Что такое ДНК

Что представляет собой ДНК?

ДНК – высокополимерное при-родное соединение, содержащееся в ядрах клеток живых организмов.

Впервые ДНК была выделена из лейкоцитов и молок рыб в 1869 г. Фридрихом Мишером. Ее название – нуклеиновая кислота обусловлено тем, что она обладает кислотными свойствами и была обнаружена в клеточных ядрах . ДНК содержится главным образом в составе хромосом клеточного ядра. В последние годы доказано, что ДНК содержится также и в составе некоторых самовоспроизводящихся структур цитоплазмы – в митохондриях и хлоропластах.

Это так называемая цитоплазматическая ДНК. Существующее ныне представление о структуре ДНК сложилось только в начале 1950-х годов. Дж. Уотсон и Ф. Крик в 1953 году предложили модель молекулярной структуры ДНК и механизм ее репликации.

Элементарные понятия о ДНК, генах и структуре хромосом, общебио-логические законы наследственной изменчивости изучаются в курсе средней школы. Уроки биологии знакомят учащихся с основными биохимическими закономерностями жизнедеятельности клеток, объясняют структуру и функ-ции ДНК, причины мутаций – ошибок репликации. На уроках органической химии в 10 классе детали структуры ДНК разбираются с точки зрения теории строения органических веществ.

К сожалению, при изучении столь важной информации не хватает на-глядности, причина тому – сложность изучаемого материала. Научные ме-тоды, позволяющие выделять ДНК, слишком трудны как в техническом, так и в теоретическом плане. В условиях школьных лабораторий не возможно найти нужное оборудование для проведения работы. А как хочется увидеть ДНК!

Огромное разнообразие молекул ДНК достигается разными их размерами и различной последовательностью мономеров – нуклеотидов. ДНК – это мо-лекула, состоящая из двух спирально закрученных полинуклеотидных цепей. Ширина спирали составляет около 2нм, тогда как длина может достигать сотен тысяч нанометров.

Мономерами ДНК являются дезоксирибонуклеотиды, состоящие из азо-тистого основания, дезоксирибозы и остатка фосфорной кислоты. Азотистые основания подразделяются на две группы – пуриновые и пиримидиновые . Нуклеотиды соединяются в цепь за счет связи между остатком фосфорной кислоты одного нуклеотида и дез-оксирибозой другого путем образования фосфодиэфирного мостика. Между нуклеотидами соседних цепей возникают водородные связи, соединяющие комплементарные азотистые основания: А=Т, Г=Ц.

Нуклеотиды ДНК, соединяясь друг с другом, способны образовывать особенно длинные цепи; молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты явля-ются самыми крупными из всех известных сейчас молекул. Молекулярный вес ДНК в некоторых вирусах достигает 150 млн., масса грамм-молекулы такого вещества равнялась бы 150 тоннам!

Роль ДНК в клетке заключается в хранении, воспроизведении и пере-даче генетической информации. Благодаря матричному синтезу наследствен-ная информация дочерних клеток точно соответствует материнской. В насто-ящее время известно множество фактов, свидетельствующих о том, что ДНК определяет специфичность и химические свойства генов – единиц наследст-венности.

Структура ДНК

В 1953 году Уотсон и Крик предложили детальную трехмерную модель структуры ДНК. Модель Уотсона-Крика не только объяснила многие физи-ческие и химические свойства ДНК, но позволила также высказать предполо-жение о возможном механизме точной репликации ДНК.

Потребовалась большая изобретательность, остроумное сочетание спе-циальных химических методов и рентгеноструктурного анализа с теорети-ческими исследованиями, чтобы определить внутреннюю структуру моле-кулы ДНК. Ее установление справедливо относят к числу величайших дости-жений нашего времени. Согласно этой модели, молекула ДНК представляет собой не простую, а сдвоенную цепочку нуклеотидов.

Пространственное строение молекулы ДНК, состоящей из двух взаимно закрученных цепочек нуклеотидов, похоже на своеобразную винтовую лест-ницу.

На первый взгляд картина напоминает веревочную лестницу, каждая «ступень-перекладина» которой образована двумя азотистыми основаниями, «веревками» же служат цепочки из чередующихся атомных групп: фосфата и дезоксирибозы. Фактически обе цепочки прочно скреплены химическими связями, которые возникают между азотистыми основаниями.

Дальнейшие исследования показали, что «ступень-перекладина» не мо-жет быть образована двумя азотистыми основаниями в любой комбинации. Чтобы «конструкция» молекулы была прочной, все «ступеньки» должны иметь одинаковую длину. Однако по своим размерам аденин и гуанин значительно крупнее тимина и цитозина. Расстояние же между «веревками» повсюду одинаково. Это значит, что одно из оснований любой «ступеньки» должно быть большим, а другое – маленьким, то есть, допустимы только комбинации:

• аденин – тимин;
• гуанин – тимин;
• аденин – цитозин;
• гуанин – цитозин.

Химическое строение азотистых оснований позволяет им соединяться друг с другом не в любых комбинациях, а именно: аденин не соединяется с цитозином, а гуанин – с тимином. Поэтому молекулярная «лестница» ДНК может иметь «ступеньки» лишь следующих видов:

• аденин – тимин
• гуанин – цитозин

В таких именно комбинациях и встречаются азотистые основания в двухцепочечных молекулах ДНК. Если каким-либо способом удалить из молекулы ДНК одно из азотистых оснований, то его место сможет потом занять только такое же основание, никакое другое не подойдет либо по геометрическим размерам, либо по способности к образованию химических связей.

Из всех функций, выполняемых мононуклеотидами в клетках, наиболее важная состоит в том, что они служат «строительными блоками», то есть предшественниками при синтезе нуклеиновых кислот. Мононуклеотиды построены из трех главных компонентов: 1) азотистого основания; 2) сахара пентозы; 3) фосфорной кислоты. Два класса азотистых оснований, обнару-женных в нуклеотидах, являются производными двух ароматических гетероциклических соединений: пиримидина и пурина.

Методы выделения и секвенирования ДНК

Методы расшифровки нуклеотидной последовательности нуклеиновых кислот принято называть методами секвенирования. Теоретически это не-сложно, поскольку все аминокислоты, встречающиеся в природных белках, имеют разные свойства. Поэтому, когда был расшифрован генетический код, появилась возможность восстанавливать нуклеотидную последовательность ДНК по аминокислотной последовательности соответствующего белка.