Будова ДНК: особливості, схема. Яка будова має молекула ДНК?

Будова ДНК: особливості, схема. Яка будова має молекула ДНК?

ДНК є універсальним джерелом і зберігачем спадкової інформації, яка записана за допомогою спеціальної послідовності нуклеотидів, вона визначає властивості всіх живих організмів.

Середня молекулярна маса нуклеотиду приймається рівною 345, а кількість нуклеотидних залишків може досягати декількох сот, тисяч і навіть мільйонів. ДНК в основній своїй масі знаходиться в ядрах клітин. Трохи міститься в хлоропластах і мітохондріях. Однак ДНК ядра клітини - це не одна молекула. Вона складається з безлічі молекул, які розподілені по різних хромосомах, їх кількість змінюється в залежності від організму. Це і є особливості будови ДНК.

Історія відкриття ДНК

Будова і функції ДНК були відкриті Джеймсом Уотсоном і Френсісом Криком, їм навіть була вручена Нобелівська премія в 1962 році.

Але вперше виявив нуклеїнові кислоти швейцарський вчений Фрідріх Йоганн Мішер, який працював у Німеччині. У 1869 році він вивчав тваринні клітини - лейкоцити. Для їх отримання використовував пов 'язки з гнієм, що діставалися йому з лікарень. З гною Мішер вимивав лейкоцити, а з них виділяв білок. У ході цих досліджень вченому вдалося встановити, що в лейкоцитах крім білків є ще щось, якась невідома на той момент речовина. Воно являло собою нитевидний або хлопьевидний осад, який виділявся, якщо створити кисле середовище. Осад відразу розчинявся при додаванні лужі.

Вчений за допомогою мікроскопа виявив, що при відмиванні лейкоцитів за допомогою соляної кислоти від клітин залишаються ядра. Тоді він зробив висновок, що в ядрі є невідома речовина, названа ним нуклеїном (слово nucleus в перекладі означає ядро).

Провівши хімічний аналіз, Мішер з 'ясував, що нова речовина у своєму складі має вуглець, водень, кисень і фосфор. У той час фосфорорганічних сполук було відомо небагато, тому Фрідріх вирішив, що виявив новий клас сполук, що знаходяться в ядрі клітини.

Таким чином, у XIX столітті було відкрито існування нуклеїнових кислот. Однак у той час ніхто не міг навіть подумати про те, яка важлива роль їм належить.

Речовина спадковості

Будова ДНК продовжувала досліджувати, і 1944 року група бактеріологів під керівництвом Освальда Евері отримала докази того, що ця молекула заслуговує серйозної уваги. Вчений протягом багатьох років займався вивченням пневмококів, організмів, які викликали пневмонію або захворювання легенів. Евері проводив досліди, змішуючи пневмококи, що викликають захворювання, з тими, які безпечні для живих організмів. Спочатку хвороботворні клітини вбивали, а після додавали до них ті, які захворювань не викликають.

Результати досліджень вразили всіх. Були такі живі клітини, які після взаємодії з мертвими навчалися викликати хворобу. Вчений з 'ясував природу речовини, яка бере участь у процесі передачі інформації живим клітинам від мертвих. Молекула ДНК і виявилася цією речовиною.

Будова

Отже, необхідно розібратися з тим, яка будова має молекула ДНК. Відкриття її структури стало значущою подією, це призвело до утворення молекулярної біології - нової галузі біохімії. ДНК у великих кількостях знаходиться в ядрах клітин, проте розміри і кількість молекул залежать від виду організму. Встановлено, що ядра клітин ссавців містять багато цих клітин, вони розподілені по хромосомах, їх налічується 46.

Вивчаючи будову ДНК, 1924 року Фельген вперше встановив її локалізацію. Докази, отримані в ході експериментів, показали, що ДНК знаходиться в мітохондріях (1-2%). В інших місцях ці молекули можуть перебувати при вірусній інфекції, в базальних тільцях, а також в яйцеклітинах деяких тварин. Відомо, що чим складніший організм, тим маса ДНК більша. Кількість молекул, що знаходяться в клітці, залежить від функції і становить зазвичай 1-10%. Найменше їх знаходиться в міоцитах (0,2%), більше - в статевих клітинах (60%).

Будова ДНК показала, що в хромосомах вищих організмів вони пов 'язані з простими білками - альбумінами, гістонами та іншими, які всі разом утворюють ДНП (дезоксирибонуклеопротеїд). Зазвичай велика молекула нестійка, і для того щоб вона залишалася цілою і незмінною в ході еволюції, створена так звана репаріююча система, яка складається з ферментів - лігаз і нуклеаз, що відповідають за "ремонт" молекули.

Хімічна будова ДНК

ДНК є полімером, полинуклеотидом, що складається з величезного числа (до десятків тисяч мільйонів) мононуклеотидів. Будова ДНК має такий вигляд: мононуклеотиди містять азотисті підстави - цитозин (Ц) і тимін (Т) - з похідних піримідинів, аденін (А) і гуанін (Г) - з похідних пурина. Крім азотистих підстав, у складі молекули людини і тварин є 5-метилцитозин - мінорна піримідинова підстава. З фосфорною кислотою і дезоксирибозою зв 'язуються азотисті підстави. Схема будови ДНК продемонстрована нижче.

Правила Чаргаффа

Будова і біологічна роль ДНК вивчалися Е. Чаргаффом у 1949 році. Під час досліджень він виявив закономірності, які спостерігаються в кількісному розподілі азотистих підстав:

  1. _ Т + Ц = ‑ А + Г (тобто число піримідинових підстав дорівнює числу пуринових).
  2. Завжди кількість залишків аденіну дорівнює кількості залишків тіміна, а кількість гуаніну дорівнює цитозину.
  3. Коефіцієнт специфічності має формулу: Г + Ц/А + Т. Наприклад, у людини вона дорівнює 1,5, у бика - 1,3.
  4. Сума "А + Ц" "дорівнює сумі" "Г + Т" ", тобто аденіна і цитозина є стільки ж, скільки гуаніну і тіміна.

Модель будови ДНК

Її створили Вотсон і Крік. Залишки фосфатів і дезоксирибоз розташовуються по хребту двох закручених спіралеподібним чином полинуклеотидних ланцюгів. Визначено, що площинні структури піримідинових і пуринових підстав розташовуються перпендикулярно осі ланцюга і утворюють ніби сходи у вигляді спіралі. Встановлено також, що А завжди з 'єднується з Т за допомогою двох водневих зв' язків, а Г прикріплено до Ц вже трьома такими ж зв 'язками. Цьому явищу дали назву "" принцип вибірковості та комплементарності "".

Рівні структурної організації

Вигнута як спіраль полинуклеотидний ланцюг - це первинна структура, яка має певний якісний і кількісний набір мононуклеотидів, пов 'язаних 3 ", 5" -фосфодіефірним зв' язком. Таким чином, кожен з ланцюгів має 3 "-конець (дезоксирибоза) і 5" -конець (фосфатний). Ділянки, які містять генетичну інформацію, названі структурними генами.

Двоспіральна молекула - це вторинна структура. Причому її полинуклеотидні ланцюги антипаралельні і зв 'язуються водневими зв' язками між комплементарними підставами ланцюгів. Встановлено, що в кожному витку цієї спіралі міститься 10 нуклеотидних залишків, довжина її дорівнює 3,4 нм. Цю структуру підтримують також Ван-дер-Ваальсові сили взаємодії, які спостерігаються між підставами одного ланцюга, що включають відштовхуючі і притягуючі компоненти. Ці сили пояснюються взаємодією електронів у сусідніх атомах. Електростатична взаємодія також стабілізує вторинну структуру. Воно виникає між зарядженими позитивно молекулами гістонів і зарядженою негативно ниткою ДНК.

Третинна структура - це намотка ланцюгів ДНК на гістони або суперспіралізація. Описано п 'ять видів гістонів: , , , .

Укладання нуклеосом в хроматин - це четвертична структура, тому молекула ДНК, що має довжину кілька сантиметрів, може складатися до 5 нм.

Функції ДНК

Основними функціями ДНК є:

  1. Зберігання спадкової інформації. Послідовність амінокислот, що знаходяться в молекулі білка, визначається порядком, в якому розташовані нуклеотидні залишки в молекулі ДНК. Також у ній зашифрована вся інформація про властивості та ознаки організму.
  2. ДНК здатна передавати спадкову інформацію наступному поколінню. Це можливо через здатність до реплікації - самоудвоєння. ДНК здатна розпадатися на два комплементарні ланцюжки, і на кожному з них (відповідно до принципу комплементарності) відновлюється вихідна послідовність нуклеотидів.
  3. За допомогою ДНК відбувається біосинтез білків, ферментів і гормонів.

Ув 'язнення

Будова ДНК дозволяє їй бути зберігачем генетичної інформації, а також передавати її наступним поколінням. Які є особливості у цієї молекули?

  1. Стабільність. Це можливо завдяки глікозидним, водневим і фосфодіефірним зв 'язкам, а також механізму репарації індукованих і спонтанних пошкоджень.
  2. Можливість реплікації. Цей механізм дозволяє в соматичних клітинах зберігати диплоїдне число хромосом.
  3. Існування генетичного коду. За допомогою процесів трансляції та транскрипції послідовність підстав, що знаходяться в ДНК, перетворюється на послідовність амінокислот, що знаходяться в поліпептидному ланцюгу.
  4. Здатність до генетичної рекомбінації. При цьому утворюються нові поєднання генів, які зчеплені між собою.

Таким чином, будова і функції ДНК дозволяють їй грати неоціненну роль в організмах живих істот. Відомо, що довжина 46-ти молекул ДНК, що знаходяться в кожній клітці людини, дорівнює майже 2 м, а число нуклеотидних пар становить 3,2 млрд.