Дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК). Відкриття структури дезоксирибонуклеїнових кислот
Вперше нуклеїнові кислоти були виявлені в ядрі, а тому і названі на честь цього органоида клітини (від лат. «Нуклеус» - ядро). Існує два типи нуклеін - дезоксирибонуклеїнова кислота і рибонуклеїнова кислота. Велико біологічне значення цих макромолекул. З їхньою участю проходить синтез білків, вони зберігають і передають спадкову інформацію від одного покоління до наступних.
Нуклеїнові кислоти
Фізико-хімічні структури і процеси, що лежать в основі передачі генетичних ознак, були в основному встановлені до 1953 року. Відкриття нуклеїнових кислот відбулося на 85 років раніше - в 1868 році, коли про існування ядерної речовини заявив Ф. Мішер, який виділив нуклеін. За часом ця подія збіглася з публікаціями робіт Г. Менделя про рослинних гібридах, в яких йшлося про спадкових факторах.
У 1927 році російський природознавець Кольцов у своїй статті «Спадковість і молекули» стверджував, що в хромосомах клітин знаходяться великі полімерні молекули. Уздовж них розташовані ділянки, які управляють передачею ознак від батьків до дітей. Але Кольцов помилково вважав білкові молекули носіями спадкової інформації. У ті ж роки Левін у США наводить докази існування РНК і ДНК.
Відкриття структури дезоксирибонуклеїнових кислот
Публікація книги засновника квантової механіки Шредінгера про погляди фізика на процеси в живому організмі справила величезний вплив на роботи Ф. Крику і Дж. Уотсона з вивчення складу молекули ДНК. Будова дезоксирибонуклеїнової кислоти тривалий час не піддавалося розшифровці.
Уотсон і Крик в 1953 зробили відкриття структури дезоксирибонуклеїнових кислот, запропонували модель ДНК - подвійну спіраль. Так з'явився новий напрям у науці - молекулярна генетика. За праці по розшифровці коду генетичної інформації Крик і Уотсон отримали в 1962 році Нобелівську премію.
Дезоксирибонуклеїнова кислота (ДНК)
Молекула утворена двома полинуклеотидной ланцюжками, додатково згорнутими в подвійну спіраль. Унікальне будову ДНК полягає у певному чергуванні нуклеотидів, специфічному для кожної ділянки макромолекули. Ланцюг дезоксирибонуклеїнової кислоти являє полімер, число мономерів-нуклеотидів - кілька десятків тисяч. У послідовності мономерів закодована генетична інформація про ознаки організму. Таким чином, дезоксирибонуклеїнова кислота відрізняється наступними характеристиками:
- за хімічним складом і властивостями - нуклеїнова кислота;
- утворена ДНК азотистими підставами;
- в якості вуглеводної частини присутній дезоксирибоза;
- за будовою - біополімер, мономерами є дезоксірібонуклеотіди;
- мономери скріплені фосфатними частинками.
Хімічна природа носія генетичної інформації
Завдяки величезному числу фосфатних залишків дезоксирибонуклеїнова кислота має властивості сильної багатоосновної кислоти (в тканинах присутні її солі). Для виконання завдання по опису будови ДНК треба згадати зміст двох тем з органічної хімії: «Вуглеводи» і «Азотовмісні органічні речовини». Наприклад, пропонується наступна вправа: охарактеризуйте мономери дезоксирибонуклеїнової кислоти. У відповіді необхідно відзначити, що фосфорна кислота і вуглевод мають однакову будову у всіх нуклеотидів. Азотисті основи за своєю хімічною природою є похідними пурину і піримідину. Всього таких структур налічується 4 типи: аденін, гуанін (пуринові) - цитозин і тимін (піримідинові). Мономери складають ланцюг ДНК за наступною схемою:
(Азотиста основа + вуглевод дезоксирибоза = нуклеозид) + залишок фосфорної кислоти = нуклеотид.
Назви останніх походять від найменувань азотистих основ. Мономери з'єднуються один з одним ковалентним зв'язком, створюючи послідовність нуклеотидів (це і є дезоксирибонуклеїнова кислота).
Формула мономерів ДНК має наступний вигляд:
Окремі витки ланцюга ДНК скріплюють водневі зв'язки, певну роль відіграють гідрофобні взаємодії. Температура вище 50 ° С послаблює силу тяжіння між основами. При подальшому нагріванні полінуклеотидні ланцюга розділяються, ДНК плавиться. Денатурація відбувається при нагріванні до 80 ° С.
Принцип комплементарності в молекулі
Одна ланцюг ДНК містить азотисті основи, які розташовуються в певному порядку по відношенню до структур другий полинуклеотидной «стрічки». Утворюються дві комплементарні пари: аденін (А), пов'язаний з тиміном (Т) - гуанін (Г), комплементарний цитозину (Ц). Кожна з частин однієї пари доповнює іншу, як половинки розбитої чашки. Слово «комплемент» - грецького походження. У перекладі означає «додаток».
Коли послідовність нуклеотидів в одного ланцюга ДНК відома, складу другої встановлюють за принципом комплементарності. З'єднання нуклеотидів відбувається завдяки взаємодії атомів водню і кисню. Між адениловой і тіміділових нуклеотидами виникає 2 водневі зв'язки, гуаніловий і цітозіловий з'єднують 3 аналогічних «містка».
Редуплікація нуклеотидной ланцюга
Здатність молекули ДНК подвоюватися - її унікальна властивість, що забезпечує передачу спадкових ознак від одних поколінь живих організмів - до інших (наступним). Редуплікація дезоксирибонуклеїнової кислоти - це її подвоєння. Відбуваються такі процеси і явища:
- Молекула ДНК перед клітинним поділом розкручується з одного боку спіралі.
- Розщеплення ланцюга на дві частини відбувається під впливом каталізатора (ферменту).
- Уздовж кожної половини шикуються вільні нуклеотиди з клітки, утворюючи другу ланцюг.
- Відтворення подвоєною ланцюга відбувається за принципом комплементарності.
- Виникають дві молекули ДНК з однаковою послідовністю мономерів.
Практичне значення відкриття будови і функцій ДНК
Дезоксирибонуклеїнова кислота вперше була синтезована поза організмом північноамериканським дослідником А. Корнбергом (1967). Його співвітчизник і колега Х. Коран через рік штучно отримав полідезоксірібонуклеотід, який за будовою відповідав гену чи ділянці спіральної молекули носія спадкової інформації. Фахівці медичної школи в Гарварді в 1969 році зуміли визначити межі окремого гена і розділити його з іншою ланцюжком.
Завдяки вивченню структури і функцій нуклеїнових кислот вчені пояснили суть передачі спадкової інформації, необхідної для біосинтезу білка в клітці. Відкриття структури ДНК зіграло величезну роль у діагностиці та лікуванні спадкових захворювань, селекції. Зміна спадкової природи організмів отримало назву «генна інженерія». З'явилася можливість створювати генетично модифіковані об'єкти (ГМО) з наперед заданими ознаками.
Позитивну оцінку численних відкриттів у цій галузі необхідно доповнити зауваженням про можливі негативні наслідки споживання їжі з ГМО. На рівні держав прийняті закони, що забезпечують біологічну безпеку населення. Створені організації, які відстежують дотримання правил ввезення та продажу продуктів, що містять ГМО. Вони повинні мати відповідне маркування. У ряді країн для таких товарів відводяться окремі стелажі в супермаркетах. Екологічно чиста продукція отримує маркування «Без ГМО». Ціни на подібні товари можуть бути в кілька разів вище.
