ДНК - это удивительная молекула, хранящая весь генетический код живых организмов. Расшифровка ее строения и функций стала одним из величайших достижений науки XX века. В этой статье мы поговорим о том, как устроена эта молекула, как она была открыта учеными и какую роль играет в нашем организме.
История открытия ДНК
Впервые ДНК была выделена в 1869 году швейцарским физиологом Иоганном Мишером из гнойных ран. Он обнаружил, что это вещество содержит фосфор и азот. Сначала его назвали «нуклеин», а затем «нуклеиновая кислота», когда выяснилось, что оно обладает кислотными свойствами.
Однако долгое время биологическая роль ДНК была непонятна. Многие считали, что она служит лишь запасником фосфора в клетке. В 1930-х годах советские ученые впервые показали, что ДНК содержится как в животных, так и в растительных клетках.
Постепенно эксперименты доказали, что именно ДНК, а не белки, является носителем наследственной информации. Решающим стал эксперимент Эвери, Мак-Леода и Маккарти в 1944 году, который продемонстрировал передачу генетических признаков от одних бактерий к другим с помощью ДНК.
Последовательность ДНК кодирует информацию, необходимую для синтеза функциональных молекул клетки.
Однако точная структура ДНК долгое время оставалась загадкой. Лишь в 1953 году английский биофизик Фрэнсис Крик и американский генетик Джеймс Уотсон предложили свою знаменитую модель двойной спирали, за что получили Нобелевскую премию.
В расшифровке строения ДНК огромную роль сыграли рентгенограммы, сделанные Розалиндой Франклин. К сожалению, она не получила Нобелевскую премию, так как умерла от рака до ее присуждения.
Химическая формула и строение ДНК
ДНК формула представляет собой длинную цепочку нуклеотидов. Каждый нуклеотид состоит из:
- Азотистого основания (аденин, гуанин, цитозин или тимин)
- Молекулы сахара дезоксирибозы
- Фосфатной группы
В ДНК встречаются 4 типа азотистых оснований:
- Пурины - аденин и гуанин
- Пиримидины - цитозин и тимин
Обычно ДНК состоит из двух цепочек нуклеотидов, скрученных в форме двойной спирали. Цепочки соединены водородными связями между комплементарными основаниями. Аденин соединяется только с тимином, а гуанин - только с цитозином.
Такая комплементарность цепей позволяет точно копировать ДНК в процессе репликации. Информация, закодированная в одной цепи, также содержится и в другой цепи.
Двойная спираль ДНК имеет диаметр около 2 нм. Длина одного витка составляет примерно 10 пар нуклеотидов.
Различают несколько форм ДНК, отличающихся диаметром спирали и шагом витка:
- A-форма - широкая, правозакрученная
- B-форма - классическая двойная спираль
- Z-форма - узкая, левозакрученная
B-форма - наиболее распространенная в клетках.
Кроме того, ДНК формула может быть суперскручена с помощью ферментов топоизомераз. Это позволяет упаковать длинные молекулы ДНК в небольшом объеме ядра.
На концах линейных молекул ДНК находятся специальные защитные структуры - теломеры. Они предохраняют концы хромосом от разрушения и слипания. Теломеры состоят из тандемных повторов последовательности TTAGGG и имеют сложное пространственное строение.
Генетический код ДНК
Последовательность нуклеотидов в ДНК несет в себе генетическую информацию, необходимую для функционирования клетки. Она кодирует структуру различных типов РНК, в том числе информационной РНК (мРНК).
На матрице ДНК в процессе транскрипции синтезируется мРНК. Затем эта мРНК в ходе трансляции служит матрицей для сборки белка из аминокислот.
Таким образом, последовательность нуклеотидов ДНК определяет порядок аминокислот в белках.
Однако лишь небольшая часть ДНК в геноме человека и других эукариот кодирует белки. По разным оценкам, от 1 до 1,5%. Остальная часть имеет регуляторные и структурные функции, которые до конца не изучены.
Существуют гипотезы, что в древние времена основной наследственной молекулой была не ДНК, а РНК. РНК может нести информацию и осуществлять катализ реакций.
Репликация ДНК
Перед делением клетки ДНК должна быть удвоена, чтобы дочерние клетки получили полную копию генетического материала. Этот процесс называется репликацией ДНК.
Репликация происходит полуконсервативно: две цепи ДНК разделяются, и на каждой из них синтезируется новая комплементарная цепь. За это отвечает фермент ДНК-полимераза, который присоединяет нуклеотиды к растущей цепи.
Из-за антипараллельности двух цепей ДНК они копируются неодинаково: на одной цепи синтез идет непрерывно, а на другой — фрагментами.
ДНК-полимераза работает очень точно, проверяя комплементарность каждого добавляемого нуклеотида. Это позволяет избежать накопления мутаций в ДНК.
Рекомбинация ДНК
Иногда между молекулами ДНК происходит обмен участками, называемый рекомбинацией. Этот процесс катализируется специальными ферментами.
Рекомбинация может происходить между гомологичными хромосомами, содержащими схожие участки ДНК. Реже встречается негомологичная рекомбинация.
Рекомбинация увеличивает генетическое разнообразие потомства и имеет большое значение в эволюции. Однако неправильная рекомбинация опасна, так как может нарушить структуру хромосом.
Модификации ДНК
ДНК может подвергаться различным химическим модификациям, например метилированию. Это присоединение метильной группы к азотистому основанию.
У позвоночных часто метилируется цитозин, образуя 5-метилцитозин. Такие изменения используются клеткой для регуляции активности генов.
Однако модифицированные основания менее стабильны и могут спонтанно мутировать. Поэтому нарушения профиля метилирования связаны с повышенным риском рака.
Повреждения ДНК
ДНК может повреждаться под действием различных мутагенных факторов, таких как ионизирующее излучение, химические вещества, высокие температуры.
Наиболее опасны двухцепочечные разрывы ДНК, которые сложно восстановить. Они могут вызывать геномные перестройки и приводить к гибели клетки.
Окислительный стресс и свободные радикалы часто повреждают ДНК, что приводит к накоплению мутаций с возрастом.
Взаимодействие ДНК с белками
В клетке ДНК тесно взаимодействует со многими белками, которые регулируют ее структуру и осуществляют репликацию, транскрипцию, рекомбинацию.
ДНК связана со структурными белками гистонами, образуя комплекс хроматин. Гистоны компактно упаковывают ДНК, но при этом регулируют доступ к ней других белков.
ДНК- и РНК-полимеразы синтезируют на матрице ДНК цепи РНК и ДНК соответственно. Ряд белков, таких как топоизомеразы и хеликазы, изменяют степень суперскручивания ДНК, обеспечивая протекание этих процессов.
Транскрипцию запускают специальные белки - транскрипционные факторы. Они узнают регуляторные участки ДНК и активируют или подавляют экспрессию генов.
