Крик определили двухцепочечную структуру ДНК. Ранее Э. Чаргафф выяснил, что в ДНК количество тимина всегда соответствует аденину, а количество гуанина - цитозину.

Многих людей всегда интересовало, почему некоторые признаки, имеющиеся у родителей, передаются ребенку (например, цвет глаз, волос, форма лица и другие). Наукой было доказано, что данная передача признака зависит от генетического материала, или ДНК.

Что такое ДНК?

Нуклеотид

Как было сказано, основной структурной единицей дезоксирибонуклеиновой кислоты является нуклеотид. Это сложное образование. Состав нуклеотида ДНК следующий.

По центру нуклеотида находится пятикомпонентный сахар (в ДНК в отличие от РНК, в которой содержится рибоза). К нему присоединяется азотистое основание, которых выделяют 5 типов: аденин, гуанин, тимин, урацил и цитозин. Кроме того, каждый нуклеотид имеет в своем составе и остаток фосфорной кислоты.

В состав ДНК входят только те нуклеотиды, которые имеют указанные структурные единицы.

Все нуклеотиды расположены в виде цепи и следуют друг за другом. Группируясь по триплетам (по три нуклеотида), они образуют последовательность, в которой каждый триплет соответствует определенной аминокислоте. В результате образуется цепь.

Они объединяются между собой за счет связей азотистых оснований. Основная связь между нуклеотидами параллельных цепей - водородная.

Нуклеотидные последовательности являются основой генов. Нарушение в их структуре ведет к сбою в синтезе белков и проявлению мутаций. В состав ДНК входят одинаковые гены, определяющиеся практически у всех людей и отличающие их от других организмов.

Модификация нуклеотида

В некоторых случаях для более стабильной передачи того или иного признака используется модифицирование азотистого основания. Химический состав ДНК изменяется за счет присоединения метильной группы (СН3). Подобная модификация (на одном нуклеотиде) позволяет стабилизировать генную экспрессию и передачу признаков дочерним клеткам.

Подобное “улучшение” структуры молекулы никоим образом не сказывается на объединении азотистых оснований.

Данная модификация используется и при инактивации Х-хромосомы. В результате этого образуются тельца Барра.

При усиленном канцерогенезе анализ ДНК показывает, что цепочка нуклеотидов была подвержена метилированию на многих основаниях. В проведенных наблюдениях было замечено, что источником мутации обычно служит метилированный цитозин. Обычно при опухолевом процессе деметилирование может способствовать остановке процесса, но за счет своей сложности данная реакция не проводится.

Структура ДНК

В строении молекулы выделяют два типа структуры. Первый тип - линейная последовательность, образованная нуклеотидами. Их построение подчиняется некоторым законам. Запись нуклеотидов на молекуле ДНК начинается с 5’-конца и заканчивается 3’-концом. Вторая цепь, расположенная напротив, строится таким же образом, только в пространственном отношении молекулы находятся одна напротив другой, причем 5’-конец одной цепи расположен напротив 3’-конца второй.

Вторичная структура ДНК - спираль. Обуславливается наличием водородных связей между располагающимися друг напротив друга нуклеотидами. Водородная связь образуется между комплементарными азотистыми основаниями (например, напротив аденина первой цепи может находиться только тимин, а напротив гуанина - цитозин либо урацил). Подобная точность обусловлена тем, что построение второй цепи происходит на основе первой, поэтому между азотистыми основаниями наблюдается точное соответствие.

Синтез молекулы

Каким же образом образуется молекула ДНК?

В цикле ее образования выделяют три стадии:

• Рассоединение цепей.
• Присоединение синтезирующих единиц к одной из цепей.
• Достраивание второй цепи по принципу комплементарности.

На стадии разъединения молекулы основную роль играют ферменты - ДНК-гиразы. Данные ферменты ориентированы на разрушение водородных связей между цепями.

После расхождения цепей в дело вступает основной синтезирующий фермент - ДНК-полимераза. Ее присоединение наблюдается на участке 5’. Далее данный фермент движется в сторону 3’-конца, попутно присоединяя необходимые нуклеотиды с соответствующими азотистыми основаниями. Дойдя до определенного участка (терминатора) на 3’-конце, полимераза отсоединяется от исходной цепи.

После того как образовалась дочерняя цепь, между основаниями образуется водородная связь, которая и скрепляет вновь образованную молекулу ДНК.

Где можно найти данную молекулу?

Если углубиться в строение клеток и тканей, то можно увидеть, что ДНК в основном содержится в отвечает за образование новых, дочерних, клеток или их клонов. При этом находящаяся в нем, разделяется между новообразованными клетками равномерно (образуются клоны) или по частям (часто можно наблюдать такое явление при мейозе). Поражение ядра влечет за собой нарушение образования новых тканей, что приводит к мутации.

Кроме того, особый тип наследственного материала содержится в митохондриях. В них ДНК несколько отличается от таковой в ядре (митохондриальная дезоксирибонуклеиновая кислота имеет кольцевидную форму и выполняет несколько другие функции).

Сама молекула может выделяться из любых клеток организма (для исследования чаще всего используют мазок с внутренней стороны щеки либо кровь). Отсутствует генетический материал только в отшелушивающемся эпителии и некоторых клетках крови (эритроцитах).

Функции

Состав молекулы ДНК обуславливает выполнение ею функции передачи информации из поколения в поколение. Это происходит за счет синтеза определенных белков, обуславливающих проявление того или иного генотипического (внутреннего) или фенотипического (внешнего - например, цвет глаз или волос) признака.

Передача информации осуществляется за счет реализации ее из генетического кода. На основании сведений, зашифрованных в генетическом коде, происходит выработка специфических информационных, рибосомальных и транспортных РНК. Каждая из них отвечает за определенное действие - информационная РНК используется для синтеза белков, рибосомальная участвует в сборке белковых молекул, а транспортная образует соответствующие белки.

Любой сбой в их работе или изменение структуры приводят к нарушению выполняемой функции и появлению нетипичных признаков (мутаций).

ДНК-тест на отцовство позволяет определить наличие родственных признаков между людьми.

Генетические тесты

Для чего в настоящее время может использоваться исследование генетического материала?

Анализ ДНК используется для определения многих факторов или изменений в организме.

В первую очередь исследование позволяет определить наличие врожденных, передающихся по наследству заболеваний. К таким болезням можно отнести синдром Дауна, аутизм, синдром Марфана.

Для определения родственных связей также можно исследовать ДНК. Тест на отцовство уже давно получил широкое распространение во многих, в первую очередь юридических, процессах. Данное исследование назначают при определении генетического родства между внебрачными детьми. Часто этот тест сдают претенденты на наследство при возникновении вопросов со стороны органов власти.

Пространственную модель молекулы ДНК в 1953 году предложили американские исследователи генетик Джеймс Уотсон (род. 1928) и физик Фрэнсис Крик (род. 1916). За выдающийся вклад в это открытие им была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине 1962 года.

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) представляет собой биополимер, мономером которого является нуклеотид. В состав каждого нуклеотида входят остаток фосфорной кислоты, соединенный с сахаром дезоксирибозой, который, в свою очередь, соединен с азотистым основанием. Азотистых оснований в молекуле ДНК четыре вида: аденин, тимин, гуанин и цитозин.

Молекула ДНК состоит из двух длинных цепей, сплетенных между собой в виде спирали, чаще всего, правозакрученной. Исключение составляют вирусы, которые содержат одноцепочную ДНК.

Фосфорная кислота и сахар, которые входят в состав нуклеотидов, образуют вертикальную основу спирали. Азотистые основания располагаются перпендикулярно и образуют «мостики» между спиралями. Азотистые основания одной цепи соединяются с азотистыми основаниями другой цепи согласно принципу комплементарности, или соответствия.

Принцип комплементарности. В молекуле ДНК аденин соединяется только с тимином, гуанин – только с цитозином.

Азотистые основания оптимально соответствуют друг другу. Аденин и тимин соединяется двумя водородными связями, гуанин и цитозин – тремя. Поэтому на разрыв связи гуанин-цитозин требуется больше энергии. Одинаковые по размеру тимин и цитозин гораздо меньше аденина и гуанина. Пара тимин-цитозин была бы слишком мала, пора аденин-гуанин – слишком велика, и спираль ДНК искривилась бы.

Водородные связи непрочны. Они легко разрываются и так же легко восстанавливаются. Цепи двойной спирали под действием ферментов или при высокой температуре могут расходиться, как замок-молния.

5. Молекула рнк Рибонуклеиновая кислота (рнк)

Молекула рибонуклеиновой кислоты (РНК) тоже является биополимером, который состоит из четырех типов мономеров – нуклеотидов. Каждый мономер молекулы РНК содержат остаток фосфорной кислоты, сахар рибозу и азотистое основание. Причем, три азотистых основания такие же, как в ДНК – аденин, гуанин и цитозин, но вместо тимина в РНК присутствует близкий ему по строению урацил. РНК – одноцепочечная молекула.

Количественное содержание молекул ДНК в клетках какого-либо вида практически постоянно, однако количество РНК может существенно меняться.

Виды рнк

В зависимости от строения и выполняемой функции различают три вида РНК.

1. Транспортная РНК (тРНК). Транспортные РНК в основном находятся в цитоплазме клетки. Они переносят аминокислоты к месту синтеза белка в рибосому.

2. Рибосомальная РНК (рРНК). Рибосомальная РНК связывается с определенными белками и образует рибосомы – органеллы, в которых происходит синтез белков.

3. Информационная РНК (иРНК), или матричная РНК (мРНК). Информационная РНК переносит информацию о структуре белка от ДНК рибосоме. Каждая молекула иРНК соответствует определенному участку ДНК, который кодирует структуру одной белковой молекулы. Поэтому для каждого из тысяч белков, которые синтезируются в клетке, имеется своя особенная иРНК.