ЕГЭ по Биологии. Дезоксирибонуклеиновая кислота(ДНК)

Как только генетика возникла как наука в начале XX столетия, ученые увлеклись поисками химической структуры генов. На протяжении жизни много­клеточного организма наполняющая гены информация копируется и передается от материнской клетки ее дочерним клеткам миллионы раз и переносится практически не измененной. Какой формы молекула могла бы быть способна к столь точной и почти неограниченной репликации и вместе с тем могла бы направлять развитие организма и обуславливать повседневную жизнь клетки? Какие предписания несет в себе генетическая информация? Каким образом может огромное количество информации, необходимой для развития и поддержания организма, помещаться в крошечном пространстве клетки?

Ответы на некоторые из этих вопросов начали прорисовываться в 1940-х гг. В это время в ходе изучения простых грибов исследователи обнаружили, что генетическая информация состоит преимущественно из инструкций приготовления белков.

Белки — это макромолекулы, которые выполняют большинство функций клетки: они служат стандартными блоками для построения клеточных структур и образуют ферменты, которые катализируют химические реакции клетки, они регулируют экспрессию генов, а также позволяют клеткам сообщаться друг с другом и двигаться.

Свойства и функции клетки в значительной степени определяются белками, кото­рые она способна производить. Если мысленно перемахнуть через пласты научных открытий, вздымающиеся между прошлым и настоящим, то трудно будет вообра­зить еще какие-либо инструкции сверх этих, могущие содержаться в генетической информации.

Усердные наблюдения над клетками и эмбрионами в конце XIX-го века привели к пониманию того, что наследственную информацию несут на себе хромо­сомы — нитевидные структуры в ядре эукариотической клетки, которые становят­ся видимыми с помощью световой микроскопии, когда клетка начинает делиться(рис.1).

Рисунок 1. Хромосомы в клетках.
а) Две смежные клетки растения, сфотографированные в оптический микроскоп. ДНК была окрашена флуоресцентным красителем (DAPI(4,6-диамино-2-фенилиндолдигидрохлорид)), который связывается с ней.
ДНК находится в хромосо­мах, которые становятся видимыми как обособленные структуры в световом микроскопе только тогда, когда они превращаются в компактные, вытянутые структуры в ходе подготовки к делению клетки, что по­казано в левой части изображения.
Помещенная справа клетка, которая не делится, содержит идентичные хромо­сомы, но их невозможно отчетливо различить в световом микроскопе на этой стадии жизненного цикла, потому что они находятся в более развернутой конформации;
б) Схематическое изображение очертаний этих двух клеток и находящихся в них хромосом.

Позже, когда стал возможен биохимический анализ, было установлено, что хромосомы состоят из дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) и белка. В те­чение многих десятилетий считалось, что ДНК попросту является структурным элементом. Однако следующей вехой научного прогресса, поставленной в 1940-е гг., было признание ДНК в качестве вероятного носителя генетической информации. Этот скачок в нашем понимании клеток был совершен благодаря исследованиям механизмов наследования у бактерий(рис. 2).

Рисунок 2. Первое экспериментальное подтверждение того, что именно ДНК является генетическим материалом.
Эксперименты, которые были проведены в 1940-х гг., показали, что добавление очищенной ДНК к бактерии изменяет ее свойства и это изменение в точности передается последующим поколени­ям. Два близкородственных штамма бактерии Streptococcus pneumoniae отличаются друг от друга и по внешнему виду под микроскопом, и по патогенности. Один штамм выглядит гладким (S) и вызывает смерть, будучи введен в организм мыши, а другой выглядит шероховатым (R) и несмертелен.
а) Исходный эксперимент по­казывает, что в штамме S присутствует некое вещество, способное изменить (или трансформировать) штамм R в штамм S, и что это изменение наследуется последующими поколениями бактерий;
б) Этот эксперимент, в ходе которого штамм R выдерживался с различными классами биомолекул, выделенных из штамма S, показал, что этим веществом является ДНК.

Но в начале 1950-х гг. все еще казалось полной загадкой и то, каким образом белки могли определяться инструк­циями, заложенными в ДНК, и то, как эта информация могла бы копироваться для передачи от клетки к клетке. Эта загадка была неожиданно разгадана в 1953 г., когда структура ДНК была верно предсказана Джеймсом Уотсоном и Фрэнсисом Криком. Как было упомянуто, двухцепочечная структура ДНК тотчас же решила задачу о том, как информация в этой молекуле могла бы копироваться, или реплицироваться. Она также дала первые ключи к решению вопроса о том, как молекула ДНК может использовать последовательность своих субъединиц для кодирования инструкций по изготовлению белков. Сегодня тот факт, что генети­ческим материалом является ДНК, настолько фундаментален для биологической мысли, что трудно оценить тот огромный пробел в наших представлениях о на­следственности, который был заполнен благодаря этому открытию.

Не­смотря на химическую простоту, структура и химические свойства ДНК делают ее идеально подходящей в качестве исходного материала для генов, потому что многочисленные белки в хромосомах приводят в порядок и упаковывают эту ДНК.
Упаковка при этом должна быть упорядоченной, чтобы хромосомы могли реплицироваться и правильно распределяться между двумя дочерними клетками при каждом делении материнской клетки. Она должна также обеспечивать доступ к хромосомной ДНК тем ферментам, которые восстанавливают ее, когда она повреждена, и тем специализированным белкам, которые направляют экспрессию всего множества ее генов. Упаковка ДНК изменяется по всей длине каждой хромосомы у эукариот, и как в особенностях укладки ДНК может сохраняться ценная летопись истории развития клетки.

За последние два десятилетия произошли кардинальные изменения в нашей способности определять точную последовательность субъединиц в молекулах ДНК. В результате этого мы теперь знаем порядка 3 миллиардов субъединиц ДНК, в ко­торых заложена информация о формировании взрослого человека из оплодотворен­ной яйцеклетки, равно как и последовательности ДНК тысяч других организмов.

Структура и функция ДНК

В 1940-е гг. биологам было трудно представить, каким образом ДНК могла быть генетическим материалом ввиду очевидной простоты ее химического строения. К тому времени было известно, что ДНК представляет собой длинный полимер, состоящий из субъединиц всего лишь четырех типов, которые к тому же обладают схожими химическими характеристиками.

В начале 1950-х гг. ДНК была иссле­дована при помощи рентгеноструктурного анализа — методики определения трех­мерной атомной структуры молекулы.
Первые результаты рентгеновского анализа показали, что ДНК состоит из двух полимерных нитей, закрученных в спираль. Тот факт, что ДНК является двухцепочечной молекулой, имел решающее значение и послужил одним из главных ориентиров, которые в сво­ей совокупности привели Уотсона и Крика к созданию модели структуры ДНК. Но только когда эта модель была предложена в 1953 г., стал очевиден потенциал ДНК для репликации и кодирования информации. В этом параграфе мы изучим структуру молекулы ДНК и объясним в общих чертах, что дает ей возможность хранить наследственную информацию.

Рисунок 3. Цепь ДНК и ее элементарные звенья.
ДНК состоит из нуклеотидов четырех типов, которые ковалентно связаны в полинуклеотидную цепь (нить ДНК), от сахаро-фосфатной основы которой отходят в сторону основания (A, C, G и T).
Молекула ДНК состоит из двух нитей ДНК, скрепленных друг с другом водородными связями между спаренными основаниями. Стрелки при концах цепей ДНК показывают их полярность, из чего можно видеть, что цепи в молекуле ДНК антипараллельны. На схеме в левом ниж­нем углу рисунка молекула ДНК показана выпрямленной; в действительности она закручена в двойную спираль, показанную справа.

Молекула ДНК состоит из двух комплементарных цепей ну­клеотидов

Молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) образована двумя длин­ными полинуклеотидными цепями, состоящими из нуклеотидных субъединиц четырех типов. Каждая из таких цепей известна как цепь ДНК, или нить ДНК. Водородные связи между входящими в состав нуклеотидов основаниями скрепля­ют эти две цепи друг с другом (рис. 3).

Нуклеотиды состоят из пятиуглеродного сахара, к которому присоединены одна или несколько фосфат­ных групп и азот-содержащее основание. В случае нуклеотидов ДНК сахар представлен дезоксирибозой, а к ней присоединена одна фосфатная группа (отсюда название «дезок­сирибонуклеиновая кислота»), а в качестве основания может выступать аденин (A), цитозин (C), гуанин (G) или тимин (T).
Нуклеотиды ковалентно связаны друг с другом в цепь через сахара и фосфаты, которые, соответственно, образуют «основную цепь» из чередующихся звеньев -сахар-фосфат-сахар-фосфат-. Поскольку субъединицы этих четырех типов отличаются только основанием, каждая полинуклеотидная цепь в ДНК походит на ожерелье (основная цепь) из нанизанных бусин четырех типов (четыре основания A, C, G и T). Эти же символы (A, C, G и T) обычно употребляются также и для обозначения четырех различных нуклеотидов, то есть оснований с присоединенными к ним сахарными и фосфатными группами.

Рисунок 4. Комплементарные пары оснований в двойной спирали ДНК. Формы и химическая структура оснований обеспечивают эффективное образование водородных связей только между парами оснований А-T и G-C; при этом атомы, которые способны образовывать водородные связи, могут быть сведены на близкое друг от друга расстояние без искажения двойной спирали.
Как показано, между А и T образуются две водородные связи, тогда как между G и C образуется три связи. Основания могут спариваться подобным образом, только если обе полинуклеотидные цепи, которые их содержат, антипараллельны друг другу.

Способ, которым нуклеотидные субъединицы соединены друг с другом, придает нити ДНК химическую полярность. Если представить каждый сахар как блок с выдающимся штырьком (5'-фосфат) на одной стороне и с гнездом (3'-гидроксил) на другой (см. рис. 3), то в любой завершенной цепи, образованной путем сочленения штырьков с гнездами, все субъединицы будут выстроены в ряд в одной и той же ориентации. Более того, оба конца такой цепи будут легко различимы, поскольку на краю одного будет зиять свободное гнездо (3'-гидроксил), а на оконечности другого — торчать штырек (5'-фосфат). При ссылках на такого рода полярность в цепи ДНК один конец называют 3'-концом, а другой — 5'-концом.

Трехмерная структура ДНК — двойная спираль — обусловлена химическими и структурными особенностями двух ее полинуклеотидных цепей. Так, обе эти цепи скрепляются вместе водородными связями между находящимися друг против друга основаниями из различных нитей, при этом все основания находятся во внутренней части двойной спирали, а сахарофосфатные основные цепи располагаются с внеш­ней ее стороны (рис. 3). Во всех случаях более громоздкое двуциклическое основание спаривается с меньшим по «габаритам» одноциклическим основанием (пиримидином); А всегда образует пару с T, а G — с C (рис. 4).
Такое комплементарное спаривание оснований позволяет природе упаковывать пары оснований в энергетически наиболее благоприятном расположении - в сердцевине двойной спирали. При таком раскладе каждая пара оснований имеет практически одинаковую ширину, благодаря чему сахарофосфат- ные основные цепи удерживаются на равном расстоянии одна от другой на всем протяжении молекулы ДНК. Ради пущего умножения эффективности упаковки пар оснований обе сахарофосфатные основные цепи закручиваются друг вокруг друга и образуют двойную спираль с одним полным витком на каждые десять пар оснований (рис. 5).

Рисунок 5. Двойная спираль ДНК. а) Объемная модель полутора витков двойной спирали ДНК. Каждый виток ДНК состоит из 10,4 пар нуклеотидов, а расстояние между центрами смежных пар нуклеотидов — 0,34 нм.
В результате обвития обеих цепей друг вокруг друга по двойной спирали бегут две бороздки: более широкую бороздку называют большой бороздкой, а меньшую — малой бороздкой;
б) Короткий отрезок двойной спирали, показанный сбоку, охватывает четыре пары оснований. Нуклеотиды ковалент­но связаны между собой посредством фосфодиэфирных связей, которые соединяют 3'-гидроксильную группу (-ОН) одного сахара с 5 '-фосфатной группой следующего сахара. Таким образом, каждая из по- линуклеотидных цепей обладает химической полярностью, то есть два ее конца химически различны. 5'-конец полимера ДНК в соответствии с общепринятой системой обозначений часто изображают с фосфатной группой, а на 3'-конце показывают гидроксил.

Члены каждой пары оснований могут совместно уместиться в пределах сечения двойной спирали, только если обе цепи спирали будут антипараллельны, то есть если полярность одной нити ориентирована противоположно полярности другой нити (см. рис. 3 и 4). Вследствие этих требований к спариванию оснований нуклеотидная последователь­ность каждой из двух цепей молекулы ДНК является в точности комплементарной последовательности ну­клеотидов второй свитой с нею цепи.

В структуре ДНК заложен сам меха­низм наследственности

Гены несут биологическую информацию, которая должна точно копироваться для передачи следующе­му поколению каждый раз, когда клетка делится с образованием двух дочерних клеток. Исходя из этих требований возникают два ключевых вопроса био­логии: каким образом информация, необходимая для описания строения организма, может кодироваться в химической форме и каким образом она может быть точно скопирована? Открытие структуры двойной спирали ДНК явилось путеводной вехой для биологии XX столетия, потому что оно дало прямые ответы на оба вопроса и таким образом объяснило молекулярную основу наследственности. В этом параграфе мы кратко обсуждаем эти ответы, но в последующих главах книги исследуем их намного скрупулезнее.

Информация в ДНК закодирована собственно по­рядком следования, или последовательностью нуклео­тидов в обеих цепях. Каждое основание: A, C, T или G — можно рассматривать как букву четырех символь­ного алфавита, которым описываются биологические сообщения, заложенные в химической структуре ДНК. Как мы увидели в главе 1, организмы отличаются один от другого потому, что их соответствующие молекулы ДНК имеют различные последовательности нуклеотидов и, следовательно, несут различные биологические сообщения. Но как алфавит нуклеотидов используется для составления таких сообщений, и что в них написано?

Как обсуждалось выше, задолго до того, как определили структуру ДНК, было известно, что гены содержат инструкции для производства белков. Отсюда ясно, что сообщения, записанные в ДНК, тем или иным образом кодируют белки(рис. 6).

Эта связь сразу же облегчает поиск ответа на вышеозначенный вопрос; свойства любого белка, которые определяют его био­логическую функцию, обусловлены его трехмерной структурой. Эта структура определяется, в свою очередь, линейной последовательностью аминокислот, из которых он состоит.
Поэтому линейная последовательность нуклеотидов в гене должна так или иначе описывать линейную последовательность аминокислот в белке. Структура ДНК не говорит прямо о существовании точного соответствия между четырех-буквенным алфавитом нуклеотидов ДНК и двадцати-буквенным алфавитом аминокислот белков — генетического кода, — и прошло десятилетие после открытия двойной спирали, прежде чем его удалось установить.
Этот процесс известен под названием экспрессии генов, посредством которого клетка преобразует нуклеотидную после­довательность гена сначала в нуклеотидную последовательность молекулы РНК, а затем в аминокислотную последовательность белка.

Полный набор информации в ДНК организма называют его геномом, и он несет в себе информацию обо всех белках и молекулах РНК, которые организм когда- либо будет синтезировать. (Термин «геном» употребляется также и для описания ДНК, которая несет эту информацию.) Количество информации, содержащейся в геномах, колеблется: например, типичная диплоидная клетка человека содержит 2 метра двойной спирали ДНК. Записанная в виде четырех-буквенного нуклеотидного алфавита, последовательность нуклеотидов одного очень маленького гена человека занимает четверть страницы текста(рис. 7), тогда как полная последовательность нуклеотидов генома человека заполнила бы более тысячи книг размером с эту. В дополнение к важной информации другого рода, она несет инструкции примерно для 24 000 различных белков.

Рисунок 7. ДНК как матрица для дублирования самой себя.
Поскольку нуклеотид А успешно спаривается только с T, а G — с C, каждая из цепей ДНК может быть использована в качестве матрицы для задания последовательности нуклеотидов в комплементарной ей цепи.
За счет этого двухцепочечная ДНК может копироваться с необходимой точностью и каждая из родительских спиралей ДНК давать начало двум идентичным дочерним спиралям дезоксирибонуклеиновой кислоты.

При каждом делении клетка должна копировать содержащийся в ней геном, чтобы передать его обеим дочерним клеткам. Открытие структуры ДНК раскрыло также и принцип, благодаря которому такое копирование становится возможным: поскольку каждая из нитей ДНК содержит последовательность нуклеотидов, кото­рая является точно комплементарной последовательности нуклеотидов спаренной с нею нити, каждая из них может служить матрицей, или шаблоном, для синтеза новой комплементарной нити. Другими словами, если мы обозначим две нити ДНК как S и S', то нить S может служить матрицей для изготовления новой нити S', а нить S' может служить матрицей для создания новой нити S(рис. 7). Таким образом, заключенная в ДНК генетическая информация может быть точно скопи­рована до гениальности простым процессом, в ходе которого нить S отделяется от нити S' и каждая из отделившихся нитей затем служит матрицей для производства новой комплементарной нити-напарницы, которая является идентичной прежней партнерше.

Способность каждой из цепей молекулы ДНК выступать в качестве матрицы для «производства» комплементарной цепи позволяет клетке копировать, или репли­цировать, хранимый в ее составе геном перед передачей его потомкам.

У эукариот ДНК заключена в ядре клетки

Почти вся ДНК в клетке эукариот заключена в ядре, которое во многих клетках занимает около 10 % общего объема клетки. Эта полость ограничена ядерной оболочкой, образованной двумя концентрическими мембранами из двойного липидного слоя(рис. 8). Эти мембраны проколоты через определен­ные промежутки большими ядерными порами, через которые происходит перенос молекул между ядром и цитозолем. Оболочка ядра непосредственно соединена с раскинувшимися в объеме клетки мембранами эндоплазматической сети. И она механически поддерживается сетью промежуточных нитей, называемой ядерной пластинкой, которая образует тонкую листоподобную сетчатую структуру, рас­положенную сразу под внутренней ядерной мембраной (см. рис. 8, б).

Рисунок 8. Поперечный срез типичного ядра клетки.
а) Электронный снимок тонкого среза ядра фибробласта человека;
б) Схема, показывающая, что ядерная оболочка состоит из двух мембран, наружная плавно переходит в мембрану ЭПС. Пространство внутри эндоплазматической сети окрашено желтым; оно непосредственно связано с пространством между обеими ядерными мембранами. Двойные липидные слои внутренней и внешней ядерных мембран соединяются друг с другом через стенки всех ядерных пор. Подобная листу сеть промежуточных нитей внутри ядра создает механическую опору ядерной обо­лочке, образуя специальную поддерживающую структуру, называемую ядерной пластинкой.

Ядерная оболочка позволяет многим белкам, которые взаимодействуют с ДНК, скапливаться в тех местах внутриклеточного пространства, где они необходимы, и, как мы увидим в последующих главах, она также удерживает ядерные и цито­зольные ферменты отдельно друг от друга, что крайне важно для надлежащего функционирования клеток эукариот. Разделение пространства клетки на полости, или компартментализация, примером чего служит ядро, является важным прин­ципом биологии; это необходимо для обеспечения среды, в которой протекание биохимических реакций облегчается за счет высокой концентрации и субстратов, и ферментов, которые на них воздействуют. Кроме того, такое обособление простран­ственных областей препятствует ферментам, необходимым в одной части клетки, попадать в выстроенные биохимические пути в другой ее части.

Заключение

Генетическая информация содержится в линейной последовательности нуклеотидов ДНК. Все молекулы ДНК суть двойные спирали, образованные из двух комплементарных нуклеотидных цепей, скрепляемых одна с другой водородными связями межу парами оснований G—C и А—T. Дублирование гене­тической информации происходит путем использования одной из цепей ДНК в качестве матрицы Для формирования комплементарной ей цепи. Генетическая информация, хранимая в ДНК организма, содержит инструкции для всех белков, которые организм будет когда-либо синтезировать, и, как говорят, составляет его геном. У эукариот ДНК расположена в ядре клетки — крупном, окруженном мембраной компартменте.

Источник: "Molecular biology of the cell. Fifth edition. 2012"