Основные теоретические сведения
Генетическая информация в клетке связана с нуклеиновыми кислотами. Их два типа: дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК). Мономерными структурными единицами нуклеиновых кислот являются нуклеотиды. Нуклеотид состоит из молекулы фосфорной кислоты, моносахарида (дезоксирибозы — ДНК или рибозы — РНК) и одного из 4-х азотистых оснований: аденина (А), гуанина (Г), цитозина (Ц) и тимина (Т) — ДНК или урацила (У) — РНК (рис.13).
Модель строения молекулы ДНК предложили в 1953 году Ж. Уотсон и Ф. Крик. Основные свойства этой модели следующие:
1. ДНК образована 2 полинуклеотидными цепями, при этом соединение нуклеотидов в цепь обеспечивается ферментом ДНК-полимеразой.
2. Цепи правозакручены спирально вокруг общей оси, один виток включает 10 пар нуклеотидов.
3.Фосфатные группировки находятся снаружи спирали, а азотистые основания внутри.
4. Цепи антипараллельны, то есть последовательность атомов одной цепи противоположна таковой в другой.
5. Цепи удерживаются водородными связями между азотистыми основаниями по принципу комплементарности: аденин соединяется двумя связями с
тимином, гуанин тремя связями с цитозином (следует заметить, что водородные связи слабые и нарушаются при изменении рН клетки или нагревании до 1000 С.
Нуклеотиды различаются только по азотистым основаниям. Название нуклеотидов также связано с названием этих оснований: нуклеотид, содержащий аденин, называется адениловым, гуанин - гуаниловым, тимин - тимидиловым, цитозин - цитидиловым.
Две цепочки, состоящие из десятков и сотен нуклеотидов, скручиваются между собой и образуют двойную спираль. Диаметр ее равен 2x10-9 м (2нм), а расстояние между соседними нуклеотидами – шаг молекулы – 3,4x10-10 м (0,34нм). Десять нуклеотидных пар образуют полный виток двойной спирали (шаг спирали) длиной 3,4x10-9 м (3,4нм). 1нм = 10-9 м.
Азотистые основания одной спирали ДНК располагаются точно против азотистых оснований второй спирали. При этом обнаруживается важная закономерность: против тимина одной спирали всегда располагается аденин другой спирали, против цитозина – гуанин и наоборот. Соединения других типов никогда в норме не возникают. Это обьясняется тем, что между такими парами нуклеотидов, как аденин - тимин, гуанин - цитозин, существует особый тип химической связи, получивший название комплементарности (лат комплемент - дополнение). При этом между А и Т образуются две водородные связи, а между Г и Ц - три.
Репликация (редупликация) ДНК (репликатио - повторение, редупликатио -удвоение) – процесс самовоспроизведения макромолекул нуклеиновых кислот, обеспечивающий точное копирование генетической информации и передачу ее от поколения к поколению. Самоудвоение молекулы ДНК происходит в период интерфазы перед делением клеток. При этом молекула ДНК, состоящая из цепей нуклеотидов, начинает раскручиваться и раздваиваться с одного конца. Около каждой из двух цепей из свободных нуклеотидов, находящихся в ядре клетки, по принципу комплементарности синтезируется вторая цепь ДНК. В результате вместо одной молекулы ДНК образуются две, причем обе являются точными копиями исходной (материнской) молекулы. Таким образом, в каждой новой молекуле ДНК одна цепь происходит из первоначальной молекулы ДНК, а вторая синтезируется вновь. Как процесс расхождения молекулы на две цепи, так и процесс синтеза осуществляется за счет деятельности ряда ферментов.
По современным представлениям ДНК имеет две функции.
Аутосинтетическая — способность к самоудвоению в синтетическом периоде интерфазы.
Гетеросинтетическая — передача информации о структуре белка на молекулу и-РНК, которая играет главную роль в процессе биосинтеза белка в клетке.
Рис.13 Схема участка молекулы ДНК (1) и ее спиральной структуры (2)
В ходе репликации после удвоения ДНК в ней обнаруживаются ошибки, возникающие под действием различных факторов физической и химической природы - при этом возникает репарация - самовосстановление первичной структуры ДНК, которая может быть экцизионной, фотерепарацией и рекомбинантной репарацией.
Молекулы РНК также представляют собой полинуклеотиды, но состоят из одной цепи, которая включает рибозу, фосфорную кислоту и 4 типа азотистых оснований: аденин, гуанин, цитозин и урацил (близкий по строению к тимину). Соответственно имеется 4 типа нуклеотидов: адениловый, гуаниловый, цитидиловый и урациловый. Молекулы РНК гораздо короче, чем молекулы ДНК, и имеют значительно меньшую молекулярную массу, которая редко превышает 100 тыс.у.е.
Существует несколько видов РНК, отличающихся по структуре и функциям.
Рибосомальные РНК (р-РНК) содержатся в рибосомах.
Транспортные РНК (т-РНК) самые небольшие по размеру, участвуют в транспортировке аминокислот к месту синтеза белка.
Информационные РНК (и-РНК) синтезируются на участке одной из цепей молекулы ДНК и передают информацию о структуре белка из ядра клеток к рибосомам.
Транспортные РНК (т-РНК) имеет форму трилистника и содержит 3 петли. Антикодоновая петля имеет антикодон, то есть триплет нуклеотидов, соответствующий своей аминокислоте. Псевдоуридиновая петля необходима при взаимодействии с рибосомой. Дигидроуридиновая петля служит для соединения с ферментом аминоацилсинтетазой.
По современным представлениям ген – участок молекулы ДНК, содержащий информацию о синтезе одного полипептида. Различают гены – структурные, которые кодируют определенные белки и регуляторные – направляют деятельность структурных генов.
Последовательность аминокислот в белке определяется последовательностью нуклеотидов в молекуле ДНК, его генетическим кодом. Т. о., наследственная информация на ДНК записана с помощью генетического кода.
Код имеет следующие основные свойства:
1. Триплетность — одну аминокислоту кодируют три нуклеотида.
2. Вырожденность (избыточность) — одну аминокислоту кодируют от двух до четырех триплетов. Всего имеется 64 триплета: 61 триплет несет информацию об аминокислотах, а 3 стоп-кодона обозначают окончание синтеза полипептидной цепи.
3. Неперекрываемость — нуклеотид одного триплета не может входить в состав соседнего триплета.
4. Универсальность — код един для всех живых организмов (синтез белка).