2. Молекулярные основы наследственности: химический состав, структура и репликация днк. Структура молекулы днк

Молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) состоит из двух комплементарных полимерных цепей, закрученных друг вокруг друга в форме правой спирали.

Каждая из двух полимерных цепей молекулы ДНК это полинуклеотид. Нуклеотиды – это сложные химические соединения, которые состоят из азотистого основания, сахара - дезоксирибозы и фосфатной группы.

Нуклеотиды отличаются друг от друга только азотистыми основаниями. Существует 4 азотистых основания, включенных в состав ДНК - это аденин, гуанин, цитозин и тимин. Нуклеотиды с соответствующими азотистыми основаниями называют – дезоксиаденозин 5’-фосфат, дезоксигуанозин 5’-фосфат, дезоксицитидин 5’-фосфат, дезокситимидин 5’-фосфат (рис. 5.3). Два азотистых основания - аденин и гуанин относятся к пуриновым, а тимин и цитозин к пиримидиновым.

Сахар (дезоксирибоза) одного нуклеотида соединен через фосфатную группу с сахаром следующего нуклеотида. Эта часть молекулы, называемая сахаро-фосфатным остовом, имеет регулярную структуру. Азотистые основания не участвуют в образовании полинуклеотидной цепочки, поэтому их порядок может меняться от молекулы к молекуле.

И пуриновые, и пиримидиновые основания это плоские, относительно водонерастворимые молекулы, которые соединены в стопки перпендикулярные к оси спирали. Две нити соединены вместе водородными связями между азотистыми основаниями. Аденин всегда спарен с тимином, а гуанин с цитозином. Это правило называется комплементарностью. Водородные связи формируются между пуриновым и пиримидиновым азотистым основанием, иначе формирование правильной двойной спирали будет невозможно. Между аденином и тимином формируются две водородные связи, между гуанином и цитозином три. Дополнительная стабилизация двойной спирали обеспечивается межплоскостным взаимодействием между азотистыми основаниями. Расстояние между соседними основаниями составляет 0,34 нм. Кроме того, каждая последующая пара азотистых оснований повернута относительно предыдущей на 36⁰. Таким образом, через десять нуклеотидов спираль делает один оборот. Длина одного витка спирали составляет 34 ангстрема.

Две гликозидные связи, которыми соединяются азотистые основания к дезоксирибозе лежат не прямо друг напротив друга. В результате сахарофосфатный остов формирует большую и малую бороздки на поверхности молекулы.

Согласно модели Уотсона-Крика комплементарные цепи должны быть антипараллельны. Только в этом случае, две комплементарные, полинуклеотидные цепи смогут сформировать двойную спираль.

Антипараллельная структура ДНК означает, что если один конец полинуклеотидной цепочки оканчивается гидроксилом – ОН, связанным с третьим атомом углерода дезоксирибозы (3’ – конец), то вторая полинуклеотидная цепочка должна оканчиваться трифосфатом, связанным с 5 атомом углерода дезоксирибозы (5’ – конец) (рис. 5.5).

Водородные связи и межплоскостные взаимодействия, стабилизирующие двойную спираль, достаточно слабы, и при относительно небольших воздействиях происходит разделение цепей – денатурация или плавление. Двухцепочечная спиральная ДНК в растворе легко разрушается при нагревании до температур, близких к 100 С. Денатурация происходит также при увеличении рН раствора до уровня, при котором разрушаются водородные связи. Молекулы ДНК, содержащие больше пар G-C, имеют более высокую температуру денатурации, т.к. затраты энергии на разрыв трех водородных связей выше. Денатурация процесс обратимый, восстановление двухцепочечной структуры ДНК может происходить даже при полном расхождении цепей. Процесс воссоединения, называемый ренатурацией, реассоциацией или отжигом происходит при понижении температуры или рН. Способность двух отдельных комплементарных цепей нуклеиновой кислоты воссоединяться с образованием исходной структуры является ключевым моментом для проведения соответствующих опытов in vitro, а также для выделения, сравнения и идентификации нуклеиновых кислот. Уникальная способность нуклеиновой кислоты образовывать двойную спираль путем ассоциации одиночных комплементарных цепей имеет огромное значение для самых разных областей генетики.