Читаем Биология полностью

Нуклеиновые кислоты открыты еще в позапрошлом веке швейцарским ученым Ф. Мишером (1868 г.). Первые экспериментальные данные о значении нуклеиновых кислот в механизмах наследственности были получены группой микробиологов, возглавляемой О. Эвери в 1944 г. Ученые работали с двумя близкими видами бактерий, вызывающих воспаление легких. Один вид имел хорошо выраженную полисахаридную капсулу, другой нет. Выделив нуклеиновую кислоту, ДНК от бактерий с капсулами и обработав ею бескапсульные микроорганизмы, исследователи получили в потомстве последних как капсульные, так и бескапсульные формы. Это указывало на хранение информации о наличии капсулы именно в молекуле ДНК. В дальнейшем было представлено огромное количество фактов, подтверждающих это открытие.

Существует два класса нуклеиновых кислот:

ДНК — дезоксирибонуклеиновые кислоты. РНК – рибонуклеиновые кислоты.

ДНК локализована в ядрах, митохондриях и пластидах клеток. РНК входит в состав ядрышек, рибосом и присутствует в цитоплазме клеток. По своей химической структуре ДНК и РНК — это крупные молекулы биополимеров. Они складываются из мономеров – нуклеотидов. Каждый нуклеотид включает три компонента: полисахарид, азотистое основание, фосфат (остаток фосфорной кислоты) (рис. 15).

Рис. 15. Структура строения ДНК и РНК.

В состав нуклеотида молекулы ДНК входят углевод – дезоксирибоза (пентоза), остаток фосфорной кислоты и одно из четырех имеющихся азотистых оснований. Азотистые основания пуриновые – аденин (А), гуанин (Г) и пиримидиновые – цитозин (Ц), тимин (Т).

По правилу Чаргаффа общее количество пуриновых оснований в молекуле ДНК равно количеству пиримидиновых оснований: пуриновые А + Г = Ц + Т пиримидиновые

В 1953 г. Д. Уотсон и Ф. Крик, используя кристаллографический анализ, построили модель пространственной структуры молекулы ДНК, за что были удостоены Нобелевской премии. Основные положения этой модели следующие:

1. ДНК образована двумя полинуклеотидными цепями, при этом соединение нуклеотидов в цепь обеспечивается ферментом ДНК-полимеразой.

2. Цепи правозакручены спирально вокруг общей оси, один виток включает 10 пар нуклеотидов.

3. Фосфатные группировки находятся снаружи спирали, а азотистые основания внутри.

4. Цепи антипараллельны, то есть последовательность атомов одной цепи противоположна таковой в другой.

5. Цепи удерживаются водородными связями между азотистыми основаниями по принципу комплементарносги. Аденин соединяется двумя связями с тимином, гуанин тремя связями с цитозином (рис. 16).

Рис. 16. Строение ДНК: А – фрагмент нити ДНК. К первому углеродному атому дезоксирибозы присоединено азотистое основание: 1 – цитозин; 2 – гуанин. Б – двойная спираль ДНК: Д – дезоксирибоза; Ф – фосфат; А – аденин; Т – тимин; Г – гуанин; Ц – цитозин.

Открытие явления комплементарности – крупнейшее достижение биологии XX века. Следует заметить, что водородные связи слабые и нарушаются при изменении pH клетки или нагревании до 100°. Исходя из сказанного, различают первичную и вторичную структуру ДНК.

Первичная структура – это линейная последовательность нуклеотидов в антипараллельных цепях.

Вторичная структура – сближение азотистых оснований по принципу комплементарности, их спирализация, что придает молекуле ДНК высокую компактность. Как показал академик Белозерский, ДНК, выделенная из разных тканей одного организма, имеет одинаковый нуклеотидный состав, а соотношение пар азотистых оснований является строгим видовым признаком.

Функции ДНК

1) аутосинтетическая – репликация (синтез ДНК) в S-периоде интерфазы клеточного цикла;

2) гетеросинтетическая – участие в синтезе белка, хранении и передачи генетической информации.

При репликации происходит следующее:

а) разрыв водородных связей между двумя полинуклеотндными цепями и их расхождение;

б) деспирализация полинуклеотндных цепей;

в) синтез новых цепей вдоль каждой из разделившихся, но правилу комплементарности с точным сохранением их структуры.

Описанная репликация называется полуконсерватнвной, поскольку одна из цепей новой молекулы ДНК является старой, а другая вновь синтезированной. Репликация протекает при участии ферментов ДНК-полимераз (рис.17).

Рис. 17. Схема репликации ДНК.

ДНК – это единственная макромолекула клетки, которая способна устранять повреждения, возникающие в ее структуре, что может приводить к мутациям. Более того, в ней закодирована информация о механизмах самых разнообразных репарационных процессов.

РНК