§ 7. Нуклеінавыя кіслоты. Будова і функцыі ДНК

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'.

Для запамінання камплементарных нуклеатыдаў можна выкарыстоўваць мнеманічнае правіла «вАТ і ГерЦ» або асацыяцыі. Напрыклад: «Агрэсіўны Тыгр і Глупае Цяля» або «Апельсін на Талерцы, Цецярук у Гняздзе». Слова «пурГА» нагадвае пра тое, што да пурынавых асноў належаць гуанін (Г) і адэнін (А). Такім чынам, астатнія азоцістыя асновы з’яўляюцца пірымідзінавымі.

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).

*Першае правіла Чаргафа тлумачыцца прынцыпам спарвання камплементарных азоцістых асноў: адэнін утварае пару з тымінам, а гуанін — з цытазінам. Другое і трэцяе правілы можна вывесці з першага.

Абазначым А і Т як  x, Г і Ц — як у. Тады А = Т, Г = Ц запішацца ў выглядзе  x = x, y = y.

Відавочна, што x + y = x + y. Значыць, А + Г = Т + Ц (другое правіла), А + Ц = Т + Г (трэцяе правіла).

Разам з тым, у малекулах ДНК лік Г—Ц пар, як правіла, не роўны ліку А—Т пар. Нуклеатыдны састаў ДНК у арганізмаў розных груп спецыфічны. Гэту асаблівасць адлюстроўваюць суадносіны  — каэфіцыент спецыфічнасці ДНК. Калі ў малекулах ДНК пераважаюць А—Т пары, то каэфіцыент спецыфічнасці будзе меншым за 1, калі Г—Ц пары — большым за 1.

Вызначана, што ў жывёл і раслін каэфіцыент спецыфічнасці ДНК меншы за 1 і звычайна складае ад 0,54 да 0,94 (так званы АТ-тып ДНК). У мікраарганізмаў гэты каэфіцыент вар'іруе ў значных межах — ад 0,4 да 2,8. Аднак у большасці бактэрый і вірусаў ён перавышае 1 (ГЦ-тып ДНК). Вядомы таксама арганізмы, ДНК якіх змяшчае амаль аднолькавую колькасць А—Т і Г—Ц пар. Напрыклад, каэфіцыент спецыфічнасці ДНК бактэрыі кішачнай палачкі прыкладна роўны 1.*

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.*

*У бактэрый малекула ДНК, якая ўваходзіць у састаў храмасомы, таксама кампактызуецца. Аднак укладка бактэрыяльнай ДНК ажыццяўляецца іншым спосабам, не так, як у эўкарыёт. Акрамя таго, у гэтым працэсе ўдзельнічаюць не гістоны (яны адсутнічаюць у пракарыёт), а іншыя бялкі.*