§ 7. Нуклеінавыя кіслоты. Будова і функцыі ДНК

Для кожнага віду жывых арганізмаў характэрны свае адметныя асаб­лівасці. Больш таго, адрозненні існуюць і паміж асобінамі аднаго віду, паколькі кожная з іх валодае ўнікальным спалучэннем прымет. Пры гэтым кожны арганізм здольны перадаваць свае прыметы патомству па спадчыне.

Вядома, што прыметы і ўласцівасці арганізма вызначаюцца, перш за ўсё, бялкамі, якія сінтэзуюцца ў яго клетках. Таму інфармацыю пра першасную структуру бялкоў называюць спадчыннай ці генетычнай. Вызначана, што дадзеная інфармацыя змяшчаецца ў малекулах нуклеінавых кіслот. Гэтыя біяпалімеры таксама забяспечваюць сінтэз бялкоў, г. зн. рэалізацыю спадчыннай інфармацыі і яе перадачу наступным пакаленням пры размнажэнні.

Такім чынам, нуклеінавыя кіслоты выконваюць асаблівыя функцыі, не характэрныя для іншых хімічных злучэнняў. Нуклеінавыя кіслоты — гэта біялагічныя палімеры, якія забяспечваюць захоўванне, рэалізацыю і перадачу спадчыннай інфармацыі.

Нуклеінавыя кіслоты былі адкрыты ў 1869 г. швейцарскім біёлагам Ф. Мішэрам (прозвішча прыведзена не для запамінання) у ядрах лейкацытаў чалавека. Ад лацінскага слова nucleus — ядро і паходзіць назва гэтых злучэнняў. Нуклеінавыя кіслоты змяшчаюцца ў клетках усіх жывых арганізмаў, прычым не толькі ў ядры, але і ў цытаплазме, у саставе некаторых арганоідаў.

Будова нуклеатыдаў і ўтварэнне полінуклеатыднага ланцуга. Нуклеінавыя кіслаты — *нерэгулярныя* палімеры, манамерамі нуклеінавых кіслот з’яўляюцца нуклеатыды. Кожны з іх складаецца з трох кампанентаў: азоцістай асновы, пяцівугляроднага монацукрыда (пентозы) і астатка фосфарнай кіслаты. Цэнтральнае становішча ў структуры нуклеатыда займае пентоза. Азоцістая аснова і астатак фосфарнай кіслаты далучаны да яе кавалентнымі сувязямі  (мал. 7.1).

*Атамы вугляроду ў саставе пентозы прынята абазначаць лічбамі са знакам «штрых» — ад 1' да 5', каб адрозніваць іх ад атамаў, якія ўтвараюць каркас азоцістай асновы (для іх нумарацыі выкарыстоўваюць лічбы без штрыхоў). Азоцістая аснова далучаецца да 1'-вугляроднага атама пентозы, а астатак фосфарнай кіслаты — да  5'.*

У састаў нуклеатыда можа ўваходзіць одна з пяці азоцістых асноў: адэнін, гуанін, цытазін, тымін або ўрацыл. Адэнін і гуанін нележаць да пурынавых асноў, * бо яны з'яўляюцца вытворнымі пурыну — гетэрацыклічнага злучэння, малекула якога ўтворана двума кандэнсаванымі кольцамі — пяцічленным і шасцічленным.* Цытазін, тымін і ўрацыл *— вытворныя шасцічленнага гетэрацыклічнага пірымідзіну, таму іх назывюць пірымідзінавымі асновамі.

Назва нуклеатыда залежыць ад таго, якая азоцістая аснова ўваходзіць у яго структуру. Так, існуюць адэнілавыя, гуанілавыя, цытыдзілавыя, тымідзілавыя і ўрыдзілавыя нуклеатыды. Для зручнасці азоцістыя асновы і адпаведныя ім нуклеатыды звычайна запісваюць скарочана: А, Г, Ц, Т, У.

Вядомыя два тыпы нуклеінавых кіслот — дэзоксірыбануклеінавыя (ДНК) і рыбануклеінавыя (РНК). Яны адрозніваюцца функцыямі, памерам і формай малекул, а таксама асаблівасцямі будовы нуклеатыдаў.

Нуклеатыды ДНК змяшчаюць астатак дэзоксірыбозы, а нуклеатыды РНК — рыбозы. Адсюль і назвы — дэзоксірыбануклеінавыя і рыбануклеінавыя кіслоты. Акрамя таго, азоцістая аснова тымін (Т) можа ўвахо­дзіць толькі ў састаў нуклеатыдаў ДНК, а урацыл (У) сустракаецца толькі ў нуклеатыдах РНК. Такім чынам, малекулы ДНК, гэтак жа як і РНК, змяшчаюць па чатыры тыпы нуклеатыдаў.

*Кавалентныя сувязі паміж нуклеатыдамі фарміруюцца наступным чынам. Гідраксільная група, далучаная да 3'-вугляроднага атама пентозы аднаго нуклеатыду, узаемадзейнічае з астаткам фосфарнай кіслаты, злучаным з 5'-атамам пентозы другога нуклеатыду. У выніку вылучаецца малекула дыгідрамонааксіду, і нуклеатыды злучаюцца так званай фосфаэфірнай сувяззю (мал 7.2).*

*Фосфаэфірная сувязь таксама прысутнічае ўнутры кожнага нуклеатыду: з яе дапамогай астатак фосфарнай кіслаты злучаны з 5'-вугляродным атамам пентозы. Таму можна сказаць, што нуклеатыды злучаны паміж сабой з дапамогай фосфадыэфірных мосцікаў.

Злучэнне нуклеатыдаў кавалентнымі сувязямі прыводзіць да фарміравання лінейнага полінуклеатыднага ланцуга. На адным яго канцы ёсць свабодная 3'-ОН група пентозы (гэта 3'-канец), а на другім — 5'-астатак фосфарнай кіслаты (5'-канец). Як да 3'-, так і да 5'-канца могуць далучацца іншыя нуклеатыды.

Кароткія ланцугі, якія змяшчаюць адносна невялікую колькасць нуклеатыдаў, напрыклад 5'АТТЦГААГ3', называюцца алігануклеатыдамі. Яны знаходзяць шырокае прымяненне ў малекульнай біялогіі, геннай інжынерыі і медыцыне. Алігануклеатыды атрымліваюць або з дапамогай ферментаў, што расшчапляюць нуклеінавыя кіслоты, або шляхам хімічнага сінтэзу.

У састаў малекул нуклеінавых кіслот, якія змяшчаюцца ў клетках жывых арганізмаў, уваходзіць вялікая колькасць нуклеатыдаў — ад некалькіх дзясяткаў да соцень мільёнаў. Такім чынам, нуклеінавыя кіслоты ўяўляюць сабой полінуклеатыды. Малекулы ДНК з'яўляюцца самымі буйнымі з малекул, уласцівых жывым арганізмам.*

Будова ДНК. У састаў малекулы ДНК уваходзяць два полінуклеатыдныя ланцугі. Яны злучаны паміж сабой мноствам вадародных сувязей, якія ўзнікаюць паміж азоцістымі асновамі нуклеатыдаў супрацьлеглых ланцугоў. *Гэтыя сувязі ўтвараюцца толькі ў тым выпадку, калі кожны нуклеатыд у адным ланцугу, умоўна кажучы, «перавернуты» ў адносінах да парнага яму нуклеатыду ў другім. Такая арыентацыя нуклеатыдаў прыводзіць да таго, што на кожным з канцоў двухланцужковай малекулы ДНК знаходзіцца 5'-канец аднаго ланцуга і 3'-канец другога (мал. 7.3). Як вы ўжо ведаеце на прыкладзе будовы малекул бялкоў, падобная арыентацыя ланцугоў называецца антыпаралельнай.*

*Структура азоцістых асноў і змяшчэнне ў іх атамаў, здольных утвараць вадародныя сувязі, такія, што пурынавая аснова можа злучыцца толькі з пірымідзінавай.*  Прычым у саставе двухланцуговай малекулы ДНК адэнін здольны фарміраваць вадародныя сувязі толькі з тымінам, а гуанін — толькі з цытазінам. У выніку гэтага ўзаемадзеяння паміж адэнінам і тымінам ўзнікаюць дзве вадародныя сувязі, а паміж гуанінам і цытазінам — тры (мал. 7.4). Такім чынам, нуклеатыды, якія ўваходзяць у састаў двух розных ланцугоў ДНК, узаемна дапаўняюць адзін аднаго, утвараючы строгія пары: А—Т і Г—Ц.

Такая адпаведнасць парных нуклеатыдаў называецца камплементарнасцю. Таму кажуць, што два ланцугі малекулы ДНК камплементарныя адзін аднаму,  паслядоўнасць нуклеатыдаў ў адным ланцугу строга вызначае парадак іх размяшчэнне ў другім. Напрыклад, калі ў адным  ланцугу нуклеатыды размяшчаюцца наступным чынам: 5'ГАЦАТЦ3 ', то ў другім  ланцугу іх паслядоўнасць будзе толькі такой: 3'ЦТГТАГ5'.

Прынцып камплементарнага размяшчэння азоцістых асноў вызначае асаблівую прасторавую структуру малекулы ДНК. За кошт утварэння вадародных сувязей два полінуклеатыдныя ланцугі закручваюцца адзін адносна другога, фарміруючы двайную спіраль дыяметрам каля 2 нм  (мал. 7.5). *Пры гэтым дыяметр спіралі застаецца аднолькавым на ўсёй працягласці малекулы.* Адзін віток спіралі мае дліну 3,4 нм і утрымлівае 10 пар нуклеатыдаў. Таму лінейная дліна адной нуклеатыднай пары складае 0,34 нм. Астаткі  дэзоксірыбозы і фосфарнай кіслаты, якія чаргуюцца, ўтвараюць цукрафасфатны каркас, размешчаны на перыферыі малекулы ДНК, а азоцістыя асновы знаходзяцца ўнутры спіралі.

*Пры змяненні ўмоў (напрыклад, пры павышэнні тэмпературы) ДНК можа праходзіць дэнатурацыю — так званае плаўленне. Пры гэтым вадародныя сувязі паміж азоцістымі асновамі разрываюцца і камплементарныя ланцугі аддзяляюцца адзін ад аднаго. Малекулы ДНК, у якіх пераважаюць Г–Ц пары, характарызуюцца большым утрыманнем вадародных сувязей, чым малекулы з перавагай А–Т пар, таму плавяцца пры больш жорсткіх умовах. Дэнатурацыя ДНК, як правіла, носіць абарачальны характар.*

Нуклеатыдны састаў ДНК упершыню колькасна прааналізаваў амерыканскі біяхімік Э. Чаргаф у 1950 г. Ім былі выяўлены заканамернасці суадносін нуклеатыдаў у двухланцуговай малекуле ДНК, якія пасля на­звалі правіламі Чаргафа.

1. Колькасць адэнілавых нуклеатыдаў у малекуле ДНК роўна колькасці тымідзілавых (А = Т), а колькасць гуанілавых — колькасці цыты­дзілавых (Г = Ц).

2. Лік пурынавых азоцістых асноў роўны ліку пірымідзінавых (А + Г = Т + Ц).

3. Сумарная колькасць адэнілавых і цытыдзілавых нуклеатыдаў роўна сумарнай колькасці тымідзілавых і гуанілавых нуклеатыдаў
(А + Ц = Т + Г).

У 1953 г. на аснове правіл Чаргафа і вы­нікаў даследаванняў малекул ДНК, атрыманых брытанскім вучоным М. Уілкінсам, амерыканскі біёлаг Д. Уотсан і брытанскі біяфізік Ф. Крык прапанавалі мадэль прасторавай структуры малекулы ДНК. У 1962 г. за распрацоўку гэтай мадэлі, якая атрымала назву «двайная спіраль», Д. Уотсан, Ф. Крык і М. Уілкінс былі ўдастоены Нобелеўскай прэміі.

*У клетках жывых арганізмаў ДНК змяшчаецца не ў выглядзе ўласна двайной спіралі, якая мае вялізную даўжыню і дыяметр 2 нм, а ў больш кампактным (кандэнсаваным) стане. Малекулы ДНК, узаемадзейнічаючы з асаблівымі бялкамі, утвараюць нуклеапратэінавыя структуры — храмасомы. У састаў кожнай з іх уваходзіць надзвычай доўгая малекула ДНК, асаблівым чынам упакаваная.

У цытаплазме бактэрыйнай клеткі змяшчаецца, як правіла, адна кальцавая храмасома. У клетках ядзерных арганізмаў (эўкарыёт) храмасомы маюць лінейны выгляд, г. зн. яны не замкнуты ў кольца, і іх колькасць вар'іруе ад 2 (у малярыйнага плазмодыя) да некалькіх тысяч, напрыклад у вялікім ядры некаторых відаў інфузорый.

У саматычных клетках чалавека знаходзіцца па 46 храмасом. У самых дробных з іх малекулы ДНК змяшчаюць прыкладна 50 млн пар нуклеатыдаў, у самых буйных — каля 250 млн. У некампактызаваным стане даўжыня гэтых малекул ДНК складала б ад 1,7 да 8,5 см. Аднак храмасомы чалавека, якія можна назіраць з дапамогай светлавога мікраскопа ў час дзялення клеткі (у гэты перыяд яны дасягаюць найбольш кампактнага стану), маюць даўжыню ўсяго 1,5—11 мкм.

Упакоўка малекулы ДНК у храмасому ва ўсіх эўкарыёт адбываецца падобным чынам у некалькі этапаў. Ключавую ролю ў гэтым працэсе адыгрываюць бялкі гістоны. На кожным этапе ўкладкі даўжыня ДНК памяншаецца ў некалькі разоў. Агульны вынік кандэнсацыі ДНК — скарачэнне малекулы прыкладна ў 10 000 разоў.*

Функцыі ДНК. У малекулах ДНК закадзіравана інфармацыя пра першасную структуру ўсіх бялкоў таго ці іншага арганізма. Счытванне гэтай інфармацыі з ДНК прыводзіць у канчатковым выніку да сінтэзу бялкоў, г. зн. ДНК забяспечвае захоўванне і рэалізацыю спадчыннай інфармацыі. Перад дзяленнем клеткі малекулы ДНК падвойваюцца. У час дзялення яны размяркоўваюцца паміж даччынымі клеткамі і перадаюць ім спадчынную інфармацыю ад мацярынскай. З курса біялогіі 10-га класа вы ведаеце, што ўсе формы размнажэння арганізмаў ажыццяўляюцца за кошт клетак — саматычных ці спецыялізаваных (спор, гамет). Дзякуючы малекулам ДНК, якія змяшчаюцца ў гэтых клетках, адбываецца перадача генетычнай інфармацыі ад аднаго пакалення да другога.

Такім чынам, функцыямі ДНК з’яўляюцца захоўванне і рэалізацыя спадчыннай інфармацыі арганізма, яе перадача даччыным клеткам пры дзяленні і нашчадкам пры размнажэнні. Іншымі словамі, ДНК уяўляе сабой генетычны матэрыял жывых арганізмаў.

Выдзяленне ДНК з банана

1. Змясціце ў шклянку 3 г кухоннай солі  ( чайнай лыжкі без горкі) і 10 мл мыйнага сродку (гэта можа быць вадкі сродак для мыцця бялізны, для посуду ці шампунь).
2. Даліце вадой да 100 мл і перамяшайце, каб соль растварылася. Лепш выкарыстоўваць дыстыляваную ваду, але таксама падыдзе пітная вада з бутэлькі ці вада з-пад фільтра.
3. Старанна разамніце відэльцам   мякаці банана, атрыманае пюрэ змясціце ў шклянку з растворм солі і мыйнага сродку. Замест банана можна выкарыстоўваць цыбулю, часнок ці памідор.
4. Усё добра перамяшайце і пакіньце на 15 мін.
5. Прафільтруйце сумесь праз двайны слой марлі.
6. Потым на паверхню атрыманага экстракту па сценцы шклянкі асцярожна напластуйце 20—30 мл халоднага этылавага ці ізапрапілавага спірту масавай доляй не менш за 70 %. Астудзіць спірт трэба загадзя.
7. Дайце сумесі адстояцца 5—10 мін.
   На мяжы падзелу бананавага экстракту і спірту з’явіцца белая маса ў выглядзе кольца. Гэта і ёсць ДНК. Яе можна выняць, акуратна наматаўшы на шкляную ці драўляную палачку.

● Чаму біялагічны матэрыял, з якога здабываецца ДНК, трэба старанна здрабніць?

● Як вы думаеце, для чаго ў працэсе выдзялення ДНК выкарыстоўваецца мыйны сродак?