Подвійна спіраль (подвійний гвинт) ДНК (правий)
Дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК) - макромолекула (одна з трьох основних, дві інші - РНК і білки), що забезпечує зберігання. передачу з покоління в покоління і реалізацію генетичної програми розвитку і функціонування живих організмів. ДНК містить інформацію про структуру різних видів РНК і білків.
У клітинах еукаріот (тварин. Рослин і грибів) ДНК знаходиться в ядрі клітини в складі хромосом. а також в деяких клітинних органелах (мітохондріях і пластидах). У клітинах прокаріотів (бактерій і архей) кільцева або лінійна молекула ДНК, так званий нуклеоїд, прикріплена зсередини до клітинної мембрани. У них і у нижчих еукаріот (наприклад дріжджів) зустрічаються також невеликі автономні кільцеві молекули ДНК, так звані плазміди. Крім того, одно- або дволанцюжкові молекули ДНК можуть утворювати геном ДНК-вірусів.
З хімічної точки зору ДНК - це довга полімерна молекула, що складається з послідовності блоків - нуклеотидів. Кожен нуклеотид складається з азотистої основи. цукру (дезоксирибози) і фосфатної групи. Зв'язки між нуклеотидами в ланцюжку утворюються за рахунок дезоксирибози і фосфатної групи (фосфодіефірні зв'язку). У переважній більшості випадків (крім деяких вірусів, що містять одноцепочечную ДНК) макромолекула ДНК складається з двох ланцюжків, орієнтованих азотистими основами один проти одного. Ця дволанцюжкова молекула закручена по гвинтовий лінії. В цілому структура молекули ДНК отримала традиційну, але помилкова назва «подвійної спіралі», насправді ж вона є «подвійним гвинтом». Гвинтова лінія може бути правою (A- і B-форми ДНК) або лівої (Z-форма ДНК) [1].
У ДНК зустрічається чотири види азотистих основ (аденін. Гуанін. Тимін і цитозин). Азотисті основи одного з ланцюжків сполучені з азотистими основами іншого ланцюжка водневими зв'язками згідно з принципом комплементарності. аденін з'єднується тільки з тиміном, гуанін - тільки з цитозином. Послідовність нуклеотидів дозволяє «кодувати» інформацію про різні типи РНК, найбільш важливими з яких є інформаційні, або матричні (мРНК), рибосомальні (рРНК) і транспортні (тРНК). Всі ці типи РНК синтезуються на матриці ДНК за рахунок копіювання послідовності ДНК в послідовність РНК, що синтезується в процесі транскрипції. і беруть участь в біосинтезі білків (процесі трансляції). Крім кодують послідовностей, ДНК клітин містить послідовності, що виконують регуляторні і структурні функції. Крім того, в геномі еукаріотів часто зустрічаються ділянки, що належать «генетичним паразитам», наприклад, транспозони.
Розшифровка структури ДНК (1953 р) стала одним з поворотних моментів в історії біології. За видатний внесок у це відкриття Френсісу Крику. Джеймсу Уотсону і Морісу Вілкінсу була присуджена Нобелівська премія з фізіології або медицини 1962 р Розалінд Франклін. яка отримала рентгенограми. без яких Уотсон і Крик не мали б можливість зробити висновки про структуру ДНК, померла в 1958 р від раку (Нобелівську премію не дають посмертно) [2].
ДНК як хімічна речовина була виділена Іоганном Фрідріхом Мішер в 1869 році із залишків клітин, що містяться в гної. Він виділив речовину, до складу якого входять азот і фосфор. Спочатку нова речовина отримала назву нуклеін. а пізніше, коли Мішер визначив, що ця речовина володіє кислотними властивостями, речовина отримала назву нуклеїнова кислота [3]. Біологічна функція нововідкритого речовини була неясна, і довгий час ДНК вважалася запасником фосфору в організмі. Більш того, навіть на початку XX століття багато біологів вважали, що ДНК не має ніякого відношення до передачі інформації, оскільки будова молекули, на їхню думку, було занадто одноманітним і не могло містити закодовану інформацію.
Аж до 50-х років XX століття точну будову ДНК, як і спосіб передачі спадкової інформації, залишалося невідомим. Хоча і було достеменно відомо, що ДНК складається з кількох ланцюжків, що складаються з нуклеотидів, ніхто не знав точно, скільки цих ланцюжків і як вони з'єднані.
Структура подвійної спіралі ДНК була запропонована Френсісом Криком і Джеймсом Уотсоном в 1953 році на підставі рентгеноструктурних даних, отриманих Морісом Вілкінсом і Розалінд Франклін. і «правил Чаргаффа», згідно з якими в кожній молекулі ДНК дотримуються строгі співвідношення, що зв'язують між собою кількість азотистих основ різних типів [5]. Пізніше запропонована Уотсоном і Криком модель будови ДНК була доведена, а їх робота відзначена Нобелівською премією з фізіології або медицини 1962 г. Серед лауреатів не було померла на той час від раку Розалінд Франклін, так як премія не присуджується посмертно [6].
Цікаво, що в 1957 році американці Александер Річ, Гері Фелзенфелд і Дейвід Дейвіс описали нуклеїнових кислот, складену трьома спіралями [7]. А в 1985-1986 роках Максим Давидович Франк-Каменецький в Москві показав, як двухспіральная ДНК складається в так звану H-форму, складену вже не двома, а трьома нитками ДНК [8] [9].
нуклеотиди
Структури підстав, найбільш часто зустрічаються в складі ДНК
Дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК) є біополімер (поліаніон), мономером якого є нуклеотид [10] [11].
Кожен нуклеотид складається з залишку фосфорної кислоти. приєднаного по 5'-положенню до цукру дезоксирибози. до якого також через глікозидний зв'язок (C-N) по 1 'у поточне положення приєднано одне з чотирьох азотистих основ. Саме наявність характерного цукру і складає одне з головних відмінностей між ДНК і РНК. зафіксоване в назвах цих нуклеїнових кислот (до складу РНК входить цукор рибоза) [12]. Приклад нуклеотиду - аденозинмонофосфат, у якого підставою, приєднаним до фосфату і рибози, є аденін (показаний на малюнку).
Виходячи зі структури молекул, підстави, що входять до складу нуклеотидів, поділяють на дві групи: пурини (аденін [A] і гуанін [G]) утворені з'єднаними п'яти- і шестичленних гетероциклами; піримідинів (цитозин [C] і тимін [T]) - шестичленним гетероциклом [13].
Як виняток, наприклад, у бактеріофага PBS1, в ДНК зустрічається п'ятий тип підстав - урацил ([U]), пиримидиновое підставу, що відрізняється від тиміну відсутністю метильної групи на кільці, зазвичай заміняє тимін в РНК [14].
Слід зазначити, що тимін і урацил не так строго приурочені до ДНК і РНК відповідно, як це вважалося раніше. Так, після синтезу деяких молекул РНК значне число урацілом в цих молекулах метіліруется за допомогою спеціальних ферментів, перетворюючись на тимін. Це відбувається в транспортних і рибосомних РНК [15].
подвійна спіраль
Залежно від концентрації іонів і нуклеотидного складу молекули, подвійна спіраль ДНК в живих організмах існує в різних формах. На малюнку представлені форми A. B і Z (зліва направо)
Полімер ДНК має досить складну структуру. Нуклеотиди з'єднані між собою ковалентно в довгі полінуклеотидні ланцюга. Ці ланцюги в переважній більшості випадків (крім деяких вірусів, що володіють одноланцюжковий ДНК-геномами) попарно об'єднуються за допомогою водневих зв'язків у вторинну структуру, що отримала назву подвійної спіралі [5] [12]. Остов кожної з ланцюгів складається з чергуються фосфатів і цукрів [16]. Всередині одного ланцюга ДНК сусідні нуклеотиди з'єднані фосфодіефірнимі зв'язками. які формуються в результаті взаємодії між 3'-гідроксильної (3'-ОН) групою молекули дезоксирибози одного нуклеотиду і 5'-фосфатної групою (5'-РО3) іншого. Асиметричні кінці ланцюга ДНК називаються 3 '(три прайм) і 5' (п'ять прайм). Полярність ланцюга грає важливу роль при синтезі ДНК (подовження ланцюга можливо тільки шляхом приєднання нових нуклеотидів до вільного 3'-кінця).
Як вже було сказано вище, у переважної більшості живих організмів ДНК складається не з однієї, а з двох полінуклеотидних ланцюгів. Ці дві довгі ланцюги закручені одна навколо іншої у вигляді подвійної спіралі, стабілізованою водневими зв'язками. утворюються між повернутими один до одного азотистими підставами входять до неї ланцюгів. У природі ця спіраль, найчастіше, правозакрученная. Напрями від 3 'кінця до 5'-кінця в двох ланцюгах, з яких складається молекула ДНК, протилежні (ланцюга «антіпараллельни» один одному).
Ширина подвійної спіралі становить від 22 до 24 Å. або 2,2-2,4 нм. довжина кожного нуклеотиду 3,3 Å (0,33 нм) [17]. Подібно до того, як в гвинтових сходах збоку можна побачити сходинки, на подвійної спіралі ДНК в проміжках між фосфатним остовом молекули можна бачити ребра підстав, кільця яких розташовані в площині, перпендикулярній по відношенню до поздовжньої осі макромолекули.
У подвійній спіралі розрізняють малу (12 Å) і велику (22 Å) борозенки [18]. Білки, наприклад, фактори транскрипції. які приєднуються до певних послідовностей в двухцепочечной ДНК, зазвичай взаємодіють з краями основ у великій борозенці, де ті більш доступні [19].
Освіта зв'язків між основами
Кожна основа на одному з ланцюжків зв'язується з одним певним підставою на другий ланцюга. Таке специфічне зв'язування називається комплементарним. Пурини комплементарні піримідиніл (тобто здатні до утворення водневих зв'язків з ними): аденін утворює зв'язки тільки з тиміном, а цитозин - з гуаніном. У подвійній спіралі ланцюжки також зв'язані за допомогою гідрофобних взаємодій і стекінг. що не залежать від послідовності основ ДНК [20].
Комплементарність подвійної спіралі означає, що інформація, що міститься в одного ланцюга, міститься і в іншому ланцюзі. Оборотність і специфічність взаємодій між комплементарними парами основ важлива для реплікації ДНК і всіх інших функцій ДНК в живих організмах.
Частини молекул ДНК, які через їх функцій повинні бути легко разделяемості, наприклад, ТАТА послідовність в бактеріальних промоторах. зазвичай містять велику кількість А і Т.