2. Будова молекули днк

Спадкова інформація міститься у геномі - сукупності генів (у випадку вірусів число генів від 3-160) або хромосоморганізму.

Ген – ділянка хромосоми (або молекули ДНК або РНК у вірусів ), яка кодує структуру одного або декількох поліпептидних ланцюгів чи молекул РНК, або ж певну регуляторну функцію.

Кожен ген визначає структуру білка. Одержання продукту білкової природи – одна з головних цілей біотехнології.

Для отримання цінних біотехнологічних продуктів використовують гени самих різних організмів.

ДНК було відкрито у 1896 році швейцарським біохіміком Йоганном Фрідріхом Мішером і було названо «нуклеїн». Пізніше «нуклеїн» був названий «нуклеїновою кислотою» після встановлення Мішером його кислотних властивостей. Довгий час нуклеїнова кислоти вважалася запасником фосфору у організмі. Більш того, багато біологів вважали, що ДНК немає ніякого відношення до передачі спадковості і не може містити закодовану інформацію у зв’язку з одноманітною будовою молекули.

Доказ того, що саме ДНК, а не білки, є носієм спадкової інформації надали дослідження О.Евері, Коліна Мак-Леода та Маклін Мак-Карті ( 1944р.) по трансформації б актерій. Було доведено можливість надання не хвороботворній культурі хвороботворних властивостей шляхом додавання мертвих хвороботворних бактерій (пневмококов).

Американські вчені Альфред Херші та Марта Чейз (1952р.) мітили радіоактивними ізотопами білки та ДНК бактеріофагу і показали, що у заражену клітину передається лише нуклеїнова кислота бактеріофагу, а нові нащадки містять таки самі білки та нуклеїнову кислоту як і висхідний фаг.

Проте, точну будову ДНК та спосіб передачі спадкової інформації був невідомий.

У 1953 році використовуючи рентгеноструктурні данні, отримані Морисом Уілкінсом та Розаліндою Франклін , а також відкриття Е . Чаргаффом нуклеотидного складу ДНК, Френсіс Крик та Джеймс Уотсон запропонували подвійну структуру спіралі молекули ДНК. Згідно цієї структури у кожній молекулі ДНК чітко зберігаються співвідношення азотистих основ різних типів. За цю роботу вони отримали у 1962 році Нобелівську премію по фізіології та медицині.

Нуклеїнові кислоти це високомолекулярні сполуки, які містяться у всіх живих клітинах і представлені ДНК та РНК.

Нуклеїнові кислоти являють собою лінійні біополімери, побудовані з нуклеотидів, з’єднаних фосфордиефірним зв’язком.

Молекула ДНК – це лінійний полімер. Він складається з мономерів=нуклеотидів.

Нуклеотиди - це сполуки, що складаються з залишків азотистої (гетероциклічної) основи , п’ятивуглеводного цукру (пентозного компоненту) та фосфорної кислоти . Вони є мономерними одиницями олігонуклеотидів.

Нуклеозид – сполука, яка утворюється відщепленням від нуклеотиду фосфорної кислоти.

Вуглеводи . У складі нуклеїнових кислот гетероциклічні основи зв’язані з моноцукрами D-рибозою (дві ОН-групи ) у РНК або з 2-дезокси- D-рибозою (одна ОН-група) у ДНК.

Пентозний компонент до 5′-атому вуглецю приєднує фосфатну групу, а до 1′-атому вуглецю приєднує органічну основу.

Гетероциклічні основи представляють собою похідні пиримідину (цитозин, урацил – лише у РНК, тимін – лише у ДНК) або пурину (аденін, гуанін).

Нуклеотиди з’єднані один з одним фосфордиефірними зв’язками – фосфатна група 5′-вуглецевого атому одного нуклеотиду зв’язується з 3′-ОН групою дезоксирибози сусіднього нуклеотиду. Таким чином, на одному кінці полінуклеотидного ланцюга знаходиться 3′-ОН-група (3′-кінець), а на другому 5′-фосфатна група (5′-кінець).

3′-кінець – це розміщений нуклеотид з вільною ОН-групою у третьому вуглецевому атомі рибози або дезоксирибози.

5′-кінець – кінець полінуклеотиду, на якому розміщений нуклеотид з вільною фосфатною групою п’ятого атому вуглецю рибози або дезоксирибози. З 5′-кінець починається синтез полінуклеотидних ланцюгів у процесах реплікації, транскрипції і репарації.

повернутися до змісту

СТРУКТУРА НУКЛЕЇНОВИХ КИСЛОТ

Первинна структура.

В утворенні первинної структури ДНК або РНК беруть участь глікозидний зв'язок, що з’єднує азотисті основи з пентозою, ефірний зв'язок між рибозою чи дезоксирибозою і фосфорною кислотою та фосфодиефірний зв'язок між нуклеотидами. Нуклеотиди у полінуклеотидні ланцюги зв’язуються за допомогою 3′,5′- фосфодиефірних зв’язків. Нативна ДНК складається з двох полімерних ланцюгів, які утворюють подвійну спіраль. Ці ланцюги утримуються водневими зв’язками між комплементарними основами протилежних ланцюгів.

Аденін утворює пару з тиміном ( А = Т) . Стабілізується двома водневими зв’язками.

Гуанін утворює пару з цитозином ( Г = Ц ). Стабілізується трьома водневими зв’язками.

Довжина дволанцюгової ДНК вимірюється числом пар комплементарних нуклеотидів (п.н.). Для молекул, які складаються з тисячі н.п. одиниця довжини – т.н.п.

Для молекул, які складаються з міліонів н.п. – одиниця довжини – м.н.п.

Наприклад, ДНК хромосоми 1 людини складається з спіралі довжиною 263 м.н.п.

Цукрофосфатний остов молекули ДНК направлений назовні, а пари основ А-Т та Г-Ц усередину, утворюючі сходи.

Ланцюги молекули ДНК антипаралельні: один ланцюг направлений 3′→5′, другий 5′→3′.

Наприклад, згідно правилу компліментарності дволанцюгова форма буде такою:

5′-TAGGCAT-3′

3′- ATCCGTA -5′

Вторинна структура

Вторинна структура ДНК це подвійна спіраль, що складається з двох антипаралельних полінуклеотид них ланцюгів . У запропонованій структурі найважливішим моментом є спарювання азотистих основ антипаралельних ланцюгів шляхом утворення між ними водневих зв’язків, що можуть виникнути тільки за умови, що по ходу біспіральної структури ДНК аденін утворить пару з тиміном, а гуанін з цитозином.

З’єднані за допомогою водневих зв’язків азотисті основи називають комплементарними , а процес виборчої взаємодії аденіну з тиміном, гуаніну з цитозином – комплементарністю.

Рентгеноструктурний аналіз волокон і кристалів показав, що існує три типи подвійної спіралі ДНК ( А-, В-, Z-форма ) і один тип подвійної спіралі РНК.

А- і В- форми ДНК є право закрученими спіралями, а Z-форма є ліво закрученою. В-форма ДНК стійка при відносній вологості, що перевищує 92%, якщо ж вологість зменшується нижче 75%, більшість дезоксирибонуклеотидних послідовностей приймає А-форму.

РНК – це лінійна полінуклеотидна молекула, яка відрізняється від ДНК. По-перше у якості моноцукру у РНК є рибоза з двома ОН-групами; вони пов’язані з 2′- і 3′- атомами вуглецю. По-друге за мість тимину у якості основи є урацил. Більшість молекул РНК одно ланцюгові, проте в них є взаємокомплементарні ділянки, які утворюють дволанцюгові структури – «шпильки». Найбільш ймовірною структурою всієї молекули тРНК є модель, запропонована Холлі - плоске зображення якої нагадує листок конюшини.

повернутися до змісту

Третинна структура

Довжина двуспиральної ДНК у хромосомі людини у витягнутому стані може досягати 8 см, а насправді її довжина в інтактному (неушкодженому стані) становить 5 нм. Таке ощадливе упакування досягається за рахунок суперспиралізації вторинної структури. Скручування подвійної спіралі самої на себе призводить до утворення суперскрученої право закрученої структури. У результаті суперспиралізації на кожен супервиток припадає 20-25 витків подвійної спіралі. Завдяки суперспиралізації дуже довга молекула ДНК (наприклад, E. coli 1360 мкм) упаковується у ядрі клітини.

Носій генетичної інформації повинен відповідати двом вимогам: