Строение молекулы ДНК

ДНК – молекула наследственности, ген – отрезок молекулы ДНК. ДНК способна самовоспроизводиться, передавать в поколениях клеток или организмов содержащуюся в ней информацию. Данные способности обусловлены особенностями химической структуры.Молекула нуклеиновой кислоты представляет собой полимер (полинуклеотид), состоящий из последовательно соединенных друг с другом мономеров (нуклеотидов). В свою очередь, каждый нуклеотид представляет собой соединение, в котором присутствуют три различные молекулы: остаток фосфорной кислоты (фосфат), углевод (пентоза) и азотистое основание (пуриновое либо пиримидиновое).

Следует отметить, что нуклеотиды молекул ДНК (дезоксирибонуклеотиды) содержат углевод дезоксирибозу и одно из четырех азотистых оснований – аденин (А), гуанин (Г), тимин (Т) и цитозин (Ц), первые два из которых являются производными пурина, а два последних — производными пиримидина. Помимо ДНК, в клетках человека присутствует другая нуклеиновая кислота - РНК. В состав нуклеотидов РНК (рибонуклеотидов) входит другая пентоза (рибоза) и также одно из четырех азотистых оснований – аденин, гуанин, урацил (У) и цитозин (вместо тимина здесь включается пиримидиновое основание урацил). Поскольку в составе молекулы пентозы имеется 5 атомов углерода, то каждый из них можно пронумеровать индексом от 1' до 5'. В каждом нуклеотиде присоединение азотистого основания происходит к первому углеродному атому ( 1' ) пентозы с помощью гликозидной связи. Соединение, состоящее из углевода (пентозы) и азотистого основания, называется нуклеозидом.

Формирование линейной полинуклеотидной цепочки (первичной структуры молекулы нуклеиновой кислоты) происходит при соединении пентозы одного нуклеотида с фосфатом другого нуклеотида путем образования фосфодиэфирной связи. При этом в зависимости от порядкового номера углеродного атома (3' либо 5') концевой молекулы пентозы, участвующего в образовании фосфодиэфирной связи с фосфатом, такая цепочка имеет маркированный 3'-конец и 5'-конец. Таким образом, нуклеотидные цепи ДНК полярны. Последовательность нуклеотидных оснований принято записывать в направлении от 5'- к 3'-концу. Две нити ДНК антипараллельны друг другу, так как идут в противоположных направлениях 5'-концу одной цепи соответствует 3'-конец другой цепи.

В 1953 г Уотсон и Крик опубликовали историческую статью о физической структуре ДНК. Согласно модели молекула ДНК представляет собой двойную спираль. ДНК человека – правозакрученная спираль (В-форма). Каждая спираль обвивается вокруг другой спирали вдоль общей оси. состоит из двух полинуклеотидных цепочек (нитей, тяжей), соединенных друг с другом с помощью поперечных водородных связей между азотистыми основаниями по комплементарному принципу: аденин одной цепочки соединен двумя водородными связями с тимином противоположной цепочки, а гуанин и цитозин разных цепочек соединены друг с другом тремя водородными связями. Это свойство нуклеотидов комплементарно спариваться обеспечивает основу для точного воспроизведения последовательности нуклеотидов каждой цепи ДНК, или конвариантной редупликации.

Правило Чаргафа: в любой молекуле ДНК количество пуринов соответствует количеству пиримидинов (А = Т и Г = Ц).

Молекулы РНК в зависимости от их структурно-функциональных особенностей подразделяют на несколько типов: информационные (матричные) РНК (иРНК, или мРНК), рибосомные РНК (рРНК), транспортные РНК (тРНК), малые ядерные РНК (мяРНК) и др. В отличие от ДНК молекулы РНК всегда являются одноцепочечными (однонитевыми). Однако они могут формировать более сложные (вторичные) конфигурации за счет комплементарного соединения отдельных участков такой цепочки на основе взаимодействия комплементарных азотистых оснований (А–У и Г–Ц). В качестве примера можно рассмотреть такую конфигурацию, имеющую форму «листа клевера», для молекулы фенилаланиновой транспортной РНК.

Репликация ДНК – воспроизведение нити ДНК в соответствии с принципами комплиментарности. Репликация проходит в три этапа: инициация репликации, элонгация, терминация репликации.

Регуляция репликации осуществляется в основном на этапе инициации. Репликация может начинаться со строго определённого участка - сайта инициации репликации. Репликон - это участок ДНК, который содержит сайт инициации репликации и реплицируется после начала синтеза ДНК с этого сайта. Геном человека состоит из большого числа самостоятельных репликонов, это значительно сокращает суммарное время репликации отдельной хромосомы. Молекулярные механизмы, которые контролируют количество актов инициации репликации в каждом сайте за один цикл деления клетки, называются контролем копийности.

Инициация репликации. Фермент хеликаза разрывает слабые водородные связи, которые соединяют между собой нуклеотиды двух цепей. В результате цепи ДНК разъединяются, формируется репликационная вилка. Молекула ДНК жестко закреплена на ядерном матриксе и не может свободно вращаться при расплетании какого-либо участка. Это блокирует продвижение хеликазы по цепи. Топоизомераза надрезает нити ДНК и снимает структурное напряжение.

Элонгация. Особый фермент ДНК-полимераза начинает двигаться вдоль свободной цепи ДНК от 5’ к 3’ – концу (лидирующая нить), помогая присоединиться свободным нуклеотидам, постоянно синтезируемым в клетке, к 3’-концу вновь синтезируемой цепи ДНК. Репликационная вилка движется со скоростью порядка 500—5000 пар нуклеотидов в минуту у эукариот. На второй нити ДНК (отстающая нить) новая ДНК образуется в виде небольших сегментов, состоящих из 1000-2000 нуклеотидов (фрагменты Оказаки). Для начала репликации фрагментов этой нити требуется синтез коротких фрагментов РНК как затравок, для чего используется особый фермент – РНК-полимераза (праймаза). Впоследствии праймеры РНК удаляются, в образовавшиеся бреши встраивается ДНК с помощью ДНК полимеразы І. Образованные соседние фрагменты ДНК соединяются ДНК-лигазой.

Терминация репликации происходит: пробелы между фрагментами Оказаки заполнятся нуклеотидами с образованием двух непрерывных двойных цепей ДНК; встречаются две репликативные вилки; встречается стоп-кодон. Затем происходит закручивание синтезированных ДНК с образованием суперспиралей.

Правильность репликации обеспечивается точным соответствием комплементарных пар оснований и действием ДНК-полимераз, которые обладают кроме полимеразной, еще и экзонуклеазной активностью и способны распознавать и исправлять ошибки. Если включается некомплементарный нуклеотид, то фермент делает шаг назад, отщепляет его и продолжает полимеразную реакцию. Поэтому процесс репликации является высокоточным. После завершения репликации происходит метилирование ДНК по аденину в последовательности –GАТС- (с образованием N-метиладенина) и остаткам цитозина с образованием 5-метилцитозина. Метилирование не нарушает комплементарности цепей и является необходимым для формирования структуры хромосом и регуляции транскрипции генов.

Таким образом, каждая цепь ДНК используется как матрица или шаблон для построения комплементарной цепи, и репликация ДНК является полуконсервативной (т.е. одна нить в новой молекуле ДНК – «старая», а вторая – «новая»).

Дата добавления: 2015-07-12