2.1. І рівень: генний рівень організації спадкового матеріалу
2.1.1. Будова та функції днк
Нуклеїнові кислоти вперше виявив Ф. Мішер (1869) у ядрах клітин гною.
Існує 2 типи нуклеїнових кислот (НК): ДНК – дезоксирибонуклеїнова кислота та РНК – рибонуклеїнова кислота.
ДНК – полімерна сполука. Мономерами є нуклеотиди. Кожен нуклеотид ДНК складається із трьох компонентів: 1) залишок азотистої основи (однієї з чотирьох: або А (аденін), або Т (тимін), або Г (гуанін), або Ц (цитозин)). Із них А і Г – це пуринові основи, а Т і Ц – піримідинові; 2) залишок дезоксирибози (моносахарид, пентоза); 3) залишок фосфорної кислоти.
Модель просторової структури ДНК запропонували американський біохімік Дж. Уотсон та англійський генетик Ф. Крік у 1953 р. Згодом цю модель було підтверджено експериментально. Молекула ДНК складається з двох ланцюгів нуклеотидів, закручених один навколо іншого в спіраль. Кожен завиток спіралі містить 10 пар нуклеотидів (1 крок – 10 п. н.). Довжина одного нуклеотиду 0,34 нм, а одного завитка спіралі – 0,34 х 10 = 3,4 нм. У кожному з ланцюгів ДНК нуклеотиди з’єднані між собою через ОН-групу вуглеводу (дезоксирибози) одного нуклеотиду і залишок фосфорної кислоти сусіднього нуклеотиду. Утворюється міцний ковалентний фосфодиефірний зв’язок. Два ланцюги з’єднуються між собою водневими зв’язками, утвореними між азотистими основами сусідніх ланцюгів (зв’язки Н–О, N–H). Між А і Т утворюється 2 водневі зв’язки, а між Г і Ц – 3. Два ланцюги в молекулі ДНК розміщені так, що завжди напроти А знаходиться Т, напроти Г – Ц. Чітку відповідність нуклеотидів двох ланцюгів ДНК називають комплементарністю. Ланцюги в ДНК з’єднані за принципом комплементарності (чітко А–Т, Г–Ц). Ці пари називають комплементарними.
У кожній дволанцюговій ДНК ланцюги антипаралельні (полярні): 5´–кінець одного ланцюга з’єднується з 3´–кінцем іншого. Полярність визначається з’єднанням між собою молекул дезоксирибози і фосфорної кислоти. Фосфатна група, приєднана до атома карбону у 5´–положенні (С5´) однієї молекули моносахариду, сполучається із гідроксильною групою у С3´–положенні (біля атома карбону С3´) наступного моносахариду за допомогою фосфодиефірного зв’язку. Як результат, кінцевий нуклеотид на одному кінці ланцюга має 5´–групу, а на іншому – вільну 3´–групу. Послідовність нуклеотидних основ звичайно записують у напрямку від 5´– до 3´–кінця (рис. 1). Два ланцюги ДНК антипаралельні один одному, оскільки розміщуються у протилежних напрямках і 5´–кінцю одного ланцюга відповідає 3´–кінець іншого ланцюга та навпаки.
У 1950 р. американський учений Е. Чаргафф, вивчаючи біохімічний склад ДНК, виявив закономірності, пізніше об’єднані під назвою правила Чаргаффа:
1) у будь-якій молекулі ДНК кількість пуринових основ дорівнює кількості піримідинових основ, а саме: число залишків аденіну дорівнює числу залишків тиміну, а число залишків цитозину – числу залишків гуаніну: А=Т, Г=Ц;
2) сума пуринових основ (А+Г) дорівнює сумі піримідинових основ (Т+Ц), тобто А+Г=Т+Ц;
3) сума аденіну й цитозину дорівнює сумі гуаніну й тиміну: А+Ц=Г+Т;
Рис. 1. Просторова структура молекули ДНК
а – полінуклеотидний ланцюг ДНК; б – антипаралельна орієнтація та утворення пар основ; в – структура подвійної спіралі ДНК – модель Уотсона-Кріка; г – водневі зв’язки між основами.
4) відношення суми А+Т до суми Г+Ц – видоспецифічна величина, оскільки відрізняється у різних видів організмів. Ця величина – коефіцієнт специфічності k: k = А+Т / Г+Ц. У людини і хребетних тварин k >1.
У ДНК розрізняють первинну, вторинну і третинну структури.
Первинна структура – послідовність нуклеотидів у ланцюзі ДНК (стабілізується ковалентними зв’язками). Вторинна структура – два комплементарні один одному та антипаралельні ланцюги, з’єднані водневими зв’язками. Третинна структура – тривимірна спіраль з просторовими характеристиками (d = 2 нм, l кроку = 3,4 нм). Функція ДНК: зберігання спадкової інформації і передавання її дочірнім клітинам під час розмноження.