БУДОВА І ФУНКЦІЯ ДНК

Розділ 2 Молекулярний рівень організації живої природи

Тема 5. Біомолекулярний склад живого

§ 27. БУДОВА І ФУНКЦІЯ ДНК

Терміни та поняття: генетична трансформація, правила Чаргаффа, модель подвійної спіралі, комплементарність, хроматин, плавлення ДНК.

Історичні етапи вивчення структури і функцій ДНК. Роль ДНК у клітині та її молекулярна просторова будова залишалися таємницею для декількох поколінь учених і тільки в середині ХХ ст. ці загадки вдалося розгадати.

1. ДНК – зберігач генетичної інформації. Питання про речовину,

з якої побудовані гени, залишалося нез’ясованим аж до 40-х років ХХ ст. До того вважали, що роль речовини-носія спадковості відіграють якісь особливі білки, що містяться у ядрі. Адже серед біологічних молекул саме білки, як ніякі інші, мають різноманітну будову, а тому, як здається на перший погляд, можуть забезпечити успадкування величезної кількості ознак і функцій, властивих будь-якому організму. ДНК, як тоді вважалося, не могла мати до цих механізмів безпосереднього відношення, оскільки її будова занадто одноманітна, а тому їй було відведено роль зберігача фосфору в клітині.

Перші дослідження,

що довели генетичну значимість ДНК, були проведені на найпростіших організмах – бактеріях і полягали в обробці безпечних для мишей бактерій розчином ДНК, виділеної з колоній хвороботворних. У результаті нешкідливі мікроорганізми ставали патогенними й починали викликати в піддослідних тварин хвороби, які раніше не були їм властиві. Причому ця новоутворена особливість мікроорганізмів стала передаватися з покоління в покоління, тобто виявилася спадково закріпленою. Ці дослідження були проведені в 1944 р. американським вченим О. Ейвері (1877-1956) з колегами. Пізніше зміни генетичних властивостей клітин шляхом введення в них чужорідної ДНК, що дістало назву генетична траснформація (від лат. трансформаціо – перетворення), були отримані спочатку у тварин, а згодом – у рослин. Таким чином було доведено, що ДНК – це біополімер, призначений для зберігання й передачі спадкової інформації.

Незвичайні рослини можна одержати, якщо, наприклад, насіння гарбуза вимочити в розчині ДНК, виділеної з насіння кавуна. З такого насіння виростуть гібридні рослини, які дадуть нащадків з різними ознаками й дивовижними властивостями: величезні плоди – зелені й смугасті, як кавун, з м’якоттю, як у гарбуза, з кісточками такими ж чорними, як у кавуна, і великими, як у гарбуза.

2. Правила Чаргаффа. Дослідження нуклеотидного складу ДНК різних видів організмів, а також пошук кількісних закономірностей у співвідношеннях різних нуклеотидов були розпочаті в 1949-1951 рр. групою дослідників, очолюваних Е. Чаргаффом (1905-2002), які працювали в США. Вони дозволили виявити правила, подібні до яких не вдавалося сформулювати для жодного біополимера, у тому числі й для молекул РНК. Кількісні співвідношення між різними типами нітрогеновмісних основ у ДНК, встановлені вченими, дістали назву правил Чаргаффа, за якими у молекулах ДНК:

– кількість аденіну дорівнює кількості тиміну (А = Т), а кількість гуаніну – кількості цитозину (Г = Ц);

– кількість пуринів дорівнює кількості піримідинів: А + Г = Т + Ц або (А + Г/Т + Ц = 1);

– кількість основ із шістьма аміногрупами дорівнює кількості основ із шістьма кетогрупами:

А + Ц = Г + Т (А + Ц/Г + Т = 1).

Спроба ж установити константу в співвідношенні (A Т)/(Г + Ц) не увінчалася успіхом. Виявилося, що співвідношення числа пар нуклеотидів АТ з одногобоку і ГЦ з іншого змінюється залежно від виду організму. Пізніше, в 1962 р. російський біохімік А. Н. Бєлозерський (1905-1972) довів, що це співвідношення є специфічним для різних систематичних груп. Так, ДНК тварин і рослин завжди містить більше АТ основ, ніж ГЦ, тоді як у бактерій можуть бути різноманітні варіанти. Ці закономірності свідчили про те, що молекули ДНК мають подвійну структуру.

3. Відкриття подвійної спіралі. Фактами, що сприяли розкриттю таємниці просторової структури ДНК, були не тільки дані про співвідношення нуклеотидних основ, але й дані рентгеноструктурного аналізу кристалів натрієвої солі ДНК. На цих рентгенограмах, отриманих англійськими фізиками М. Уілкінсом (1916-2004) і Р. Франклін (1921-1958), можна було побачити, що ДНК має спіральну структуру. Однак честь відкриття структури ДНК належить двом іншим англійським ученим – Д. Вотсону і Ф. Кріку. Вони змогли першими створити достовірну модель ДНК і опублікували її в журналі “Nature” в 1952 р. Зараз її прийнято називати модель подвійної спіралі (мал. 139). Ця модель вдало поєднувала в собі дві виявлені на той час особливості: спіральну форму молекули і її подвійну будову.

Мал. 139.Модель ДНК за Вотсоном та Кріком:

1 – аденін; 2 – тимін; 3 – дезоксирибоза;

4 – гуанін; 5 – цитозин; 6 – залишок ортофосфатної кислоти

Мал. 140. Сучасна тривимірна комп’ютерна модель ДНК

Головні принципи моделі такі: – молекула ДНК складається з двох паралельних ланцюжків і нагадує собою довгу драбину; – основи ланцюжків утворені переплетеними вуглевод-фосфатними ланцюгами, а нітрогеновмісні основи розташовані усередині й утворюють сходинки цієї “драбини”; – ця “драбина” заформою є спіраллю.

Розшифрування структури ДНК стало одним із поворотних моментів у історії біології. За відкриття “молекулярної структури нуклеїнових кислот і їх значення для передачі інформації в живих системах” троє дослідників – Д. Вотсон, Ф. Крік і М. Уілкінс у 1962 р. були удостоєні Нобелівської премії. Ще один фактичний першовідкривач молекулярної структури ДНК – Розалінда Франклін, яка отримала при проведенні досліджень високі дози рентгенівського опромінення, померла за чоти ри ро ки до визнання.

Сучасні уявлення про структуру ДНК. Як і білки, ДНК має первинну структуру – просту послідовність нуклеотидів і більш високий рівень організації – тривимірну просторову структуру.

Зараз основні положення моделі Вотсона й Кріка про молекулярну організацію ДНК підтвердилися (мал. 140), а ключові моменти, що характеризують тривимірну просторову структуру молекули ДНК, виглядають таким чином:

– молекула ДНК складається із двох полінуклеотидних ланцюгів, при цьому кожний з них закручений вправо навколо однієї й тієї самої осі, утворюючи подвійну спіраль. Діаметр спіралі ДНК дорівнює 2 – 10-9 м, а відстань між сусідніми нуклеотидами – 0,34 – 10-9 м. На один виток спіралі припадає 10 нуклеотидів;

– ланцюги ДНК побудовані із залишків дезоксирибози, сполучених дифосфоетерними містками; лан цю ги спрямовані в різні боки, тобто один ланцюг має 3-5 послідовностей диетерних зв’язків, другий – 5-3;

– полінуклеотидні ланцюги з’єднані між собою водневими зв’язками, що виникають між нітрогеновмісними основами різних ланцюгів, розміщених один навпроти іншого. Між аденіном і тиміном утворюються два водневих зв’язки (А = Т) (мал. 141), а між гуаніном і цитозином – три (Г – Ц). Водневі зв’язки дуже слабкі, але завдяки багаторазовій повторюваності вони утворюють надміцну структуру, яка водночас є лабільною, що надає спіралі ДНК можливість легко розкручуватися, а потім знову швидко відновлювати дволанцюгову структуру;

– молекули A-T і Г-Ц, так само як і дві частини одного розбитого блюдця, геометрично доповнюють одна одну. Здатність доповнювати, властива поверхням деяких хімічних сполук, називається комплементарністю (від лат. комплементум – доповнення).

Отже, якщо на певній ділянці ланцюга послідовно розташовані нуклеотиди A, T, Г, Ц, то на його протилежній ділянці, за принципом комплементарності, – T, А, Ц, Г;

– на послідовність нуклеотидів молекули, а також на довжину ланцюга не існує жодних обмежень.

Таким чином, модель подвійної спіралі обгрунтовує еквівалентність числа нітрогеновмісних основ у молекулі ДНК (правило Чаргаффа), а також дозволяє пояснити, яким чином зберігається стала кількість молекул ДНК при поділах клітин.

Як показали спеціальні розрахунки, довжина молекули ДНК в клітині людини в нормальному стані становить близько 8 см. Звідси природно виникає питання: яким же чином така довга молекула укладається в клітинне ядро, яке можна розглянути лише під мікроскопом. Виявляється, в ядрі клітини ДНК містяться в суперспіралізованому (суперскрученому) стані і на один виток спіралі може припадати набагато більше, ніж 10 нуклеотидів. Крім того, перебуваючи у ядрі, ДНК взаємодіє з білками, які мають лужні властивості й утворюють речовину – хроматин, що в ядрі укладається певним способом: на зразок того, як намотується нитка на котушку.

Плавлення ДНК. Під впливом високих температур або інших сильнодіючих факторів ДНК, як і білок, втрачає притаманну їй тривимірну просторову форму і розпадається на одинарні ланцюги. Цей процес відбувається при температурі +70 °С – значно вищій від температури денатурації білків, і тому називається плавленням. Після зниження температури вихідна структура ДНК повністю відновлюється.

Мал. 141.Утворення водневих зв’язків між нуклеотидами різних ланцюгів ДНК

ДНК – біополімер, призначений для зберігання й передачі спадкової інформації. Молекула ДНК має форму спіралі, що складається з двох рядів різноспрямованих полінуклеотидів, сполучених водневими зв’язками між А-Т і Г-Ц парами нітрогеновмісних основ, які на різних ланцюгах ДНК доповнюють один одного за принципом комплементарності. Відкриття структури ДНК є одним із найвизначніших етапів у розвитку сучасної науки і, як вважають багато вчених, чи не головним відкриттям ХХ ст. у біології.