Будова днк: особливості, схема. Яку будову має молекула ДНК?
ДНК є універсальним джерелом і хранителем 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 перебуває 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
Будову 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 тварини клітини - лейкоцити. Для їх отримання використовував пов'язки з гноєм, 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, якесь невідоме на той момент речовину. Воно являло собою ниткоподібний або пластівчастий осад, який виділявся, якщо створити кисле середовище. Осад відразу розчинявся при додаванні лугу.
Вчений з 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, назване їм нуклеін (слово nucleus в перекладі означає ядро).
Провівши хімічний аналіз, Мішер з'ясував, що нова речовина в 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, в XIX столітті було відкрито існування нуклеїнових кислот. Однак у той час ніхто не міг навіть подумати про те, яка важлива роль належить.
Речовина спадковості
Будова ДНК продовжували досліджувати, і в 1944 році 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, 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. Учений з'ясував природу речовини, яка бере участь у процесі передачі інформації живим клітинам від мертвих. Молекула ДНК і опинилася цією речовиною.
Будова
Отже, необхідно розібратися з тим, яке 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, однак 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, в 1924 році Фельгена 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 вірусної інфекції, в базальних тільцях, а також в яйцеклітинах деяких тварин. Відомо, що чим складніший організм, тим маса ДНК більше. 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 показало, що в хромосомах вищих організмів вони пов'язані з простими білками - альбумінами, гистонами та іншими, які всі разом утворюють ДНП (дезоксірібонуклеопротеіди). Зазвичай велика молекула нестійка, і для того щоб вона залишалася цілою і незмінною в ході еволюції, створена так звана репаруючу система, яка складається з ферментів - лигаз і нуклеаз, що відповідають за «ремонт» молекули.
Хімічну будову ДНК
ДНК є полімером, полінуклеотидом, що складається з величезного числа (до десятків тисяч мільйонів) мононуклеотидів. Будова ДНК має наступний вигляд: мононуклеотиди містять азотисті основи - цитозин (Ц) і тимін (Т) - з похідних піримідинів, аденін (А) і гуанін (Г) - з похідних пурину. Крім азотистих основ, у складі молекули людини і тварин є 5-метілцітозін - мінорний пиримидиновое підставу. З фосфорною кислотою і дезоксирибозою зв'язуються азотисті основи. Схема будови ДНК продемонстрована нижче.
Правила Чаргаффа
Будова та біологічна роль ДНК вивчалися Е. Чаргаффа в 1949 році. У ході досліджень він виявив закономірності, які спостерігаються в кількісному розподілі азотистих основ:
- sum-Т + Ц = sum-А + Г (тобто число піримідинових основ дорівнює числу пуринових).
- Завжди кількість залишків аденіну дорівнює кількості залишків тиміну, а кількість гуаніну одно цитозину.
- Коефіцієнт специфічності має формулу: Г + Ц / А + Т. Наприклад, у людини він дорівнює 1,5, у бика - 1,3.
- Сума "А + Ц" дорівнює сумі "Г + Т", тобто аденіну та цитозину є стільки ж, скільки гуаніну і тиміну.
Модель будови ДНК
Її створили Уотсон і Крик. Залишки фосфатів і дезоксирибоза розташовуються по хребту двох закручених спіралеподібних чином полінуклеотидних ланцюгів. Визначено, що площинні структури піримідинових та пуринових підстав розташовуються перпендикулярно осі ланцюга і утворюють як би сходинки 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 полинуклеотидная ланцюг - це первинна структура, яка має певний якісний і кількісний набір мононуклеотидів, пов'язаних 3 ', 5'-фосфодіефірних зв'язком. Таким чином, кожна з ланцюгів має 3'-кінець (дезоксирибоза) і 5'-кінець (фосфатний). Ділянки, які містять в собі генетичну інформацію, названі структурними генами.
Двухспіральная молекула - це вторинна структура. Причому її полінуклеотидні ланцюга антіпараллельни 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-ваальсових сили взаємодії, які спостерігаються між основами одного ланцюга, що включають відразливі і притягають компоненти. Ці сили пояснюються взаємодією електронів в сусідніх атомах. Електростатичне взаємодія також стабілізує вторинну структуру. Воно виникає між зарядженими позитивно молекулами гістонів і зарядженої негативно ниткою ДНК.
Третинна структура - це намотування ланцюгів ДНК на гістони або суперспіралізації. Описано п'ять видів гістонів: Н1, Н2А, Н2В, Н3, Н4.
Укладання нуклеосом в хроматин - це четвертинна структура, тому молекула ДНК, що має довжину кілька сантиметрів, може складатися до 5 нм.
Функції ДНК
Основними функціями ДНК є:
- 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 і ознаках організму.
- ДНК здатна передавати спадкову інформацію наступному поколінню. Це можливо через здатність до реплікації - самоудвоение. ДНК здатна розпадатися на дві комплементарні ланцюжки, і на кожній з них (відповідно до принципу комплементарності) відновлюється вихідна послідовність нуклеотидів.
- За допомогою ДНК відбувається біосинтез білків, ферментів і гормонів.
Висновок
Будова ДНК дозволяє їй бути хранителем генетичної інформації, а також передавати її наступним поколінням. Які є особливості у цієї молекули?
- Стабільність. Це можливо завдяки гликозидная, водневим і Фосфодіестерний зв'язок, а також механізму репарації індукованих і спонтанних ушкоджень.
- Можливість реплікації. Цей механізм дозволяє в соматичних клітинах зберігати диплоидное число хромосом.
- Існування генетичного коду. За допомогою процесів трансляції та транскрипції послідовність підстав, що знаходяться в ДНК, перетвориться в послідовність амінокислот, що знаходяться в поліпептидного ланцюга.
- Здатність до генетичної рекомбінації. При цьому утворюються нові поєднання генів, які зчеплені між собою.
Таким чином, будову і функції ДНК дозволяють їй грати неоціненну роль в організмах живих істот. Відомо, що довжина 46-ти молекул ДНК, що знаходяться в кожній клітині людини, дорівнює майже 2 м, а число нуклеотидних пар становить 3,2 млрд.
