Дезоксирибонуклеиновая кислота¶

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) — высокомолекулярное природное соединение, один из двух типов нуклеиновых кислот (наряду с рибонуклеиновой кислотой, РНК), обеспечивающих хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов. У всех клеточных организмов и у многих вирусов ДНК выполняет функцию носителя наследственной информации.

¶Химическое строение

Молекула ДНК представляет собой линейный или кольцевой биополимер, мономером которого является нуклеотид. Каждый нуклеотид состоит из трёх компонентов: азотистого основания, пятиуглеродного сахара (дезоксирибозы) и остатка фосфорной кислоты.

Азотистые основания относятся к двум классам: пуриновые (аденин и гуанин) и пиримидиновые (цитозин и тимин). Сахар, входящий в состав ДНК, — 2-дезоксирибоза, что отличает её от РНК, содержащей рибозу. Нуклеотиды соединяются между собой в полинуклеотидную цепь через фосфодиэфирные связи между остатком фосфорной кислоты одного нуклеотида и гидроксильной группой дезоксирибозы другого.

¶Пространственная структура

В 1953 году Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик на основе рентгеноструктурных данных Розалинд Франклин и исследований Эрвина Чаргаффа предложили модель двойной спирали ДНК. Согласно этой модели, молекула состоит из двух антипараллельных полинуклеотидных цепей, закрученных вокруг общей оси.

Цепи удерживаются вместе водородными связями между комплементарными азотистыми основаниями: аденин образует две связи с тимином, а гуанин — три связи с цитозином. Принцип комплементарности лежит в основе точного копирования (репликации) ДНК и передачи наследственной информации.

В клетках эукариот ДНК обычно находится в форме хроматина — комплекса с гистоновыми и негистоновыми белками, упакованного в хромосомы. У прокариот, а также в митохондриях и хлоропластах ДНК представлена кольцевыми молекулами, не связанными с белками.

¶Функции

Основная функция ДНК — долговременное хранение наследственной информации. Информация закодирована в последовательности нуклеотидов, которая определяет первичную структуру всех белков и функциональных РНК организма. Ген — участок молекулы ДНК, кодирующий один полипептид или одну молекулу РНК.

Процесс передачи информации реализуется в два этапа:

Транскрипция — синтез матричной РНК на участке ДНК, при котором последовательность нуклеотидов гена переписывается в последовательность РНК.
Трансляция — синтез белка на рибосомах по матрице мРНК, где триплеты нуклеотидов (кодоны) определяют порядок включения аминокислот.

Кроме того, ДНК выполняет функцию матрицы при собственной репликации, обеспечивая передачу генетического материала дочерним клеткам при делении.

¶Репликация

Репликация ДНК — процесс удвоения молекулы, происходящий перед клеточным делением. Он носит полуконсервативный характер: каждая новая молекула состоит из одной старой (родительской) и одной вновь синтезированной цепи.

Репликация инициируется в точках начала репликации (ориджинах), где фермент хеликаза расплетает двойную спираль. ДНК-полимераза синтезирует новые цепи в направлении 5'→3', при этом одна цепь (лидирующая) синтезируется непрерывно, а другая (отстающая) — короткими фрагментами Оказаки, которые затем сшиваются ферментом лигазой. У эукариот репликация начинается одновременно во множестве точек, что обеспечивает быстрое копирование больших геномов.

¶Организация генома

Геном человека содержит около 3,2 миллиарда пар оснований, распределённых по 23 парам хромосом. Общая длина ДНК одной клетки человека составляет примерно два метра, что достигается за счёт многоуровневой компактизации.

Кодирующие последовательности (экзоны) составляют лишь около 1,5 % генома человека. Остальная часть приходится на некодирующие участки, включая интроны, регуляторные элементы, повторяющиеся последовательности и транспозоны. Значительная часть некодирующей ДНК выполняет регуляторные функции, контролируя активность генов.

¶Методы исследования

Изучение ДНК стало возможным благодаря развитию молекулярной биологии. Ключевые методы включают:

Секвенирование — определение точной последовательности нуклеотидов. Первые методы (по Сэнгеру) позволяли читать короткие фрагменты; современные технологии высокопроизводительного секвенирования позволяют определять целые геномы за несколько часов.
Полимеразная цепная реакция (ПЦР) — метод амплификации (размножения) специфических участков ДНК, широко применяемый в диагностике и криминалистике.
Электрофорез — разделение фрагментов ДНК по размеру в геле под действием электрического поля.
Генная инженерия — совокупность методов выделения, модификации и встраивания генов в геномы других организмов, включая использование ферментов рестрикции и векторов.

¶Практическое применение

Знания о структуре и функциях ДНК лежат в основе множества прикладных областей:

Медицинская диагностика — выявление наследственных заболеваний, онкологических маркеров и инфекционных агентов (в том числе методом ПЦР).
Судебная экспертиза — идентификация личности по профилю ДНК (геномная дактилоскопия), установление родства.
Биотехнология и фармацевтика — производство рекомбинантных белков (инсулин, интерфероны), создание генно-модифицированных организмов.
Эволюционная биология — сравнение последовательностей ДНК разных видов позволяет реконструировать филогенетические деревья и оценивать время расхождения таксонов.
Историческая генетика — анализ древней ДНК из палеонтологических образцов для изучения миграций древних популяций.

¶Повреждения и репарация

ДНК постоянно подвергается повреждениям под действием ультрафиолетового излучения, химических мутагенов, активных форм кислорода и ошибок репликации. Для поддержания стабильности генома в клетках существуют системы репарации, исправляющие большинство повреждений. К ним относятся эксцизионная репарация оснований и нуклеотидов, репарация двуцепочечных разрывов (гомологичная рекомбинация и негомологичное соединение концов).

Сбой репарационных механизмов ведёт к накоплению мутаций, что может приводить к развитию онкологических заболеваний и наследственных патологий. Изучение процессов репарации — важное направление современной медицины.

¶Историческая справка

ДНК была открыта в 1869 году швейцарским врачом Фридрихом Мишером, выделившим из ядер лейкоцитов вещество, названное им «нуклеином». В 1944 году Освальд Эйвери с коллегами доказал, что именно ДНК является носителем наследственной информации у бактерий. В 1952 году эксперимент Альфреда Херши и Марты Чейз подтвердил это для бактериофагов.

Модель двойной спирали, предложенная Уотсоном и Криком в 1953 году, стала основой современной молекулярной биологии. В 1962 году они совместно с Морисом Уилкинсом получили Нобелевскую премию по физиологии или медицине. Расшифровка генетического кода была завершена к 1966 году, а в 2003 году был полностью секвенирован геном человека в рамках международного проекта «Геном человека».

¶Источники

Альбертс Б. и др. Молекулярная биология клетки. — М., 2013.
Сингер М., Берг П. Гены и геномы. — М., 1998.
Watson J. D., Crick F. H. Molecular structure of nucleic acids // Nature. — 1953.
Льюин Б. Гены. — М., 2011.