Какие клетки содержат днк. Анализ ДНК – Что Можно Узнать о Своем Здоровье. Водородная связь в ДНК

Буквально полвека назад сама идея исследования человеческих генов казалась фантастической и недостижимой. Безусловно, уже тогда науке было известно о наследственной информации, заключенной в молекуле ДНК, но расшифровка этих данных считалась практически невозможной. Но времена изменились, благодаря чему некогда высокотехнологичный анализ ДНК стал, фактически, повседневным и доступным каждому желающему.

А что же мы знаем об этом анализе? Зачем нужна генетическая информация, и как можно использовать ее во благо собственного здоровья? Расскажем об этом подробнее в данной публикации.

Анализ ДНК – что нужно знать о нем

Сразу определимся, сказав о том, что анализ ДНК (исследование молекулы дезоксирибонуклеиновый кислоты) – это современный метод лабораторной диагностики, который позволяет выявить наследственные патологии или определить предрасположенность к таким заболеваниям, а значит, принять необходимые меры профилактики.

Для понимания того, как выглядит код ДНК, лучше всего представить себе сложный и невероятно длинный буквенный код. В нем лишь четыре буквы, в соответствии с названиями четырех азотистых оснований, из которых, собственно и состоит ДНК: аденин (А), цитозин (Ц), гуанин (Г) и тимин (Т). В последовательности этих букв таятся все гены нашего организма, благодаря которой происходит синтез белков.

Говоря понятным языком, в ДНК прописано, какие белки, с какой информацией и в каком количестве будут вырабатываться у нас в организме с момента зачатия и до смерти. Благодаря этому можно определять внешность человека, начиная от роста и черт лица, и заканчивая цветом кожи и волос. Именно поэтому все мы так похожи на своих предков. Это и есть один из самых ярких примеров передачи генов от родителей детям. Более того, гены определяют некоторые особенности характера человека, и даже предрасположенность к заболеваниям. Более того, лабораторный анализ позволяет получить информацию о реакции нашего организма на прием тех или иных лекарственных препаратов.

Немного истории

Молекулу ДНК обнаружили в середине позапрошлого века, однако тогда особого значения находке не придали. Лишь спустя столетие американские ученые Ф.Крик и Д.Уотсон описали структуру ДНК в виде двух спиралевидных цепочек, перекрученных между собой. Именно такая форма молекулы позволяла надежно сохранять информацию и копировать ее в другие клетки.

Выяснив структуру ДНК, перед научным миром стал серьезный вопрос о расшифровке информации, которая содержится в ней. Были разработаны сотни методик, позволяющие делить молекулу на «кусочки» и считывать каждую из них по отдельности, собирая таким способом весь генетический код.

На заре нынешнего тысячелетия ученые завершили грандиозный проект под названием «Геном человека». Суть его заключалась в том, чтобы расшифровать ДНК во всех парах человеческих хромосом. В итоге специалисты выяснили расположение всех генов, определяющих жизнедеятельность организма человека, и на этом основании составили так называемую «генетическую карту хромосом».

Возможности анализа ДНК

Применение описываемого исследования только начинает распространяться во всем мире, но уже сегодня человечество осознало, какие невероятные возможности дает человеку анализ ДНК. К примеру, в США и некоторых других развитых странах вошло в норму проверять человека на наличие генов, отвечающих за развитие онкологических опухолей. У нас в стране такие анализы до сих пор редкость, однако, и в России имеются крупные институты, на базе которых жители нашей страны уже сегодня имеют уникальную возможность изучить свои гены.

На сегодняшний день такой метод лабораторного исследования чаще всего применяется для определения отцовства. Такой анализ позволяет получить ответ о предполагаемом родстве с точностью приближенной к 100%. Причем, данное исследование можно провести еще до появления малыша на свет (в период беременности).

Исследование ДНК широко применяется в криминалистике. Порой такой метод становится единственным способом привлечь преступника к ответу. К примеру, метод определения отпечатков пальцев посредством расшифровки генов впервые был применен на практике сразу же после его открытия. Ученого-генетика из Великобритании, Алекса Джеффриса, привлекли к поиску кровавого маньяка, жестоко расправлявшегося с девушками. И только после ДНК-дактилоскопии всей мужской половины провинциального городка маньяк был выявлен. Данная, вполне реальная, история легла в основу телесериала «Код убийцы», вышедшего на экраны в 2015 году.

Материал для анализа ДНК

Учитывая, что зашифрованная в генах информация спрятана в каждом органе нашего тела, для анализа подходит совершенно разный материал. Это может быть любая биологическая жидкость (начиная от крови, а заканчивая слюной и спермой), а также волосы, ногти и даже сера из ушей. Плодный материал, который врачи берут при выкидыше или аборте, также может использоваться для исследования. При этом выбор в пользу того или иного материала никак не влияет на результаты проводимого анализа. ДНК одинаковый в любой клетке (за исключением яйцеклетки и сперматозоида), а значит, при правильном подходе к исследованию из любого материала можно получить одинаково точный ответ.

Проводимый анализ требует применения самого современного оборудования, а потому небольшие лаборатории и медицинские центры в маленьких городах редко оказывают подобные услуги. Благо биогенетический материал, (мазок, ногтевую пластину, жвачку с остатками слюны), при необходимости отправляется в лабораторию другого города по почте.

Способы расшифровки ДНК

Расшифровка ДНК – довольно сложная и затратная по времени процедура. Для расшифровки молекулы ее следует много раз скопировать, после чего разделить на части и расшифровывать поочередно каждую из них. Для удобства, обозначенные буквами основания, которые и составляют генетический код, окрашивают специальными красителями, чтобы после просвечивания лазером удобно было распознавать и читать.

Другой современный метод исследования очень напоминает проведение томографии. При нем молекула ДНК пропускается через специальное микроскопическое приспособление. Во время прохождения считываются колебания, производимые в минуту времени, которое сразу же выводятся на компьютер. По изменениям таких колебаний и удается расшифровать необходимый код.

15.04.2015 13.10.2015

Особенности структуры и функциональность «двойной спирали»

Сложно представить человека без генетических привычек, особенностей, наследственных изменений организма новорожденного. Оказывается, вся информация закодирована в пресловутых генах, что являются носителями генетической цепи нуклеотидов.

История открытия ДНК

Строение молекулы днк стало впервые известно миру в 1869 году. И.Ф. Мишер вывел известное для всех обозначение ДНК, которое состоит из клеток, а точнее молекул, отвечающих за передачу генетического кода развития живых организмов. Вначале это вещество называлось нуклеином, долгое время никто не мог определить количество цепочек структуры, их способы функционирования.

Сегодня ученые окончательно вывели состав днк, в который входят 4 типа нуклеотидов, что, в свою очередь, содержат:

· остатки фосфора Н3РО4;

· пептозы С5Н10О4;

· азотистого основания.

Все эти элементы находятся в клетке и входят в состав днк и соединяются в двойную спираль, которая была выведена Ф. Криком, Д. Уотсоном в 1953 году. Их исследования совершили прорыв в мире науке и медицине, работа стала основой для многих научных исследований, отворила врата для познания генетической наследственности каждого человека.

Структура соединений

Молекула ДНК находится в ядре, выполняя множество различных функций. Несмотря на то, что основная роль вещества – хранение информации гена, соединения отвечают за следующие виды работ:

· кодируют аминокислоту;

· контролируют работу клеток организма;

· вырабатывают белок для внешнего проявления генов.

Каждая часть соединения формирует спиралеобразные нити, так называемые хроматиды. Структурными единицами спирали являются нуклеотиды, которые находятся в середине цепи и дают возможность ДНК удваиваться. Это происходит таким образом:

1. Благодаря специальным ферментам в клетке организма производится расплетение спирали.

2. Водородные связи расходятся, освобождая фермент — полимераз.

3. Родительская молекула ДНК соединяется с одноцепочным фрагментом из 30 нуклеотидов.

4. Образуются две молекулы, в которых одна нить – материнская, вторая – синтетическая.

Чего же нуклеотидные цепочки еще обертываются вокруг нити? Дело в том, что количество ферментов очень большое, а таким образом, они беспрепятственно помещаются на одной оси. Такое явление носит название спирализация, нити укорачиваются в несколько раз, иногда до 30 единиц.

Молекулярно-генетические методы использования ДНК в медицине

Молекула ДНК, дала возможность человечеству имеет использовать структуру нуклеотидных соединений в различных направлениях. В первую очередь для диагностики наследственных заболеваний. Для моногенных заболеваний в результате сцепного наследования. При выявлении истории инфекционных, онкологических эксцессов. А также в судебной медицине для идентификации личности.

Возможностей использования ДНК очень много, на сегодняшний день имеется список моногенных болезней, что вышли из списка смертельных, благодаря концепции развития строений соединений и диагностики молекулярного биополя. В перспективе можно говорить о «генетическом документе новорожденного», который будет содержать весь список распространенных заболеваний индивидуального характера.

Все молекулярно-генетические процессы еще не изучены, это довольно сложный и трудоемкий механизм. Возможно, многие генетические болезни смогут предотвратить уже в скором будущем, изменив структуру зарожденной жизни человека!

Что же еще запланировано в будущем на основе этого вещества?

Компьютерные программы на базе нуклеотидных нитей имеют радужные перспективы для создания сверхумных вычислительных роботов. Родоначальником такой идеи является Л. Адлеман.

Задумка изобретения такова: для каждой нити синтезируется последовательность молекулярных оснований, которые смешиваются между собой и формируют различные варианты РНК. Такой компьютер сможет выполнять данные с точностью до 99,8%. По мнению ученых-оптимистов, такое направление скоро перестанет быть экзотикой, а через 10 лет станет видимой реальностью.

Воплощать в жизнь ДНК-компьютеры будут в живых клетках, выполняя цифровые программы, которые будут взаимодействовать с биохимическими процессами организма. Первые схемы таких молекул уже изобретены, значит, скоро начнется серийное их производство.

Удивительные и необыкновенные факты о ДНК

Интересный исторический факт свидетельствует о том, что множество лет назад «хомо сапиенс» скрещивались с неандертальцами. Сведения подтвердились в медицинском центре Италии, где был определен митохондрильный ДНК найденной особы, которой было предположительно 40 000 лет. Она унаследовала его от поколения людей-мутантов, которые много лет назад исчезли с планеты Земля.

Еще один факт повествует о составе ДНК. Известно случаи, когда беременности зачинаются как близнецы, но один из зародышей «втягивает в себя» другого. Это означает, что в организме новорожденного будет 2 ДНК. Такое явление известно многим из картинок истории греческой мифологии, когда организмы обладали несколькими частями тела разных животных. На сегодняшний день множество людей живут и не знают о том, что являются носителями двух структурных соединений. Даже генетические исследования не всегда могут подтвердить эти данные.

Внимание: в мире есть удивительные существа, чье ДНК являются вечными, а особы – бессмертными. Так ли это? Теория старения очень непростая. Говоря простыми словами, с каждым делением клетка теряет свою силу. Однако, если иметь постоянную структурную нить, то можно жить вечно. Некие омары, черепахи при особых условиях могут жить очень долго. Но вот болезни никто не отменял, это становиться причиной многих смертей животных-долгожителей.

ДНК дарит надежду на улучшение жизни каждого живого организма, помогая диагностировать тяжелые недуги, становиться более развитыми, совершенными личностями.

(наряду с РНК), которые являются полимерами, а точнее - полинуклеотидами (мономер - нуклеотид).

ДНК отвечает за хранение и передачу при делении клеток генетического кода. Именно через молекулы ДНК реализуются наследственность и изменчивость. На ДНК синтезируются все виды РНК. Далее различные типы РНК совместно обеспечивают синтез белков клетки, т. е. реализуют генетическую информацию.

В клетках эукариот подавляющее количество ДНК находится в ядре, где они образуют комплексы с особыми белками, в результате чего образуются хромосомы. В клетках прокариот существует одна большая кольцевая (или линейная) молекула ДНК (также в комплексе с белками). Кроме того в клетках эукариот своя ДНК есть в митохондриях и хлоропластах.

В случае ДНК каждый нуклеотид состоит из 1) азотистого основания, которое может быть аденином, гуанином, цитозином или тимином, 2) дезоксирибозы, 3) фосфорной кислоты.

Последовательность нуклеотидов в цепочке ДНК определяет первичную структуру молекулы. Для ДНК характерна вторичная структура молекулы в форме двойной спирали (чаще всего правозакрученной). При этом две цепи ДНК соединяются между собой водородными связями, образуемыми между комплементарными азотистыми основаниями.

Аденин комплементарен тимину, а гуанин – цитозину. Между аденином и тимином образуются две водородные связи, а между гуанином и цитозином - три. Таким образом, гуанин и цитозин соединены между собой немного прочнее (хотя водородные связи в принципе слабые). Количество связей определяется особенностями строения молекул.

Аденин и гуанин относятся к пуринам и состоят из двух колец. Тимин и цитозин относятся к пиримидиновым основаниям, состоящим из одного кольца. Таким образом между остовами (состоящими из чередующихся дезоксирибозы и фосфорной кислоты) двух цепей ДНК при любой паре нуклеотидов разных цепей всегда существует три кольца (поскольку двухкольцовый пурин всегда комплементарен только определенному однокольцовому пиримидину). Это позволяет сохранять ширину между цепями молекулы ДНК одинаковой на всем протяжении (примерно 2,3 нм).

В одном витке спирали находится примерно 10 нуклеотидов. Длина одного нуклеотида примерно 0,34 нм. Длина же молекул ДНК обычно огромна, превышает миллионы нуклеотидов. Поэтому, чтобы более компактно разместиться в ядре клетки, ДНК подвергается различной степени «сверхспирализации».

При считывании информации с ДНК (то есть синтезе на ней РНК, этот процесс называется транскрипцией ) происходит деспирализация (процесс обратный спирализации), две цепочки расходятся под действием специального фермента. Водородные связи слабые, поэтому разделение и в последующем сшивание цепей происходит при малой затрате энергии. РНК синтезируется на ДНК согласно все тому же принципу комплементарности. Только вместо тимина в РНК аденину комплементарен урацил.

Генетический код, записанный на молекулах ДНК, состоит из триплетов (последовательностей трех нуклеотидов), которые обозначают одну аминокислоту (мономер белка). Однако большая часть ДНК не кодирует белок. Значение таких участков молекулы различно, во многом до конца не выяснено.

Перед делением клетки всегда происходит удвоение количества ДНК. Этот процесс называется репликацией . Она носит полуконсервативный характер: цепи одной молекулы ДНК расходятся, и на каждой достраивается своя новая комплементарная цепь. В итоге из одной двухцепочной молекулы ДНК получаются две двухцепочные ДНК, идентичные первой.

В ДНК полинуклеотидные цепи разнонаправлены, т. е. там где у одной цепи 5"-конец (остаток фосфорной кислоты присоединен к пятому атому углерода дезоксирибозы), у другой - 3" (углерод, свободный от фосфорной кислоты).

При репликации и транскрипции синтез всегда идет в направлении от 5"-конца к 3", так как новые нуклеотиды могут присоединяться только к свободному 3" атому углерода.

Строение и роль ДНК как вещества, отвечающего за наследственную информацию, были выяснены в 40-50-х годах XX века. В 1953 году Д. Уотсон и Ф. Крик определили двухцепочечную структуру ДНК. Ранее Э. Чаргафф выяснил, что в ДНК количество тимина всегда соответствует аденину, а количество гуанина - цитозину.

Мы знаем, что внешность человека, привычки и некоторые заболевания передаются по наследству. Информация о живом существе закодирована в генах, и носителем всех генов человека или животного является ДНК – дезоксирибонуклеиновая кислота.

Молекула ДНК – одна из трёх основных, которые содержат информацию обо всех генетических характеристиках. Другие – это РНК и белки. По сути ДНК – это длинная молекула, состоящая из структурных элементов – нуклеотидов. Чтобы понять, что такое ДНК, лучше представлять не химическое соединение, а программный код, в языке которого всего четыре буквы: А (аденин), Т (тимин), Г (гуанин) и Ц (цитозин). В этом коде записано, когда, сколько и каких белков будет произведено в нашем теле, начиная от формирования в виде эмбриона и до самой смерти.

А нуклеотиды – это что?

Нуклеотид – это, скажем так, кирпичик, и их нужно очень много, чтобы построить дом с кухней, залом и другими комнатами, которые находятся в определённой последовательности. ДНК человека содержит около 3 млрд пар нуклеотидов. Без них наш организм не будет существовать. В одной молекуле ДНК есть две цепочки нуклеотидов, которые спирально закручены вокруг друг друга. Три рядом расположенных нуклеотида кодируют аминокислоту. Основных аминокислот всего 20. Зачем они нужны? Чтобы построить белок – основной структурный элемент, из которого в нашем организме состоит всё. И белок как раз таки кодирует ДНК.

И как же происходит синтез белка?

Считается, что у человека около 20 тыс. генов. Здесь надо понимать, что дело не в количестве. Возьмём, к примеру, рис – у него их 30 тыс. Казалось бы, человек более высокоорганизованное существо, чем рис, он вершина эволюции! У него должно быть больше генов, чем у какого‑то растения. Но важнее, как сложно устроена работа организма. С помощью белка строятся мембраны клеток, ферменты. Условно говоря, у нас есть завод, где производятся машины. Чтобы машину собрать до конца, нужны колёса. А шины производят на соседнем заводе, их необходимо привезти. Так и здесь: есть молекула ДНК, и, чтобы синтезировать белок, она должна синтезироваться с РНК.

Если у нас есть ДНК, РНК тогда зачем?

Для того чтобы прочитать молекулу, её нужно сначала выделить, затем многократно скопировать, а после – нарезать на небольшие кусочки, удобные для анализа. И если ДНК хранит информацию, то РНК её копирует с ДНК и несёт из ядра на рибосому, в цитоплазму – этот процесс называется транскрипцией.

Интересно, что по своему химическому составу РНК является двойником ДНК. Главное отличие этих кислот заключается в их углеводном компоненте. В РНК это рибоза, а в ДНК – дезоксирибоза. И там, где у ДНК есть атом водорода (Н), у РНК стоит оксигруппа (ОН).

Фото Алёны Антоновой

Чем отличаются ДНК мужчины и женщины?

Новый организм начинает формироваться ещё при оплодотворении, когда соединяются яйцеклетка и сперматозоид. В женском организме 44 аутосомы и две половые хромосомы. Они одинаковые: XX. Мужчина же может продуцировать половинный набор: у него 44 таких же, как и у женщины, аутосомы, а половые хромосомы разные: одна – X, другая – Y. То есть от матери ребёнок может унаследовать только женскую Х-хромосому, тогда как от отца он может получить либо женскую Х (родится девочка), либо мужскую Y (родится мальчик).

Кстати, папы, которые очень хотят мальчика, иногда винят мам, если в итоге рождается девочка. Но вина здесь исключительно отцов: какую половую клетку они отдают ребёнку, такой пол и получается.

Как узнать информацию о своём генеалогическом древе?

Родословную каждый может составить сам, пообщавшись с родственниками. Если есть интерес узнать более глубокое происхождение, за десятки и сотни тысяч лет, то генетики могут дать чёткий ответ, изучив генетические маркеры, которые записаны в X- и Y-хромосоме. В клетках человека часть информации есть в ядре, о чём мы уже говорили, и часть – в органоидах, вне ядра – в цитоплазме. В последней есть митохондриальные гены. По анализу их ДНК также можно проследить ход эволюции. И выяснить, что определённые изменения произошли, условно, 10 тысяч лет назад. Если генетики находят это изменение, то они могут точно сказать, когда появились и где жили прародители человека. Картотека расселения человечества есть в Интернете в свободном доступе.

А без сдачи анализов это можно определить?

Без них не обойтись: делаются выборки из разных этнических групп, достаточно большие по численности. Они анализируются, и только потом генетики строят карты. Кстати, на основании такого исследования учёные выяснили, что первые люди на Земле появились в Африке. В ДНК всех женщин есть следы, ведущие к одной прародительнице, жившей в Юго-Восточной Африке 150 тысяч лет назад. И гены всех мужчин сходятся к предку, проживавшему там же. Они отправная точка всех народов.

В Белгороде тоже проводят такие исследования?

Да, учёные-генетики из БелГУ собирали анализы ДНК коренных жителей Белгородской области, чьи семьи проживают на этой земле много поколений. При этом обязательно учитывали национальность, ведь у нас много как русских, так и украинцев. В Алексеевском, Грайворонском, Красногвардейском районах, например, 100 лет назад были целые поселения украинцев, которые старались до 30–40-х годов прошлого века жениться только между собой. Эти материалы вошли в крупные международные проекты. В отношении антропогенетики Белгородская область хорошо изучена.

Фото shutterstock.com

У нас есть центр, где можно сделать анализ ДНК?

Есть только филиалы, точки сбора анализов. Любые исследования должны окупаться. Спрос среди белгородцев на это низкий, поэтому люди, у которых есть научный интерес, едут в Москву или Питер либо обращаются в сетевые лаборатории, которые сами отправляют материалы в крупные города.

Здесь важен и другой вопрос: у человека могут быть различные заболевания, которые контролируются генами. И исследования помогают разобраться в природе заболеваний, выявить их или предотвратить. Например, рак молочной железы. Если в организме происходят мутации, то риск того, что женщина заболеет, составляет 70–80 %. Зачастую это заболевание наследственное. Для того чтобы убедиться, если ли риск заболеть раком молочной железы у родственников, достаточно всем сдать анализы ДНК и наблюдаться у специалистов. Известный пример: у мамы Анжелины Джоли выявили эту болезнь. Анжелина протестировала свою ДНК на мутации, и подтвердилось, что они есть. Она сразу же сделала операцию. Анализы на такие заболевания в Белгороде сдают в перинатальном центре.

Правда, что отправлять пробирки со своими анализами ДНК за пределы России запрещено?

Тестирование ДНК россиян происходит только в России, как и американцев – только в США. Да, в связи с напряжённой ситуацией в международном сообществе у нас в стране подняли вопрос, не будет ли ДНК русских использована для разработки какого‑нибудь оружия, специфичного именно для славян.

На самом деле эти меры очень странны. Потому что, имея заграничный паспорт, любой человек может обследоваться на что угодно в любой стране, в том числе и на ДНК. К тому же за границей живёт масса русских.

Как и для чего делают анализ ДНК?

В качестве материала для анализа можно использовать слюну, кровь, сперму, ногти, волосяные луковицы, ушную серу, кусочки кожи и так далее. Чтобы получить достоверный результат, лучше сдавать на ДНК-анализ кровь из вены.

С помощью анализа ДНК можно определить наследственную предрасположенность к патологиям, которые уже встречались в семье, какие заболевания могут возникнуть у конкретного человека в будущем, индивидуальную непереносимость лекарств, вероятность осложнений во время беременности, склонность к алкоголизму или наркомании, возможные причины бесплодия и многое другое.

Анализ используется не только в медицине, но и в юриспруденции, криминалистике. Самая популярная потребность в таком исследовании – определение отцовства. Сравнение ДНК ребёнка и его отца позволяет получить 100%-ный результат.

Алёна Антонова

Дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК), высокополимерные природные соединения, содержащиеся в ядрах клеток живых организмов; вместе с белками гистонами образуют вещество хромосом. ДНК - носитель генетической информации, ее отдельные участки соответствуют определенным генам. Молекула ДНК состоит из 2-х полинуклеотидных цепей, закрученных одна вокруг другой в спираль. Цепи построены из большого числа мономеров 4-х типов - нуклеотидов, специфичность которых определяется одним из 4-х азотистых оснований (аденин, гуанин, цитозин, тимин). Сочетания трех рядом стоящих нуклеотидов в цепи ДНК (триплеты, или кодоны) составляют код генетический. Нарушения последовательности нуклеотидов в цепи ДНК приводят к наследственным изменениям в организме - мутациям. ДНК точно воспроизводится при делении клеток, что обеспечивает в ряду поколений клеток и организмов передачу наследственных признаков и специфических форм обмена веществ.

Дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК), нуклеиновые кислоты, содержащие в качестве углеводного компонента дезоксирибозу. ДНК является основной составляющей хромосом всех живых организмов; ею представлены гены всех про- и эукариот, а также геномы многих вирусов. В нуклеотидной последовательности ДНК записана (кодирована) генетическая информация о всех признаках вида и особенностях особи (индивидуума) - ее генотип. ДНК регулирует биосинтез компонентов клеток и тканей, определяет деятельность организма в течение всей его жизни.

История открытия и изучения ДНК

Уже в середине 19 века было установлено, что способность к наследованию тех или иных признаков организмов связана с материалом, содержащимся в клеточном ядре. В 1868-72 гг. швейцарский биохимик И. Ф. Мишер выделил из клеток гноя (лейкоцитов) и спермы лосося вещество, которое им было названо нуклеином, а впоследствии получило название дезоксирибонуклеиновая кислота.

В конце 19 - начале 20 вв. благодаря работам Л. Кесселя, П. Левена, Э. Фишера и др. было установлено, что молекулы ДНК представляют собой линейные полимерные цепи, состоящие из многих тысяч соединенных друг с другом мономеров - дезоксирибонуклеотидов четырех типов. Эти нуклеотиды образованы остатками пятиуглеродного сахара дезоксирибозы, фосфорной кислоты и одним из четырех азотистых оснований: пуринов - аденина и гуанина и пиримидинов - цитозина и тимина. Для обозначения оснований стали использовать начальные буквы их названий на английском или русском (в русскоязычной научной литературе) языке: соответственно A, G (Г), С (Ц) и Т.

Долгое время считалось, что ДНК содержится только в клетках животных, пока в 1930-х гг. российским биохимиком А. Н. Белозерским не было показано, что ДНК является обязательным компонентом всех живых клеток. Первые доказательства генетической роли ДНК (как вещества наследственности) были получены в 1944 группой американских ученых (О. Эйвери и др.), которые в опытах на бактериях однозначно установили, что с ее помощью наследуемый признак может быть перенесен от одной клетки к другой.

К середине 20 в. работами английских ученых (А. Тодд и др.) было окончательно выяснено строение нуклеотидов, которые служат мономерными звеньями в молекуле ДНК, и тип межнуклеотидной связи. Все нуклеотиды соединены между собой 3"-, 5"-фосфодиэфирной связью таким образом, что остаток фосфорной кислоты служит связующим звеном между 3"-углеродным атомом дезоксирибозы одного нуклеотида и 5"-углеродным атомом дезоксирибозы другого нуклеотида. На основании этого в каждой цепи ДНК выделяют 3"-конец и 5"-конец молекулы.

Структура ДНК. Открытие «двойной спирали»

В 1950 американский биохимик Э. Чаргафф обнаружил существенные различия в нуклеотидном составе ДНК из разных источников. Кроме того, оказалось, что состав нуклеотидов в молекуле ДНК подчиняется ряду закономерностей, главные из которых - равенство суммарного количества пуриновых и пиримидиновых оснований и равенство количества аденина и тинина (А-Т) и гуанина и цитозина (Г-Ц). В 1953 американский биохимик Дж.Уотсон и английский физик Ф. Крик на основании рентгеноструктурного анализа кристаллов ДНК (лаборатория М. Уилкинса) и, основываясь на данных Чаргаффа, предложили трехмерную модель ее структуры. Согласно этой модели молекулы ДНК представляют собой две правозакрученные вокруг общей оси полинуклеотидных цепи, или двойную спираль. На один виток спирали приходится примерно 10 нуклеотидных остатков. Цепи в этой двойной спирали антипараллельны, то есть направлены в противоположные стороны, так что 3"-конец одной цепи располагается напротив 5"-конца другой.

Остовы цепей образованы остатками дезоксирибозы и отрицательно заряженными фосфатными группами. Они находятся на внешней стороне двойной спирали (обращены к поверхности молекулы). Плохо растворимые в воде (гидрофобные) пуриновые и пиримидиновые основания обеих цепей ориентированы внутрь и расположены перпендикулярно оси двойной спирали.

Антипараллельные полинуклеотидные цепи двойной спирали ДНК не идентичны ни по последовательности оснований, ни по нуклеотидному составу. Однако они комплементарны друг другу: где бы ни появился в одной цепи аденин, напротив него в другой цепи обязательно будет стоять тимин, а против гуанина в одной цепи обязательно стоит цитозин другой цепи. Это означает, что последовательность оснований в одной цепи однозначно определяет последовательность оснований в другой (комплементарной) цепи молекулы. Более того, эти пары оснований образуют между собой водородные связи (три связи имеется в паре Г-Ц и две - между А-Т). Водородные связи и гидрофобные взаимодействия играют главную роль в стабилизации двойной спирали ДНК.

Нагревание, значительные изменения рH и ряд других факторов вызывают денатурацию молекулы ДНК, приводящую к разделению ее цепей. В определенных условиях возможно полное восстановление исходной (нативной) структуры молекулы ДНК, ее ренатурация. Способность комплементарных цепей ДНК легко разъединяться, а затем вновь восстанавливать исходную структуру лежит в основе самовоспроизведения молекулы ДНК, ее репликации (удвоения): если две комплементарные цепи ДНК разделить, а затем на каждой, как на матрице, построить новые, строго комплементарные им цепи, то две вновь образовавшиеся молекулы будут идентичны исходной. Открытие этого принципа позволило на молекулярном уровне объяснить явление наследственности.

Сходство и различие строения природных ДНК. Размеры

Почти все природные ДНК состоят из двух цепей (исключение составляют одноцепочечные ДНК некоторых вирусов). При этом ДНК может иметь линейную форму или кольцевую (когда концы молекулы ковалентно замкнуты). В клетках прокариот ДНК организована в одну хромосому (нуклеоид) и представлена одной кольцевой макромолекулой с молекулярной массой более 10. Кроме того, в клетках некоторых бактерий имеется одна или несколько плазмид - небольших кольцевых молекул ДНК, не связанных с хромосомой. У эукариот основная масса ДНК находится в ядре клетки в составе хромосом (ядерная ДНК). В каждой хромосоме эукариот имеется только одна линейная молекула ДНК, но так как во всех клетках эукариот (кроме половых) присутствует двойной набор гомологичных хромосом, то и ДНК представлена двумя неидентичными копиями, полученными организмом от отца и матери при слиянии половых клеток. Молекулярная масса эукариотических ДНК выше, чем у ДНК прокариот (например, в одной из хромосом плодовой мушки дрозофилы она достигает 7,9 х 1010). Кроме того, в состав митохондрий и хлоропластов входят кольцевые молекулы ДНК с молекулярной массой 106-107. ДНК этих органелл называют цитоплазматической; она составляет примерно 0,1% всей клеточной ДНК.

Размеры молекул ДНК обычно выражаются числом образующих их нуклеотидов. Эти размеры варьирует от нескольких тысяч пар нуклеотидов у бактериальных плазмид и некоторых вирусов до многих сотен тысяч пар нуклеотидов у высших организмов. Такие гигантские молекулы должны быть чрезвычайно компактно упакованы в клетках и вирусах. Например, длина ДНК нуклеотида кишечной палочки, состоящей примерно из четырех миллионов пар нуклеотидов, равна 1,4 мм, что в 700 раз превышает размеры самой бактериальной клетки. Общая длина всей ДНК в одной единственной клетке человека составляет примерно 2 м. Если же учесть, что организм взрослого человека состоит примерно из 1013 клеток, то общая длина всей ДНК человека должна составлять около 2х1013 м, или 2х1010 км (для сравнения: окружность земного шара - 4х104 км, а расстояние от Земли до Солнца - 1,44х108 км). Каким же образом происходит упаковка гигантских молекул ДНК в малом объеме клетки или вируса? Двойная спираль ДНК не является абсолютно жесткой, что делает возможным образование перегибов, петель, сверхспиральных структур и т. д. В нуклеоиде бактерий такая укладка поддерживается небольшим количеством специальных белков и, возможно, рибонуклеиновыми кислотами. В эукариотических клетках с помощью универсального набора основных белков гистонов и некоторых негистоновых белков ДНК превращается в очень компактное образование - хроматин, который является основным компонентом хромосом. Например, длина ДНК самой большой хромосомы человека равна 8 см, а в составе хромосомы благодаря упаковке она не превышает 8 нм.

Отдельные участки ДНК, кодирующие первичную структуру белка (полипептида) и РНК, называются генами. Наследственная информация записана в линейной последовательности нуклеотидов. У разных организмов она строго индивидуальна и служит важнейшей характеристикой, отличающей одну молекулу ДНК от другой и, соответственно, один ген от другого. Животные разных видов отличаются друг от друга потому, что молекулы ДНК их клеток имеют разную последовательность нуклеотидов, то есть несут разную информацию.

Биосинтез ДНК

Биосинтез ДНК происходит путем репликации, обеспечивающей точное копирование генетической информации и передачу ее от поколения к поколению. Этот процесс происходит при участии фермента ДНК-полимеразы. Матрицей для синтеза ДНК может служить и однонитевая (одноцепочечная) молекула рибонуклеиновой кислоты (РНК), что происходит, например, при заражении клеток ретровирусами (в их числе и вирусом СПИДа). Жизненный цикл этих вирусов включает обратный поток информации - от РНК к ДНК. При этом комплементарное копирование РНК в ДНК осуществляется с помощью фермента обратной транскриптазы. В ходе жизнедеятельности организмов их ДНК под влиянием внешних факторов может подвергаться различным повреждениям (мутациям), связанным с нарушением структуры азотистых оснований. В ходе эволюции клетки выработали защитные механизмы, обеспечивающие восстановление ее исходной структуры - репарацию ДНК.

Разработаны эффективные методы определения последовательности нуклеотидов в молекулах ДНК, благодаря которым накоплена огромная информация о ее первичной структуре в генах многих вирусов, некоторых митохондрий и хлоропластов, а также отдельных генов и фрагментов крупных геномов. Полностью определена нуклеотидная последовательность ДНК дрожжей, червя нематоды (150 млн. пар нуклеотидов). В рамках международной программы «Геном человека» в основном завершено установление нуклеотидной последовательности всей ДНК в геноме человека (3 млрд. пар нуклеотидов).

Знание последовательности чередования нуклеотидов в молекуле ДНК важно при анализе наследственных заболеваний человека, при выделении отдельных генов и других функционально важных участков ДНК; оно позволяет, используя генетический код, безошибочно установить первичную структуру белков, кодируемых определенными генами. Информация о первичной структуре ДНК широко используется в генетической инженерии при создании рекомбинантных ДНК - молекул с заданными свойствами, включающих компоненты ДНК из разных организмов.