§ 7. Нуклеиновые кислоты. Строение и функции ДНК

Для каждого вида живых организмов характерны свои отличительные особенности. Более того, различия существуют и между особями одного вида, поскольку каждая из них обладает уникальным сочетанием признаков. При этом каждый организм способен передавать свои признаки потомкам по наследству.

Известно, что признаки и свойства организма определяются, прежде всего, белками, которые синтезируются в его клетках. Поэтому информацию о первичной структуре белков называют наследственной или генетической. Установлено, что данная информация содержится в молекулах нуклеиновых кислот. Эти биополимеры также обеспечивают синтез белков, т. е. реализацию наследственной информации и ее передачу последующим поколениям при размножении.

Таким образом, нуклеиновые кислоты выполняют особые функции, не характерные для других химических соединений. Нуклеиновые кислоты — это биологические полимеры, обеспечивающие хранение, реализацию и передачу наследственной информации.

Нуклеиновые кислоты были открыты в 1869 г. швейцарским биологом Ф. Мишером в ядрах лейкоцитов человека. От латинского слова nucleus — ядро и происходит название этих соединений. Нуклеиновые кислоты содержатся в клетках всех живых организмов, причем не только в ядре, но и в цитоплазме, в составе некоторых органоидов.

Строение нуклеотидов и образование полинуклеотидной цепи. Нуклеиновые кислоты — *нерегулярные* полимеры, мономерами которых являются нуклеотиды. Каждый из них состоит из трех компонентов: азотистого основания, пятиуглеродного моносахарида (пентозы) и остатка фосфорной кислоты. Центральное положение в структуре нуклеотида занимает пентоза. Азотистое основание и остаток фосфорной кислоты присоединены к ней ковалентными связями (рис. 7.1).

*Атомы углерода в составе пентозы принято обозначать цифрами с символом «штрих» — от 1' до 5', чтобы отличать их от атомов, образующих скелет азотистого основания (для их нумерации используют цифры без штрихов). Азотистое основание присоединяется к 1'-углеродному атому пентозы, а остаток фосфорной кислоты — к 5'.*

В состав нуклеотида может входить одно из пяти азотистых оснований: аденин, гуанин, цитозин, тимин или урацил. Аденин и гуанин относятся к пуриновым основаниям, *т. к. они являются производными пурина — гетероциклического соединения, молекула которого образована двумя конденсированными кольцами — пятичленным и шестичленным*. Цитозин, тимин и урацил *— производные шестичленного гетероциклического пиримидина, поэтому их* называют пиримидиновыми основаниями.

Название нуклеотида зависит от того, какое азотистое основание входит в его структуру. Так, существуют адениловые, гуаниловые, цитидиловые, тимидиловые и уридиловые нуклеотиды. Для удобства азотистые основания и соответствующие им нуклеотиды обычно записывают сокращенно: А, Г, Ц, Т, У.

Известны два типа нуклеиновых кислот — дезоксирибонуклеиновые (ДНК) и рибонуклеиновые (РНК). Они различаются функциями, размером и формой молекул, а также особенностями строения нуклеотидов.

Нуклеотиды ДНК содержат остаток дезоксирибозы, а нуклеотиды РНК — рибозы. Отсюда и названия — дезоксирибонуклеиновые и рибонуклеиновые кислоты. Кроме того, азотистое основание тимин (Т) может входить только в состав нуклеотидов ДНК, а урацил (У) встречается лишь в нуклеотидах РНК. Следовательно, молекулы ДНК, так же как и РНК, содержат по четыре типа нуклеотидов.

*Ковалентные связи между нуклеотидами формируются следующим образом. Гидроксильная группа, присоединенная к 3'-углеродному атому пентозы одного нуклеотида, взаимодействует с остатком фосфорной кислоты, связанным с 5'-атомом пентозы другого нуклеотида. В результате выделяется молекула воды, и нуклеотиды соединяются так называемой фосфоэфирной связью (рис. 7.2).*

*Фосфоэфирная связь также имеется внутри каждого нуклеотида: с ее помощью остаток фосфорной кислоты соединен с 5'-углеродным атомом пентозы. Поэтому можно сказать, что нуклеотиды связаны между собой при помощи фосфодиэфирных мостиков.

Соединение нуклеотидов ковалентными связями приводит к формированию линейной полинуклеотидной цепи. На одном ее конце имеется свободная 3'-ОН группа пентозы (это 3'-конец), а на другом — 5'-остаток фосфорной кислоты (5'-конец). Как к 3'-, так и к 5'-концу могут присоединяться другие нуклеотиды.*

*Короткие цепи, содержащие относительно небольшое число нуклеотидов, например 5'АТТЦГААГ3', называются олигонуклеотидами. Они находят широкое применение в молекулярной биологии, генной инженерии и медицине. Олигонуклеотиды получают либо с помощью ферментов, расщепляющих нуклеиновые кислоты, либо путем химического синтеза.

В состав молекул нуклеиновых кислот, содержащихся в клетках живых организмов, входит большое количество нуклеотидов  — от нескольких десятков до сотен миллионов. Таким образом, нуклеиновые кислоты представляют собой полинуклеотиды. Молекулы ДНК являются самыми крупными из молекул, присущих живым организмам.*

Строение ДНК. В состав молекулы ДНК входят две полинуклеотидные цепи. Они соединены между собой множеством водородных связей, возникающих между азотистыми основаниями нуклеотидов противоположных цепей. *Эти связи образуются только в том случае, когда каждый нуклеотид в одной цепи, условно говоря, «перевернут» по отношению к парному ему нуклеотиду в другой. Такая ориентация нуклеотидов приводит к тому, что на каждом из концов двухцепочечной молекулы ДНК находится 5'-конец одной цепи и 3'-конец другой (рис. 7.3). Как вы уже знаете на примере строения молекул белков, подобная ориентация цепей называется антипараллельной.*

*Структура азотистых оснований и расположение в них атомов, способных образовывать водородные связи, таковы, что пуриновое основание может соединиться только с пиримидиновым.* Причем в составе двухцепочечной молекулы ДНК аденин может формировать водородные связи только с тимином, а гуанин — лишь с цитозином. В результате этого взаимодействия между аденином и тимином возникают две водородные связи, а между гуанином и цитозином — три (рис. 7.4). Таким образом, нуклеотиды, входящие в состав двух разных цепей ДНК, взаимно дополняют друг друга, образуя строгие пары: А—Т и Г—Ц.

Такое соответствие парных нуклеотидов называется комплементарностью. Поэтому говорят, что две цепи молекулы ДНК комплементарны друг другу, т. е. последовательность нуклеотидов в одной цепи строго определяет порядок их следования в другой. Например, если в одной цепи нуклеотиды располагаются следующим образом: 5'ГАЦАТЦ3', то во второй цепи их последовательность будет только такой: 3'ЦТГТАГ5'.

Принцип комплементарного спаривания азотистых оснований определяет особую пространственную структуру молекулы ДНК. За счет образования водородных связей две полинуклеотидные цепи закручиваются относительно друг друга, формируя двойную спираль диаметром около 2 нм (рис. 7.5). *При этом диаметр спирали остается одинаковым на всем протяжении молекулы.* Один виток спирали имеет длину 3,4 нм и содержит 10 пар нуклеотидов. Следовательно, линейная длина одной нуклеотидной пары составляет 0,34 нм. Чередующиеся остатки дезоксирибозы и фосфорной кислоты образуют сахарофосфатный остов, расположенный на периферии молекулы ДНК, а азотистые основания находятся внутри спирали.

*При изменении условий (например, при повышении температуры) ДНК может подвергаться денатурации — так называемому плавлению. При этом водородные связи между азотистыми основаниями разрываются и комплементарные цепи отделяются друг от друга. Молекулы ДНК, в которых преобладают Г—Ц пары, характеризуются бóльшим содержанием водородных связей, чем молекулы с преобладанием А—Т пар, поэтому плавятся при более жестких условиях. Денатурация ДНК, как правило, носит обратимый характер.*

Нуклеотидный состав ДНК впервые количественно проанализировал американский биохимик Э. Чаргафф в 1950 г. Им были обнаружены закономерности соотношения нуклеотидов в двухцепочечной молекуле ДНК, впоследствии названные правилами Чаргаффа.

1. Количество адениловых нуклеотидов в молекуле ДНК равно количеству тимидиловых (А = Т), а количество гуаниловых — количеству цитидиловых (Г = Ц).

2. Число пуриновых азотистых оснований равно числу пиримидиновых (А + Г = Т + Ц).

3. Суммарное количество адениловых и цитидиловых нуклеотидов равно суммарному количеству тимидиловых и гуаниловых нуклеотидов (А + Ц = Т + Г).

В 1953 г. на основании правил Чаргаффа и результатов исследований молекул ДНК, полученных британским ученым М. Уилкинсом, американский биолог Дж. Уотсон и британский биофизик Ф. Крик предложили модель пространственной структуры молекулы ДНК. В 1962 г. за разработку этой модели, получившей название «двойная спираль», Дж. Уотсон, Ф. Крик и М. Уилкинс были удостоены Нобелевской премии.

*В клетках живых организмов ДНК содержится не в виде собственно двойной спирали, имеющей огромную длину и диаметр 2 нм, а в более компактном (конденсированном) состоянии. Молекулы ДНК, взаимодействуя с особыми белками, образуют нуклеопротеиновые структуры — хромосомы. В состав каждой из них входит чрезвычайно длинная молекула ДНК, особым образом упакованная.

В цитоплазме бактериальной клетки содержится, как правило, одна кольцевая хромосома. В клетках ядерных организмов (эукариот) хромосомы имеют линейный вид, т. е. они не замкнуты в кольцо, и их количество варьирует от 2 (у малярийного плазмодия) до нескольких тысяч, например в большом ядре некоторых видов инфузорий.

В соматических клетках человека находится по 46 хромосом. В самых мелких из них молекулы ДНК содержат примерно 50 млн пар нуклеотидов, в самых крупных — около 250 млн. В некомпактизированном состоянии длина этих молекул ДНК составляла бы от 1,7 до 8,5 см. Однако хромосомы человека, которые можно наблюдать с помощью светового микроскопа во время деления клетки (в этот период они достигают наиболее компактного состояния), имеют длину всего 1,5—11 мкм.

Упаковка молекулы ДНК в хромосому у всех эукариот происходит сходным образом, в несколько этапов. Ключевую роль в этом процессе играют белки гистоны. На каждом этапе укладки длина ДНК уменьшается в несколько раз. Общий итог конденсации ДНК — укорочение молекулы примерно в 10 000 раз.*

Функции ДНК. В молекулах ДНК закодирована информация о первичной структуре всех белков того или иного организма. Считывание этой информации с ДНК приводит в конечном итоге к синтезу белков, т. е. ДНК обеспечивает хранение и реализацию наследственной информации. Перед делением клетки молекулы ДНК удваиваются. Во время деления они распределяются между дочерними клетками, передавая им наследственную информацию от материнской. Из курса биологии 10-го класса вы знаете, что все формы размножения организмов осуществляются за счет клеток — соматических или специализированных (спор, гамет). Благодаря молекулам ДНК, содержащимся в этих клетках, происходит передача генетической информации от одного поколения к другому.

Таким образом, функциями ДНК являются хранение и реализация наследственной информации организма, ее передача дочерним клеткам при делении и потомкам при размножении. Иными словами, ДНК представляет собой генетический материал живых организмов.

Выделение ДНК из банана

1. Поместите в стакан 3 г поваренной соли ( чайной ложки без горки) и 10 мл моющего средства (это может быть жидкое средство для стирки, для мытья посуды или шампунь).
2. Долейте водой до 100 мл и перемешайте, чтобы соль растворилась. Лучше использовать дистиллированную воду, но также подойдет питьевая вода из бутылки или вода из-под фильтра.
3. Тщательно разомните вилкой  мякоти банана, полученное пюре поместите в стакан с раствором соли и моющего средства. Вместо банана можно использовать лук, чеснок или помидор.
4. Все хорошо перемешайте и оставьте на 15 мин.
5. Профильтруйте смесь через двойной слой марли.
6. Затем на поверхность полученного экстракта по стенке стакана осторожно наслоите 20—30 мл холодного этилового или изопропилового спирта массовой долей не менее 70 %. Охладить спирт нужно заранее.
7. Дайте смеси отстояться 5—10 мин.
   На границе раздела бананового экстракта и спирта появится белая масса в виде кольца. Это и есть ДНК. Ее можно извлечь, аккуратно намотав на стеклянную или деревянную палочку.

● Почему биологический материал, из которого извлекается ДНК, необходимо тщательно измельчить?

● Как вы думаете, для чего в процессе выделения ДНК используется моющее средство?