Біологія. Практичний довідник. 9 клас

Нуклеїнові кислоти. Дезоксирибонуклеїнова кислота (ДНК)

1. У клітині міститься один вид ДНК.

2. Кількість ДНК протягом життя клітини залишається сталою.

3. ДНК міститься в ядрі, мітохондріях, пластидах зелених рослин.

4. «Будівельними блоками», з яких побудована молекула ДНК, є нуклеотиди. Кожний нуклеотид складається з пуринової або піримідинової основи, з’єднаної з вуглеводом дезоксирибозою, яка з’єднана із залишком ортофосфатної кислоти.

Пуринові основи — аденін і гуанін; піримідинові основи — тимін і цитозин.

5. Кожна пуринова або піримідипова основа зв’язана своїм атомом 9-Ν або 1-Ν з атомом 1'-С дезоксирибози, атом 5'-С дезоксирибози етерифікований фосфатом.

Гідроксильна група (ОН) в атомі 3'-С дезоксирибози одного нуклеотиду може етерифікуватися фосфатом іншого нуклеотиду — у результаті утворюється динуклеотид. Таким чином, у полінуклеотидний ланцюг зв’язуються від 70 до 108 нуклеотидів. Осьовий скелет такої молекули складається із фосфату й дезоксирибози, які чергуються, а основи приєднані збоку. Усі пентозні дезоксирибози (залишки одного ланцюга) орієнтовані атомом 5'-С в одному напрямі, а атомом 3'-С — у протилежному. Таким чином, кожний ланцюг — полярний: він має 5'- кінець (фосфатний кінець) і 3'- кінець (гідроксильний кінець).

6. Молекули ДНК складаються із 2 000-108 і більше мононуклеотидів. У кожній молекулі два полінуклеотидні ланцюги об’єднані в один подвійний. Основи розміщені парами одна навпроти іншої і з’єднані водневими зв’язками. До утворення пар здатні лише комплементарні основи: аденін і тимін з’єднуються між собою двома, а гуанін і цитозин — трьома водневими зв’язками. Два ланцюги розташовуються так, що 5'- кінець одного ланцюга лежить навпроти 3'- кінця іншого ланцюга.

Комплементарність нуклеотидів у двох ланцюгах ДНК (а); подвійна спіраль ДНК (б)

Ланцюги комплементарні за основами: наприклад, послідовності 5'-А-Г-Ц-Ц-Т-3' протистоїть у другому ланцюгу послідовність 3'-Т-Ц-Г-Г-А-5'. Унаслідок комплементарності основ у кожному подвійному ланцюгу кількість А дорівнює кількості Т, а кількість Г — кількості Ц. Проте співвідношення основ

У вірусів ланцюг ДНК теж подвійний, лише в деяких фагів (віруси бактерій) є одноланцюгова ДНК.

7. Геометрія подвійної спіралі така, що сусідні пари основ розташовані одна від одної на відстані 0,34 нм і повернуті на 36° навколо осі спіралі. Отже, на один виток спіралі припадає 10 пар основ: 360° : 36° = 10, а крок спіралі становить 3,4 нм. Діаметр подвійної спіралі становить близько 20 нм.

8. Вторинна структура ДНК — це подвійна спіраль, стабілізована водневими зв’язками та гідрофобними взаємодіями. У хромосомах подвійні спіралі утворюють тяжі з двома кінцями. Подвійні спіралі ДНК наявні в цитоплазматичних органелах та в без’ядерних (прокаріотних) організмів замкнуті в кільце, яке може бути «зім’яте» в клубок.

У хромосомах подвійні спіралі з’єднані з білками (в основному йонними зв’язками) й утворюють разом з ними третинну структуру (суперспіраль у нуклеосомах, а також структури більш високого порядку).

9. Підвищення температури (приблизно до +90 °С), або зміни pH призводять до денатурації ДНК. Оскільки спарені ланцюги не зв’язані між собою ковалентно, після розриву всіх водневих зв’язків два полінуклеотидні ланцюги ДНК повністю розділяються.

Денатурація відбувається у вузькому колі температур і відображається в кардинальній зміні багатьох фізичних властивостей ДНК. Особливо помітною виявляється зміна оптичної густини. Надзвичайно важлива властивість денатурації ДНК — зворотність процесу. За певних умов два розділені комплементарні ланцюги можуть відновити подвійну спіраль. Це явище називають ренатурацією. Ренатурація залежить від специфічного спарювання основ між комплементарними ланцюгами. Реакція відбувається у дві стадії. Спочатку короткі комплементарні послідовності двох ланцюгів випадково з’єднуються одна з одною й утворюють двоспіральну ділянку. Потім ділянка спарювання, подібно до замка блискавки поширюється вздовж молекули й утворюється дволанцюгова молекула. Реконструкція подвійної спіралі завершується відновленням початкових властивостей, втрачених під час денатурації ДНК.

10. Генетична інформація в молекулах ДНК закодована в специфічній послідовності її мономерних одиниць (нуклеотидів), а нуклеотидна послідовність має важливе значення для визначення тонкої структури геному. ДНК містить нуклеотидні послідовності, які детермінують ініціацію і термінацію процесів синтезу ДНК (реплікація), синтезу РНК (транскрипція), синтезу білка (трансляція). Є нуклеотидні послідовності, які слугують для зв’язування специфічних активуючих молекул, що виконують роль інгібітора, а також нуклеотидні послідовності, що не несуть певної інформації, існують такі модифіковані ділянки, які захищають молекулу від дії нуклеаз.

11. Передумовою для збереження наявної спадкової інформації в низці поколінь клітин та організмів є ідентичне подвоєння або реплікація генетичного матеріалу. Реплікація ДНК відбувається перед кожним нормальним поділом структур, що містять ДНК (ядер, пластид, мітохондрій) в еукаріот, перед кожним діленням бактеріальних клітин і під час розмноження ДНК вірусів.

Матрицею для синтезу ДНК слугує наявна видоспецифічна дволанцюгова ДНК. Під час редуплікації із однієї молекули дволанцюгової ДНК утворюються дві молекули, ідентичні одна одній і вихідній молекулі. Це слугує передумовою збереження видоспецифічної спадкової інформації в ряді поколінь клітин і організмів, передумовою значної постійності видів. Редуплікація бактеріальних геномів та інших кільцевих молекул починається в певній генетично фіксованій «точці старту». У хромосомах еукаріот є по кілька таких початкових точок. На обох старих ланцюгах новий поліпептидний ланцюг синтезується в напрямі 5' → 3'. Беручи початок у точці старту, реплікація здійснюється послідовно на окремих ділянках і в еукаріотів й багатьох бактерій вона йде вздовж подвійної спіралі. ДНК не лише в одному напрямку, а й протилежному.

Для реплікації подвійна спіраль ДНК розкручується ферментами. Реплікація на старому ланцюгу, що йде від точки старту в напрямі 3' → 5', може відбуватись безперервно вздовж подвійної спіралі, яка розкривається подібно до застібки-блискавки. Реплікація на другому ланцюгу відбувається окремими фрагментами, оскільки на цьому ланцюгу новий ланцюг повинен синтезуватись у протилежному напрямі (відповідаючи також напрямку 3' → 5' старого ланцюга). Спарювання основ за участі ДНК-полімерази відбувається майже безпомилково.

Під час реплікації бактеріальних ДНК та інших кільцевих ДНК-структур утворюються дві ідентичні кільцеві молекули ДНК. В еукаріотів різні реплікаційні ділянки хромосоми врешті об’єднуються, так що після завершення фази S (синтетичний період інтерфази) у кожній хромосомі містяться дві молекули дволанцюгової ДНК, які стають двома ідентичними хроматидами.

В еукаріотів реплікація ДНК відбувається в інтерфазі. У бактерій реплікація ДНК починається в умовах, сприятливих для росту. Може відбутися кілька послідовних циклів реплікації.

12. Генетична інформація міститься в ДНК. Інформація, яка є в клітинному ядрі, являє собою генотип. ДНК, що міститься в одному наборі хромосом, називають геномом, а позаядерну ДНК (у мітохондріях, пластидах, основній речовині цитоплазми) — плазмоном. У бактерій ДНК еквівалентом ядра є геном, а позаядерна ДНК представлена у формі плазмід. Структури, які складаються з ДНК, що містяться в основній речовині цитоплазми еукаріотів, як і бактерій, називають плазмідами.

Генетична інформація у геномі бактерій і багатьох вірусів міститься в одному безперервному полінуклеотидному ланцюгу. В еукаріотів генетичний матеріал розподілений по хромосомах і в кожній хромосомі утворює один довгий нуклеотидний ланцюг. Полінуклеотидні нитки ДНК, які містяться в хромосомах еукаріотів, у геномі бактерій і вірусів або плазмідах (у деяких вірусів — РНК), поділяються на функціональні відрізки, які називають генами.

Види та функції ДНК

Розрізняють такі основні види ДНК: 1) ядерні (хромосоми) ДНК; 2) ДНК плазмід; 3) ДНК пластид; 4) ДНК мітохондрій, 5) ДНК вірусів.

Ядерна ДНК локалізована в ядрі еукаріотної клітини. Аналогом ядерної ДНК у бактерій слугує генофор, або нуклеоїд, який являє собою замкнуту в кільце ДНК, не відділену від цитоплазми мембраною. Часто генофор називають бактеріальною хромосомою. Молекули ядерних ДНК містять інформацію про всі спадкові ознаки організму. Їхня функція — збереження цієї інформації, забезпечення її експресії й рекомбінації, а також відтворення під час поділу клітини й передачі наступним поколінням організмів.

ДНК плазмід — це зазвичай кільцеподібно замкнуті молекули ДНК невеликого розміру, які перебувають у цитоплазмі. Хоча об’єм спадкової інформації в них невеликий, ДНК плазмід відіграють важливу роль у явищах спадковості та мінливості організмів, насамперед — бактерій і грибів. Плазмідні ДНК — відносно автономні структури: вони здатні реплікуватися незалежно від ядерної ДНК широко використовують інженери-генетики для перенесення спадкової інформації з одних організмів до інших.

ДНК хлоропластів містяться в пластидах рослин. Вони несуть інформацію про білки та РНК, необхідну для нормальної роботи фотосинтетичного апарата рослинної клітини. Оскільки хлоропласти рослин мають власний апарат для синтезу білка, то роль цих ДНК частково аналогічна функціям ядерної ДНК.

ДНК мітохондрій, як і ДНК хлоропластів, забезпечують автономний синтез білка, який відбувається в мітохондріях. Незважаючи на певну автономність, функціонування ДНК хлоропластів і мітохондрій чітко координується з діяльністю ядерної ДНК. Ці види ДНК у сукупності утворюють єдиний спадковий апарат еукаріотної клітини.

ДНК вірусів. Значна частина вірусів бактерій (бактеріофагів), тварин і людини належить до ДНК-вмісних вірусів. Вірусні ДНК несуть відносно невеликий об’єм спадкової інформації (від 10 до 150 генів), яка забезпечує циркуляцію цих паразитів у природі.

ДНК-умісні віруси застосовують як носії спадкової інформації у генній інженерії.