Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). Открытие структуры дезоксирибонуклеиновых кислот

Впервые нуклеиновые кислоты были обнаружены в ядре, а потому и названы в честь этого органоида клетки (от лат. «нуклеус» — ядро). Существует два типа нуклеинов — дезоксирибонуклеиновая кислота и рибонуклеиновая кислота. Велико биологическое значение этих макромолекул. С их участием проходит синтез белков, они сохраняют и передают наследственную информацию от одного поколения к последующим.

Нуклеиновые кислоты

Физико-химические структуры и процессы, лежащие в основе передачи генетических признаков, были в основном установлены к 1953 году. Открытие нуклеиновых кислот произошло на 85 лет раньше — в 1868 году, когда о существовании ядерного вещества заявил Ф. Мишер, выделивший нуклеин. По времени это событие совпало с публикациями работ Г. Менделя о растительных гибридах, в которых говорилось о наследственных факторах.

В 1927 году русский естествоиспытатель Кольцов в своей статье «Наследственность и молекулы» утверждал, что в хромосомах клеток находятся крупные полимерные молекулы. Вдоль них расположены участки, которые управляют передачей признаков от родителей к детям. Но Кольцов ошибочно считал белковые молекулы носителями наследственной информации. В те же годы Левин в США приводит доказательства существования РНК и ДНК.

Открытие структуры дезоксирибонуклеиновых кислот

Публикация книги основателя квантовой механики Шредингера о взглядах физика на процессы в живом организме оказала огромное влияние на работы Ф. Крика и Дж. Уотсона по изучению состава молекулы ДНК. Строение дезоксирибонуклеиновой кислоты длительное время не поддавалось расшифровке.

Уотсон и Крик в 1953 совершили открытие структуры дезоксирибонуклеиновых кислот, предложили модель ДНК — двойную спираль. Так появилось новое направление в науке — молекулярная генетика. За труды по расшифровке кода генетической информации Крик и Уотсон получили в 1962 году Нобелевскую премию.

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК)

Молекула образована двумя полинуклеотидными цепочками, дополнительно свернутыми в двойную спираль. Уникальное строение ДНК заключается в определенном чередовании нуклеотидов, специфичном для каждого участка макромолекулы. Цепь дезоксирибонуклеиновой кислоты представляет полимер, число мономеров-нуклеотидов - несколько десятков тысяч. В последовательности мономеров закодирована генетическая информация о признаках организма. Таким образом, дезоксирибонуклеиновая кислота отличается следующими характеристиками:

• по химическому составу и свойствам — нуклеиновая кислота;
• образована ДНК азотистыми основаниями;
• в качестве углеводной части присутствует дезоксирибоза;
• по строению — биополимер, мономерами являются дезоксирибонуклеотиды;
• мономеры скреплены фосфатными частицами.

Химическая природа носителя генетической информации

Благодаря огромному числу фосфатных остатков дезоксирибонуклеиновая кислота обладает свойствами сильной многоосновной кислоты (в тканях присутствуют ее соли). Для выполнения задания по описанию строения ДНК надо вспомнить содержание двух тем по органической химии: «Углеводы» и «Азотосодержащие органические вещества». Например, предлагается следующее упражнение: охарактеризуйте мономеры дезоксирибонуклеиновой кислоты. В ответе необходимо отметить, что фосфорная кислота и углевод имеют одинаковое строение у всех нуклеотидов. Азотистые основания по своей химической природе являются производными пурина и пиримидина. Всего таких структур насчитывается 4 типа: аденин, гуанин (пуриновые); цитозин и тимин (пиримидиновые). Мономеры слагают цепь ДНК по следующей схеме:

(Азотистое основание + углевод дезоксирибоза = нуклеозид) + остаток фосфорной кислоты = нуклеотид.

Названия последних происходят от наименований азотистых оснований. Мономеры соединяются друг с другом ковалентной связью, создавая последовательность нуклеотидов (это и есть дезоксирибонуклеиновая кислота).

Формула мономеров ДНК имеет следующий вид:

Отдельные витки цепи ДНК скрепляют водородные связи, определенную роль играют гидрофобные взаимодействия. Температура выше 50 °С ослабляет силу притяжения между основаниями. При дальнейшем нагревании полинуклеотидные цепи разделяются, ДНК плавится. Денатурация происходит при нагревании до 80 °С.

Принцип комплементарности в молекуле

Одна цепь ДНК содержит азотистые основания, которые располагаются в определенном порядке по отношению к структурам второй полинуклеотидной «ленты». Образуются две комплементарные пары: аденин (А), связанный с тимином (Т); гуанин (Г), комплементарный цитозину (Ц). Каждая из частей одной пары дополняет другую, как половинки разбитой чашки. Слово «комплемент» — греческого происхождения. В переводе означает «дополнение».

Когда последовательность нуклеотидов в одной цепи ДНК известна, состав второй устанавливают по принципу комплементарности. Соединение нуклеотидов происходит благодаря взаимодействию атомов водорода и кислорода. Между адениловым и тимидиловым нуклеотидами возникает 2 водородные связи, гуаниловый и цитозиловый соединяют 3 аналогичных «мостика».

Редупликация нуклеотидной цепи

Способность молекулы ДНК удваиваться — ее уникальное свойство, обеспечивающее передачу наследственных признаков от одних поколений живых организмов — к другим (последующим). Редупликация дезоксирибонуклеиновой кислоты — это ее удвоение. Происходят следующие процессы и явления:

1. Молекула ДНК перед клеточным делением раскручивается с одной стороны спирали.
2. Расщепление цепи на две части происходит под воздействием катализатора (фермента).
3. Вдоль каждой половины выстраиваются свободные нуклеотиды из клетки, образуя вторую цепь.
4. Воссоздание удвоенной цепи происходит по принципу комплементарности.
5. Возникают две молекулы ДНК с одинаковой последовательностью мономеров.

Практическое значение открытия строения и функций ДНК

Дезоксирибонуклеиновая кислота впервые была синтезирована вне организма североамериканским исследователем А. Корнбергом (1967). Его соотечественник и коллега Х. Коран через год искусственно получил полидезоксирибонуклеотид, который по строению соответствовал гену или участку спиральной молекулы носителя наследственной информации. Специалисты медицинской школы в Гарварде в 1969 году сумели определить границы отдельного гена и разделить его с остальной цепочкой.

Благодаря изучению структуры и функций нуклеиновых кислот ученые объяснили суть передачи наследственной информации, необходимой для биосинтеза белка в клетке. Открытие структуры ДНК сыграло огромную роль в диагностике и лечении наследственных заболеваний, селекции. Изменение наследственной природы организмов получило название «генная инженерия». Появилась возможность создавать генетически модифицированные объекты (ГМО) с заранее заданными признаками.

Положительную оценку многочисленных открытий в этой области необходимо дополнить замечанием о возможных негативных последствиях потребления пищи с ГМО. На уровне государств приняты законы, обеспечивающие биологическую безопасность населения. Созданы организации, отслеживающие соблюдение правил ввоза и продажи продуктов, содержащих ГМО. Они должны иметь соответствующую маркировку. В ряде стран для таких товаров отводятся отдельные стеллажи в супермаркетах. Экологически чистая продукция получает маркировку «Без ГМО». Цены на подобные товары могут быть в несколько раз выше.