Строение ДНК И РНК. Генетический код и его свойства

Такое открытие вызвало два предположения. Во-первых, оно говорило об универсальных свойствах  ДНК в пределах одного организма, о том, что в отношении хранения и передачи наследственной информации, заключенной в ядре клетки, все клетки организма равны, независимо от того, откуда они были взяты. Во-вторых, в любом организме имеется два типа клеток: соматические клетки — клетки тела организма ( в переводе с греч. “сома” — тело) и половые клетки — клетки, связанные с размножением организмов. Между соматическими и половыми клетками существует отличие, которое проявляется в диплоидном и гаплоидном наборе хромосом. Диплоидный - это парный набор хромосом, гаплоидный — одинарный. Именно поэтому в половых клетках находится в два раза меньше нуклеиновых кислот, чем в соматических. Таким образом, вроде бы несложные количественные исследования нуклеиновых  кислот дали важную по содержанию информацию.

В 1950 г. Л. Полинг показал, что полипептидные цепи имеют α - спиральную конфигурацию, на основании чего он высказал предположение, что и молекула ДНК, по-видимому, имеет спиральную структуру, закрепленную водородными связями. Это послужило еще одним косвенным подтверждением существовавшего предположения о винтообразной структуре ДНК. Было показано, что возможно существование нескольких устойчивых различных конфигураций последовательности аминокислотных остатков в полипептидной цепи, одной из которых является α - спираль. Конфигурация α —спираль является одной из наиболее распространенных структур пептидной цепи. Именно такая структура дает возможность образования водородных связей между аминокислотами, находящимися рядом на смежных витках цепи. Поэтому естественно было предположить, что аналогичный механизм свойственен и для нуклеиновых кислот, так как по протяженности и числу составных элементов - в данном случае мононуклеотидов — они вполне соответствовали полипептидным цепям.

В 1953 г. Д. Уотсон и Ф. Крик обосновали существование  двойной спирали ДНК и впервые предложили адекватную модель молекулы ДНК, которая объяснила все факты, связанные с функционированием нуклеиновых кислот. Она показала, каким образом молекула передает информацию и воспроизводит сама себя. По сути дела, был открыт способ записи и воспроизведения генетической информации на молекулярном уровне. Д. Уотсон и Ф. Крик сами не проводили рентгеноструктурных исследований нуклеиновых кислот, но воспользовались данными М. Уилкинса и Р. Френклин и работами Э. Чаргаффа.

Основным компонентом хромосом является ДНК. Д. Уотсон и Ф. Крик выделили два основных структурных свойства ДНК: ее двуспиральность и комплементарность, иначе говоря, соответствие друг другу цепей ДНК. От этих двух свойств зависит репликация генетического материала, т. е. возможность создания себе подобной структуры ДНК. В процессе репликации двойная спираль ДНК раскручивается и на каждой из цепей, как на матрице, строится комплементарная ей дочерняя цепь.

1953 г. считается датой рождения новой биологической науки — молекулярной биологии. Название “молекулярная биология” предложил английский ученый кристаллограф У. Астбери. В свою очередь она заложила основу возникновения многих самостоятельных научных дисциплин. Так как Ф. Крик и д. Уотсон, кроме открытия структуры ДНК, внесли большой вклад в изучение других разделов молекулярной биологии, развитие этой науки по праву связывают с их именами.

Открытие в 1953 г. структуры и механизма функционирования ДНК в качестве носителя наследственной информации является началом современного этапа в изучении нуклеиновых кислот. Расшифровка строения нуклеиновых кислот, понимание их функции способствовали значительному прогрессу в изучении белкового синтеза.

В 50—х. годах  ХХ в. в опытах с модельными системами было доказано, что местом синтеза белка в клетке являются рибосомы. В это же время была открыта транспортная РНК и установлена вся последовательность этапов биосинтеза белковых молекул.

В середине 50—х. годов на основании исследованний, проведенных в различных разделах биологии, была сформулирована концепция о том, что гены являются участками молекулы ДНК, в которых наследственная информация закодирована чередованием пар нуклеотидов. Был создан новый раздел генетики - молекулярная генетика.

В середине 60-х годов исследователи Р. Холли, Г. Цахау, А. А. Баев и другие разработали принцип определения последовательности нуклеотидов в РНК, который лег в основу изучения структурно-функциональной организации отдельных РНК.

В 1961 г. Ф. Крик сформулировал  основные свойства генетического кода. Он математически и экспериментально доказал существование кодирования генетической информации.

В 1961 г. Ф. Жакоб и Д. Моно установили общий принцип работы оперона — группы генов, определяющих синтез функционально связанных ферментов. Эта модель явилась мощным стимулом в разработке практического использования знаний о нуклеиновых кислотах, включая и развитие генной инженерии.

В 1965 г. Ф. Крик выдвинул гипотезу неоднозначного соответствия. Развитие этой гипотезы вылилось в разработку общих принципов структуры генетического кода, что позволило объяснить механизм соответствия кодонов аминокислотам. Одновременно М. Ниренберг и его сотрудники экспериментально доказали, что генетический код содержит равнозначные, как бы взаимозаменяемые кодоны. Они обнаружили, что фенилаланиновая транспортная РНК может присоединяться к двум различным кодонам: как к кодону урацил – урацил - урацил, так и к кодону урацил – урацил – цитозин.

В 1956 г. Д. Тжио и  А. Леван установили, что хромосомный набор человека состоит из 46 хромосом. Эта дата считается датой рождения современной цитогенетики человека. К тому времени уже успешно культивировались клетки вне организма, применялись особые способы получения пригодных для проведения хромосомного анализа метафазных пластинок, т. е. пластов клеток, находящихся в метафазе.

В это же время  ученые начали обстоятельно исследовать хромосомные аномалии с помощью новых методов, основанных на последних достижениях в изучении структуры нуклеиновых кислот. Было установлено, что хромосомные болезни начинают проявляться уже на самой ранней стадии развития зародыша, а некоторые хромосомные нарушения вызывают его гибель. Накопление знаний о нуклеиновых кислотах и последствиях изменений их структуры в 60—70-х годах привело к появлению в разных странах медико-генетических учреждений для оказания медицинской помощи лицам, страдающим наследственными заболеваниями.

Начиная с 70-х  годов ХХ в. разработка методов дифференциальной окраски хромосом для клинической цитогенетики позволила выявить каждую хромосому в ядре клетки, дала возможность во многих случаях судить о происхождении аномальных хромосом. Успех клинической цитогенетики продолжает развиваться и в настоящее время: выделены редкие наследственные заболевания, обусловленные нарушением отдельных сегментов хромосом, а число известных наследственных признаков у человека к 1978 г. достигло 2811.

Таким образом, история развития знаний о нуклеиновых кислотах наглядно демонстрирует постепенный переход от феноменологии нуклеиновых кислот к их экспериментальному и теоретическому изучению с последующим выходом в практику. 
 

Глава 2.Дезоксирибонуклеиновые кислоты. 

СОСТАВ  И СТРУКТУРА ДЕЗОКСИРИБОНУКЛЕИНОВОЙ КИСЛОТЫ. 

Молекулы ДНК, выделенные из ядер клеток, в электронном микроскопе представлены в виде длинных нитей, состоящих из большого числа дезоксирибонуклеотидов. Нити ДНК толще и длиннее, чем нити белков. Длина молекулы ДНК достигает сотен тысяч нанометров. Это несравнимо больше самой крупной белковой молекулы, которая в развернутом виде достигает в длину не более 1ОО—200 нм. Молекула ДНК по массе достигает 6*1О^-12 грамма.

Генетическая информация, заключенная в ДНК, состоит из последовательности нуклеотидов. ДНК состоит в основном из четырех нуклеотидов, которые соответствуют четырем азотистым основаниям: аденину, гуанину, тимину и цитозину. Кроме этих оснований, препараты ДНК могут содержать метилированные производные этих оснований.

Основную структурную цепь молекулы ДНК образуют последовательно соединенные друг с другом молекулы пентозы и ортофосфорной кислоты. Цепь ДНК представляет углеводно-фосфатную последовательность, с которой соединены азотистые основания. Углеводные и фосфатные группы выполняют только структурную функцию. Молекулы ортофосфорной кислоты соединяют между собой молекулы дезоксирибозы за счет образования химических связей. При взаимодействии  гидроксильной группы 3-го атома углерода одной молекулы пентозы с гидроксильной группой 5-го углеродного атома другой молекулы пентозы отщепляется молекула воды. Тогда у остатков ортофосфорной кислоты сохраняется еще по одной гидроксильной группе, способной диссоциировать. Это обусловливает кислотные свойства всей макромолекулы ДНК.

Молекула ДНК имеет две цепи нуклеотидов, расположенных параллельно друг другу, но в обратной последовательности. Эти цепи удерживаются между собой за счет водородных связей между парами аденин - тимин и гуанин - цитозин. При этом азотистые основания располагаются внутри спирали. Водородные связи образуются между любым электроотрицательным атомом, например кислородом тимина или азотом аденина и атомом водорода, ковалентно связанным с другим электроотрицательным атомом:

Между аденином и тимином образуются две водородные связи, между гуанином и цитозином — три. Эти связи играют очень важную роль в поддержании вторичной структуры ДНК.

Дополнение аденина тимином и гуанина цитозином, иначе называемое комплементарностью, обеспечивает одинаковое по всей длине двойной спирали расстояние между цепями и образование между противоположными основаниями максимального числа водородных связей, что придает молекуле одновременно устойчивость и подвижность. Последовательность оснований в одной цепи ДНК строго соответствует последовательности оснований в другой цепи. Это является необходимым условием функционирования ДНК и передачи наследственной информации. При необходимости двойная спираль ДНК легко рвется под действием фермента дезоксирибонуклеазы.

Молекула ДНК  в ядре клетки не существует изолированно сама по себе. Она окружена связанными с ней белками. Но белки не принимают участия в передаче наследственной информации.

Основными белками, локализованными в ядре клеток и связанными с ДНК, являются специальные белки, называемые гистонами. Гистоны обладают основными (щелочными) свойствами благодаря высокому содержанию в них основных аминокислот. По-видимому, их действие компенсирует в некоторой степени кислотные свойства нуклеиновых кислот. По преобладающему содержанию аминокислот выделяют пять важнейших гистонов: гистон Н1 имеет высокое содержание лизина, гистон Н2b лизина содержит меньше, чем предшествующий гистон, гистон Н2а имеет высокое содержание лизина и аргинина, гистон Н3 содержит большое количество аргинина, гистон Н4 богат аргинином и глицином.

Помимо ядерной  ДНК, эукариотические клетки содержат небольшое количество цитоплазматической ДНК, т. е. ДНК, которая располагается в цитоплазме, за пределами ядра. Эта ДНК называется внеядерной. На долю внеядерной ДНК приходится около 0,1- 0,2 всей клеточной ДНК. Внеядерная ДНК отличается от ядерной составом азотистых оснований и молекулярной массой. Она находится в митохондриях - постоянно присутствующих внутриклеточных органоидах, участвующих в преобразовании энергии в клетке.

Небольшое количество ДНК содержат некоторые пластиды растительных клеток, в частности хлоропласты, — пластиды, имеющие хлорофилл и участвующие в процессе фотосинтеза. 

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДЕЗОКСИРИБОНУКЛЕИНОВОЙ КИСЛОТЫ 

При нагревании ДНК денатурирует, т. е. разрушается. Денатурация двух цепочек ДНК происходит при температуре выше 90 ⁰С, а инактивация (частичное разрушение) начинается про температуре 85 ⁰С.

При нагревании раствора ДНК и одновременном регистрировании оптической плотности раствора при длине волны 260 нм при определенной температуре произойдет резкое увеличение поглощения света раствором. Наблюдается так называемый гиперхромный эффект. Температура, при которой наблюдается гиперхромный эффект, называется температурой плавления. Гиперхромный эффект при температуре плавления связан с тем, что происходит разрыв водородных связей и нарушается упорядоченность молекулы ДНК. Понятие температуры плавления в отношении ДНК связывают с кристаллическим состоянием молекулы ДНК до соответствующей температуры и нарушением упорядоченной структуры при нагревании выше температуры плавления. Характер дифракции рентгеновских лучей также указывает на кристаллическое строение дезоксирибонуклеиновой кислоты. 

ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ГЕНЕ 

Ген — это элементарная единица наследственности, представляющая собой определенную специфическую последовательность нуклеотидов в ДНК.

В хромосомах диплоидных организмов гены расположены парами. Хромосома разделена на участки - локусы. Локус — это место расположения того или иного гена в хромосоме. Сам ген состоит из двух или нескольких аллелей. Аллель - это один или несколько вариантов гена, которые могут находиться в данном локусе хромосомы. Таким образом, аллель представляет собой состояние гена, определяющее развитие данного признака.

Общее число  генов в клетке высших организмов составляет около 100 000. Каждому гену соответствует свой белок. Структурные гены в геноме расположены в такой последовательности, в какой действуют образующиеся под их контролем ферменты. Структурными гены называются так потому, что они определяют структуру ферментов. Например, синтез аргинина происходит в четыре этапа, каждый из которых контролируется определенным ферментом. Вся последовательность ферментов закодирована в ДНК в виде генов в той же последовательности.