ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) – один из важнейших компонентов живого вещества. Посредством ее осуществляется сохранение и передача наследственной информации из поколения в поколение с возможностью изменчивости в некоторых рамках. Синтез всех необходимых живой системе белков был бы невозможен без ДНК-матрицы. Ниже мы рассмотрим устройство, формирование, основы функционирования и роль ДНК в биосинтезе белков.
Строение молекулы ДНК
Дезоксирибонуклеиновая кислота – это макромолекула, состоящая из двух нитей. Ее структура имеет несколько уровней организации.
- Первичная структура цепи ДНК представляет собой последовательность нуклеотидов, содержащих каждый одно из четырех азотистых оснований: аденин, гуанин, цитозин или тимин. Цепочки возникают при соединении сахара дезоксирибозы одного нуклеотида с фосфатным остатком другого. Этот процесс осуществляется с участием белка-катализатора – ДНК-лигазы.
- Вторичная структура ДНК – это так называемая двойная спираль (точнее – двойной винт). Основания способны соединяться друг с другом следующим образом: аденин и тимин образуют двойную водородную связь, а гуанин и цитозин – тройную. Эта особенность лежит в основе принципа комплементарности оснований, согласно которому цепочки соединяются друг с другом. При этом происходит винтообразное (чаще - правое) закручивание двойной цепочки.
- Третичная структура – это сложная конформация огромной молекулы, возникающая посредством дополнительных водородных связей.
- Четвертичная структура образуется в комплексе с особыми белками и РНК и представляет собой способ упаковки ДНК в клеточном ядре.
Функции ДНК
Рассмотрим, какую роль играет ДНК в живых системах. Этот биополимер является матрицей, содержащей запись структуры различных нужных организму белков, РНК, а также разного рода регуляторных участков. В целом, все эти компоненты составляют генетическую программу организма.
Посредством биосинтеза ДНК генетическая программа передается следующим поколениям, обеспечивая наследственность основополагающей для жизни информации. ДНК способна мутировать, благодаря чему возникает изменчивость живых организмов одного биологического вида и, как следствие, возможен процесс естественного отбора и эволюция живых систем.
При половом размножении ДНК организма-потомка формируется путем сочетания отцовской и материнской наследственной информации. При комбинации ее возникают различные варианты, что также способствует изменчивости.
Как воспроизводится генетическая программа
Благодаря комплементарному строению возможно матричное самовоспроизведение молекулы ДНК. При этом происходит копирование содержащейся в ней информации. Удвоение молекулы с образованием двух дочерних «двойных спиралей» называется репликацией ДНК. Это сложный процесс, протекающий с участием многих компонентов. Но при известном упрощении его можно представить в виде схемы.
Инициируется репликация особым комплексом ферментов на определенных участках ДНК. При этом двойная цепочка расплетается, формируя репликационную вилку, где и проходит процесс биосинтеза ДНК – наращивания комплементарных последовательностей нуклеотидов на каждой из цепочек.
Особенности репликационного комплекса
Репликация протекает также с участием сложной совокупности ферментов – реплисомы, главную роль в которой играет ДНК-полимераза.
Одна из цепочек в ходе биосинтеза ДНК является лидирующей и формируется непрерывно. Образование отстающей цепи проходит путем присоединения коротких последовательностей – фрагментов Оказаки. Эти фрагменты сшиваются при помощи ДНК-лигазы. Такое течение процесса называется полунепрерывным. Кроме того, его характеризуют как полуконсервативный, поскольку в каждой из новообразованных молекул одна из цепей – материнская, а вторая – дочерняя.
Репликация ДНК – это один из ключевых этапов при клеточном делении. Данный процесс лежит в основе передачи наследственной информации новому поколению, а также роста организма.
Что представляют собой белки
Белок является важнейшим функциональным элементом в клетках всех живых организмов. Они выполняют каталитическую, структурную, регуляторную, сигнальную, защитную и множество других функций.
Молекула белка – это биополимер, образованный последовательностью аминокислотных остатков. Она, как и молекулы нуклеиновых кислот, характеризуется наличием нескольких уровней структурной организации – от первичного до четвертичного.
Существует 20 видов обладающих определенными особенностями (канонических) аминокислот, используемых живыми системами для построения огромного количества самых разнообразных белков. Самостоятельно белок, как правило, не синтезируется. Ведущая роль в формировании сложной белковой молекулы принадлежит нуклеиновым кислотам – ДНК и РНК.
Сущность генетического кода
Итак, ДНК – это информационная матрица, на которой сохраняется информация о необходимых организму для роста и жизнедеятельности белках. Белки строятся из аминокислот, ДНК (и РНК) – из нуклеотидов. Определенным нуклеотидным последовательностям молекулы ДНК соответствуют определенные последовательности аминокислот тех или иных белков.
Структурных единиц белка – канонических аминокислот – в клетке 20 видов, а нуклеотидов в составе ДНК – 4 вида. Так что каждая аминокислота записана на ДНК-матрице как сочетание трех нуклеотидов – триплет, ключевыми компонентами которого являются азотистые основания. Такой принцип соответствия называется генетическим кодом, а триплеты оснований – кодонами. Ген – это последовательность кодонов, содержащая запись какого-либо белка и некоторые служебные сочетания оснований – старт-кодон, стоп-кодон и прочие.
Некоторые свойства генетического кода
Генетический код практически универсален – за очень малым количеством исключений он одинаков у всех организмов, от бактерий до человека. Это свидетельствует, во-первых, о родстве всех форм жизни на Земле, а во-вторых, о древности самого кода. Вероятно, на ранних этапах существования примитивной жизни достаточно быстро сформировались разные варианты кода, но эволюционное преимущество получил только один.
Кроме того, он специфичен (однозначен): разные аминокислоты не кодируются одним и тем же триплетом. Также для генетического кода характерна вырожденность, или избыточность – несколько кодонов могут соответствовать одной и той же аминокислоте.
Считывание генетической записи осуществляется непрерывно; функции знаков препинания выполняют также триплеты оснований. Как правило, в генетическом «тексте» не бывает перекрывающихся записей, однако здесь тоже не обходится без исключений.
Функциональные единицы в составе ДНК
Совокупность всего генетического материала организма называют геномом. Таким образом, ДНК – это носитель генома. В состав генома входят не только структурные гены, кодирующие те или иные белки. Существенная часть ДНК содержит участки, имеющие разное функциональное назначение.
Так, в составе ДНК присутствуют:
- регуляторные последовательности, кодирующие особые РНК, например, генетические переключатели и регуляторы экспрессии структурных генов;
- элементы, регулирующие процесс транскрипции – начальный этап биосинтеза белка;
- псевдогены – своего рода «ископаемые гены», утратившие вследствие мутаций способность кодировать белок или транскрибироваться;
- мобильные генетические элементы – участки, способные перемещаться внутри генома, например транспозоны («прыгающие гены»);
- теломеры – особые области на концах хромосом, благодаря которым ДНК в хромосомах защищена от укорачивания с каждым актом репликации.
Участие ДНК в биосинтезе белка
ДНК способна образовывать устойчивую структуру, ключевым элементом которой является комплементарное соединение азотистых оснований. Двойная цепь ДНК обеспечивает, во-первых, полное воспроизведение молекулы, а во-вторых – считывание отдельных участков ДНК при белковом синтезе. Этот процесс называется транскрипцией.
В ходе транскрипции участок ДНК, содержащий определенный ген, расплетается, и на одной из цепочек – матричной – синтезируется молекула РНК в качестве копии второй цепочки, называемой кодирующей. Этот синтез также базируется на свойстве оснований образовывать комплементарные пары. В синтезе принимают участие некодирующие, служебные области ДНК и фермент РНК-полимераза. РНК уже служит матрицей для синтеза белка, и в дальнейшем процессе ДНК не участвует.
Обратная транскрипция
Долгое время считалось, что матричное копирование генетической информации может идти только в одном направлении: ДНК → РНК → белок. Эта схема получила название центральной догмы молекулярной биологии. Однако в ходе исследований было установлено, что в ряде случаев возможно копирование с РНК на ДНК – так называемая обратная транскрипция.
Способность переносить генетический материал с РНК на ДНК свойственна ретровирусам. Характерным представителем таких РНК-содержащих вирусов является вирус иммунодефицита человека. Встраивание вирусного генома в ДНК зараженной клетки происходит с участием особого фермента – обратной транскриптазы (ревертазы), выступающей как катализатор биосинтеза ДНК на матрице РНК. Ревертаза также входит в состав вирусной частицы. Новообразованная молекула интегрируется в клеточную ДНК, где служит для производства новых вирусных частиц.
Что такое ДНК человека
Человеческая ДНК, содержащаяся в ядре клетки, упакована в 23 пары хромосом и содержит около 3,1 миллиарда спаренных нуклеотидов. Помимо ядерной, в клетках человека, как и остальных эукариотических организмов, присутствует митохондриальная ДНК – фактор наследственности клеточных органелл митохондрий.
Кодирующие гены ядерной ДНК (их насчитывают от 20 до 25 тысяч) составляют лишь небольшую часть генома человека – примерно 1,5 %. Остальная часть ДНК ранее именовалась «мусорной», но многочисленные исследования выявляют существенную роль некодирующих участков генома, речь о которых шла несколько выше. Исключительно важно, кроме того, изучение процессов обратной транскрипции в человеческой ДНК.
Наука уже сформировала достаточно четкое понимание того, что такое ДНК человека в структурном и функциональном отношении, но дальнейшая работа ученых в этой области будет приносить новые открытия и новые биомедицинские технологии.
