БУДОВА, ВЛАСТИВОСТІ . ТА ФУНКЦІЇ ДНК
Пригадайте: які речовини відносять до моносахаридів, біополімерів? Де в клітинах зберігається спадкова інформація? Які організми називають еукаріотами та прокаріотами? Які процеси називають денатурацією, ренатурацією та деструкцією? Що ви знаєте про антитіла та антигени?
• Будова ДНК. Молекули ДНК у клітинах еукаріотів містяться в ядрі, пластидах і мітохондріях, а прокаріотів - в особливих ділянках цитоплазми. Розшифрування структури ДНК має свою історію. 1950 року американський учений українського походження Ервін Чаргафф (1905-2002) та його колеги виявили певні закономірності кількісного вмісту нітратних основ у молекулі ДНК:
по-перше, кількість нуклеотидів, що містять аденін у будь-якій молекулі ДНК, дорівнює числу нуклеотидів, які містять тимін (А = Т), а число нуклеотидів з гуаніном - числу нуклеотидів з цитозином (Г = Ц);
по-друге, сума нуклеотидів з аденіном і гуаніном дорівнює сумі нуклеотидів з тиміном і цитозином (А + Г = Т + Ц). Як ви же знаєте, це відкриття сприяло встановленню в 50-х роках ХХ ст. просторової структури молекули ДНК (мал. 12.1).
Мал. 12.1. Молекула ДНК:
1 - схема будови; 2 - просторова модель;
зверніть увагу: між комплементарними нуклеотидами Г-Ц
утворюються три водневі зв’язки, а між А-Т - лише два. Обидва ланцюги
ДНК закручені навколо спільної осі, а також один навколо іншого
Молекула ДНК складається з двох ланцюгів нуклеотидів, які сполучаються між собою за допомогою водневих зв’язків. Ці зв’язки виникають між двома нуклеотидами, які ніби доповнюють один одного за розмірами. Встановлено, що залишок аденіну (А) нуклеотиду одного ланцюга молекули ДНК завжди сполучається із залишком тиміну (Т) нуклеотиду іншого ланцюга (між ними виникає два водневі зв’язки), а гуаніну (Г) - з цитозином (Ц) (між ними виникає три водневі зв’язки).
Чітка відповідність нуклеотидів у двох ланцюгах ДНК має назву комплементарність (від лат. комплементум - доповнення). При цьому два ланцюги нуклеотидів обвивають один одного, створюючи закручену вправо спіраль діаметром приблизно 2 нм [1 нм (нанометр) дорівнює 1 • 10- 6 мм]. Так виникає вторинна структура молекули ДНК, тоді як первинна - це певна послідовність залишків нуклео- тидів, розташованих у вигляді подвійного ланцюга. При цьому окремі нуклеотиди сполучаються між собою в ланцюжок за рахунок особливого різновиду міцних ковалентних зв’язків, які виникають між залишком вуглевода одного нуклеотиду та залишком ортофосфатної кислоти іншого.
Молекули ДНК у клітині становлять компактні структури. Наприклад, довжина ДНК найбільшої хромосоми людини дорівнює 8 см, але вона скручена таким чином, що вміщується в хромосомі завдовжки 5 мкм. Це відбувається завдяки тому, що дволанцюгова спіраль ДНК зазнає подальшого просторового ущільнення, формуючи третинну структуру - суперспіраль. Така будова характерна для ДНК хромосом еукаріотів і зумовлена взаємодією між ДНК та ядерними білками. У ядерній зоні клітин прокаріотів молекула ДНК має кільцеву будову.
Отже, запам’ятайте: у клітинах прокаріотів та еукаріотів молекули ДНК завжди складаються з двох ланцюгів.
• Властивості ДНК. Так само як і молекули білків, молекули ДНК здатні до денатурації та ренатурації, а також деструкції. За певних умов (дія кислот, лугів, високої температури тощо) водневі зв’язки між комплементарними нітратними основами різних ланцюгів молекули ДНК розриваються. При цьому молекула ДНК повністю або частково розпадається на окремі ланцюги й відповідно втрачає свою біологічну активність. Після припинення дії негативних чинників структура молекули може відновлюватися завдяки поновленню водневих зв’язків між комплементарними нуклеотидами.
Важлива властивість молекул ДНК - їхня здатність до самоподвоєння. Це явище ще називають реплікацією. Воно ґрунтується на принципі комплементарності: послідовність нуклеотидів у новоствореному ланцюзі визначається їхнім розташуванням у ланцюзі материнської молекули ДНК. При цьому ланцюг материнської молекули ДНК слугує матрицею.
Реплікація ДНК - напівконсервативний процес, тобто дві дочірні молекули ДНК містять по одному ланцюгу, успадкованому від материнської молекули, і по одному - синтезованому заново (мал. 12.2). Завдяки цьому дочірні молекули ДНК є точною копією материнської. Це явище забезпечує точну передачу спадкової інформації від материнської молекули ДНК дочірнім.
• Функції ДНК. Основні функції ДНК - це кодування, збереження та реалізація спадкової інформації, передача її дочірнім клітинам при розмноженні. Зокрема, окремі ланцюги молекули ДНК слугують матрицею для синтезу різних типів молекул РНК (мал. 12.3). Цей процес називається транскрипцією.
Одиницею спадковості всіх організмів є ген - ділянка молекули ДНК (у деяких вірусів - РНК), який несе спадкову інформацію про структуру певного білка або нуклеїнової кислоти. Отже, саме ДНК кодує і зберігає спадкову інформацію в організмі і забезпечує її передачу дочірнім клітинам під час поділу материнської. Функціонально ген - цілісна одиниця спадковості, бо будь-які порушення його будови змінюють закодовану в ньому інформацію або призводять до її втрати.
Гени поділяють на структурні, які кодують структуру білків і рибонуклеїнових кислот, та регуляторні, що слугують місцем приєднання ферментів та інших біологічно активних речовин.
Мал. 12.2. Процес самоподвоєння молекули ДНК:
за участі ферменту розшиваються водневі зв’язки (1) і
на кожному материнському ланцюзі за принципом комплементарності
добудовується дочірній (2)
Мал. 12.3. Синтез молекули РНК (1) на одному з
ланцюгів молекули ДНК (2). Ці процеси забезпечує специфічний фермент -
РНК-полімераза (3)
Ці речовини впливають на активність структурних генів і беруть участь у процесах подвоєння ДНК та переписування спадкової інформації на молекули РНК.
Сукупність генетичної інформації, закодованої в генах певної клітини або цілісного організму, має назву геном. Це цілісна інтегрована система, де окремі гени взаємодіють між собою.
Кількість генів у різних організмів значно коливається. Найпростіше організований геном вірусів, у якому від одного до кількох сотень структурних генів. Геном прокаріотів має складнішу будову і включає як структурні, так і регуляторні гени. З’ясовано, що в бактерії кишкової палички молекула ДНК складається з 3 800 000 пар нуклеотидів, а структурних генів у неї - близько тисячі. Встановлено також, що майже половина довжини молекули ДНК кишкової палички зовсім не несе генетичної інформації.
Геном еукаріотів має ще складнішу структуру: кількість ДНК у їхньому ядрі більша, а отже, більша й кількість структурних і регуляторних генів.
Дослідження геному різноманітних еукаріотів показало, що кількість ДНК в їхньому ядрі перевищує необхідну для кодування всіх структурних генів у багато разів. Причини цього явища різні. По-перше, ДНК містить чимало послідовностей, кожна з яких повторюється до сотень тисяч разів. По-друге, значна частина ДНК взагалі не несе генетичної інформації. По-третє, присутня велика кількість регуляторних генів.
У деяких випадках неінформаційні (некодуючі) ділянки молекули ДНК можуть становити 80-90 %, тоді як ті, що кодують структуру білків чи РНК, - тільки 10-20 %. Ділянки некодуючої ДНК виявлено у складі структурних генів. Було доведено, що ген складається з окремих блоків (частин). Одні з них копіюються в іРНК і несуть інформацію про структуру певних сполук, а інші - ні.
Отже, запам’ятайте, гени еукаріотів мають мозаїчну будову: ділянки генів, які кодують спадкову інформацію, називають екзонами, ті, що не кодують, - інтронами. Окремі інтрони можуть уміщувати від 100 до 1 000 000 нуклеотидних пар і більше. Кількість інтронів усередині генів різна: у гені гемоглобіну - 2, яєчного білка - 7, білка-колагену курки - 51. Кількість і розташування інтронів специфічні для кожного гена.
Раніше вважали, що гени мають чітко визначене місце в складі молекули нуклеїнової кислоти. Але в 60-х роках ХХ ст. було виявлене переміщення фрагментів ДНК з однієї ділянки до іншої. Якщо такий фрагмент опиняється в кодуючій послідовності нуклеотидів певного гена, то цей ген втрачає свою функцію. Якщо ж такий стрибаючий ген опиняється поруч з іншим, то його функції можуть змінитися. Вважають, що існують генетичні програми, які зумовлюють перебудову окремих ділянок молекули ДНК.
У певних випадках самочинна перебудова молекул ДНК може мати для організму важливе значення. Наприклад, молекулярний аналіз показав, що різноманітність антитіл у ссавців і людини може бути зумовлена саме цим явищем.
Утім, ушкоджені молекули ДНК здатні відновлюватися. При цьому за участі специфічних ферментів ушкоджені ділянки ДНК вирізаються, а на їхньому місці за допомогою іншого ферменту (ДНК-полімерази) відновлюється відповідна послідовність нуклеотидів. Ще один фермент допомагає вбудувати відновлений фрагмент у ланцюг ДНК. Цей процес дістав назву репарація (від лат. репаратіон - відновлення).
Коротко про головне
Молекула ДНК складається з двох ланцюгів нуклеотидів, які сполучаються між собою за допомогою водневих зв’язків. Чітка відповідність нуклеотидів у ланцюгах ДНК, між якими виникають водневі зв’язки, має назву комплементарність.
Молекули ДНК здатні до денатурації та ренатурації, а також деструкції. Вони також здатні до реплікації - самоподвоєння.
Основні функції ДНК - це кодування, збереження та реалізація спадкової інформації, передача її дочірнім клітинам при розмноженні.
Гени поділяють на структурні, які кодують структуру білків і рибонуклеїнових кислот, та регуляторні, що слугують місцем приєднання ферментів та інших біологічно активних речовин.
Реплікація - це подвоєння: клітина від клітини
Як ніде точно
Найцікавішим і базовим для всіх інших видів вважається ДНК-реплікація. Це процес, що відбувається протягом декількох стадій, на кожній з яких точність критична, адже неточність спровокує синтез абсолютно неправильного білка, непридатного для використання в клітці і в організмі в цілому.
Початок почав
Реплікація клітини починається з подвоєння ДНК, яке має наслідком подвоєння хромосом. Але реплікація - це наріжний камінь всього процесу. Він складається з трьох стадій: по-перше, ініціація, по-друге, елонгація, по-третє, термінация. Робота ферментів починається з особливих точок - реплікаторів і тільки з них. Початок в неправильному місці спотворило б весь процес. Фермент-каталізатор активує особливі білки, що формують пререплікаціонний комплекс, необхідний для подвоєння ДНК. Перед розмноженням ДНК розрізається на дві частини спеціальними ферментами.
Доповнююча ланцюжок
При елонгації на матриці будується комплементарная материнської ланцюг. Тобто така, яка потім може сформувати цілісну молекулу. Процес закінчується термінації, яка теж відбувається в певній точці. Існує особлива одиниця - реплікон. Це той фрагмент ДНК, який відбудовується за раз. Реплікація ДНК - основа, без неї неможлива реплікація хромосом. Остання відбувається тоді, коли клітина готується до поділу.
Білок як ознака
Починається подвоєння хромосоми буквально через кілька годин після того, як відбулося подвоєння ДНК. Щоб відбудувалася хромосома, потрібні не тільки нові комплекти дезоксирибонуклеїнової кислоти, але ще й білки, що входять до складу хромосомного апарату, а їх синтез вимагає часу. Прискорена реплікація - це ознака онкологічних захворювань. Якщо виявляється занадто багато білка, характерного для інтенсивного ділення клітин, лікар починає бити тривогу.
Простору досить
Є в процесі реплікації цікава особливість - у просторі ядра точки синтезу нових ДНК розташовані досить рівномірно, таким чином, не відбувається спотворень, які могло б спровокувати взаємний вплив. Точок досить багато, як правило, півтора-два десятка.
Як саме будуть організовані хромосоми, залежить від того, відбувається в клітці мітоз або мейоз. У першому випадку в утворилася клітці буде звичайний набір, у другому - половинчастий. Адже половину, що залишилася принесе клітина другого партнера в статевому розмноженні. Якщо ж у мейозі раптом вийде повний набір, статева клітина або буде нежиттєздатною, або відбудеться зачаття хворої дитини. Втім, такі діти все одно найчастіше не народжуються, відбувається викидень на ранній стадії вагітності, які мати може прийняти за місячні або овуляційний кровотеча в середині циклу.
Немає коментарів:
Дописати коментар