§ 8. Будова, властивості і функції ДНК

Пригадайте, у яких структурах клітини зберігається спадкова інформація. Що таке мономери, біополімери? Які організми належать до еукаріотів і прокаріотів? Які процеси називають денатурацією та ренатурацією?

Будова ДНК. Молекули ДНК у клітинах еукаріотів містяться в ядрі, пластидах і мітохондріях, у клітинах прокаріотів - в особливих ділянках цитоплазми - ядерній зоні. Молекули ДНК 1869 року відкрив швейцарський біолог Й. Ф. Мішер, виділивши їх з ядер лейкоцитів. Згодом молекули ДНК виявили і в інших органелах клітини (таких як мітохондрії та пластиди). Й. Ф. Мішер встановив і хімічний склад ДНК.

Розшифрування структури ДНК має свою історію. 1950 року американський учений Ервін Чаргафф (1950-2002) та його колеги виявили певні закономірності кількісного вмісту азотистих основ у молекулі ДНК (їх називають правилами Чаргаффа):

кількість нуклеотидів, що містять аденін, у будь-якій молекулі ДНК дорівнює числу нуклеотидів, що містять тимін (А = Т), а число нуклеотидів з гуаніном - числу нуклеотидів із цитозином (Г = Ц);
сума нуклеотидів з аденіном і гуаніном дорівнює сумі нуклеотидів з тиміном і цитозином (А + Г = Т + Ц).

Закономірності вмісту нуклеотидів у молекулах ДНК, які встановили Е. Чаргафф та його колеги, а також застосування Р. Франклін та М. Уїлкінсом методів рентгенографії під час дослідження структури молекул ДНК сприяли встановленню 1953 р. Дж. Уотсоном та Ф. Кріком їхньої просторової структури. Тобто вчені створили тривимірну модель молекули ДНК.

Виявилося, що молекула ДНК складається з двох ланцюгів нуклеотидів, які сполучаються між собою за допомогою водневих зв’язків. Ці зв’язки виникають між двома нуклеотидами, які ніби доповнюють один одного за розмірами, при цьому розміри нуклеотидів з аденіном (А) і гуаніном (Г) дещо більші, ніж нуклеотидів з тиміном (Т) і цитозином (Ц). Тому залишок аденіну (А) нуклеотиду одного ланцюга молекули ДНК завжди сполучається із залишком тиміну (Т) нуклеотиду іншого ланцюга (між ними виникає два водневих зв’язки), а гуаніну (Г) - із цитозином (Ц) (між ними виникає три водневих зв’язки) (мал. 8.1). Така чітка відповідність нуклеотидів у складі молекули нуклеїнової кислоти, яка супроводжується утворенням між взаємодоповнюючими нуклеотидами водневих зв’язків, має назву комплементарність.

Мал. 8.1. Молекула ДНК: 1 - схема будови; 2 - просторова модель. Зверніть увагу, обидва ланцюги ДНК закручені навколо спільної осі, а також один навколо одного

Комплементарність (від лат. комплементум — доповнення) — просторова відповідність між молекулами або їхніми частинами, що уможливлює взаємодію між ними та утворення хімічних зв’язків.

Взаємодіючи між собою, два ланцюги нуклеотидів молекули ДНК формують закручену праворуч спіраль діаметром приблизно 2 нм (1 нм (нанометр) дорівнює 1 х 10^-6 мм). Відстань між сусідніми комплементарними парами азотистих основ становить 0,34 нм, а крок спіралі дорівнює 3,4 нм і містить близько десяти пар основ. Так виникає вторинна структура молекули ДНК, тоді як первинна - це певна послідовність залишків нуклеотидів, розташованих у вигляді ланцюга. Молекули ДНК у клітині становлять собою компактні структури. Це досягається формуванням вторинної та третинної структур. Наприклад, довжина ДНК найбільшої хромосоми людини становить близько 10 см, але вона скручена таким чином, що вміщується у хромосомі завдовжки 5 мкм (1 мкм (мікрометр) дорівнює 1 х 10^-3 мм). Це відбувається завдяки тому, що дволанцюгова спіраль ДНК зазнає подальшого просторового ущільнення, формуючи третинну структуру - суперспіраль. Така будова характерна для ДНК хромосом еукаріотів і зумовлена взаємодією між ДНК та ядерними білками, які також входять до складу структур ядра клітини - хромосом.

Властивості ДНК. Так само як і молекули білків, молекули ДНК здатні до денатурації та ренатурації. За певних умов (дія кислот, лугів, високої температури тощо) водневі зв’язки між комплементарними азотистими основами різних ланцюгів молекули ДНК розриваються. При цьому молекула ДНК повністю або частково розпадається на окремі ланцюги, і, відповідно, втрачає свою біологічну активність. Після припинення дії негативних чинників структура молекули може відновлюватись завдяки поновленню водневих зв’язків між комплементарними нуклеотидами.

Мал. 8.2. Процес реплікації - самоподвоєння молекули ДНК: за участі ферменту розшиваються водневі зв’язки між комплементарними нуклеотидами (1) і на кожному ланцюзі материнської молекули за принципом комплементарності добудовується дочірній (2)

Мал. 8.3. Транскрипція - синтез молекули РНК (1) на одному з ланцюгів молекули ДНК (2). Ці процеси забезпечує специфічний фермент (3)

Важлива властивість молекул ДНК - їхня здатність до самоподвоєння. Цей процес називають реплікацією. Він ґрунтується на принципі комплементарності: послідовність нуклеотидів у новоствореному ланцюзі визначається їхнім розташуванням у ланцюзі материнської молекули ДНК. При цьому материнська молекула ДНК слугує матрицею.

Реплікація ДНК - напівконсервативний процес, тобто дві дочірні молекули ДНК містять по одному ланцюгу, успадкованому від материнської молекули, і по одному,- синтезованому заново (мал. 8.2). Завдяки цьому кожна з дочірніх молекул ДНК є копією материнської. Це явище забезпечує точну передачу спадкової інформації від материнської молекули ДНК дочірнім. Завдяки цьому можливе стабільне існування окремих видів організмів (поміркуйте чому).

Функції ДНК. Основні функції ДНК - це кодування, збереження спадкової інформації та її передача дочірнім клітинам під час розмноження. Зокрема, окремі ланцюги молекули ДНК слугують матрицею для синтезу різних типів молекул РНК (мал. 8.3). Цей процес називають транскрипцією.

Одиницею спадковості всіх організмів є ген - ділянка молекули ДНК (у деяких вірусів - РНК). Ген містить спадкову інформацію про структуру певного білка або нуклеїнової кислоти (докладніше організацію спадкового матеріалу різних груп організмів ми розглянемо у § 21).

Функціонально ген - цілісна одиниця спадковості, бо будь-які порушення його будови змінюють закодовану в ньому інформацію або призводять до її втрати.

Генетичний код — інформація про амінокислотну послідовність у складі білка, закодована за певними правилами у вигляді послідовності нуклеотидів нуклеїнової кислоти.

Ключові терміни та поняття: комплементарність, реплікація, транскрипція, ген, генетичний код.

Перевірте здобуті знання

1. Які особливості будови ДНК? 2. Що спільного і відмінного в будові молекул ДНК і РНК? 3. Яка просторова структура молекули ДНК? 4. У чому полягають функції ДНК у клітині? 5. Що таке ген і генотип? 6. Які є типи генів?

Поміркуйте. Які зв’язки будуть насамперед руйнуватись унаслідок дії на молекулу ДНК різних чинників: між сусідніми нуклеотидами, що входять до складу одного ланцюга, або між комплементарними нуклеотидами різних ланцюгів? Відповідь обґрунтуйте.

Зміст