Молекула ДНК

Молекула ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) — это макромолекула (нуклеиновая кислота), обеспечивающая хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов. ДНК содержит информацию о структуре всех видов РНК и белков, необходимых для жизнедеятельности клетки. У большинства организмов (эукариот, бактерий, архей) и у многих вирусов ДНК является носителем наследственного материала. У некоторых вирусов (например, ретровирусов) роль носителя генетической информации выполняет РНК.

История открытия и изучения

Первоначально ДНК была выделена в 1869 году швейцарским врачом и биохимиком Иоганном Фридрихом Мишером из ядер лейкоцитов, содержащихся в гное. Мишер назвал обнаруженное вещество «нуклеином» (от лат. nucleus — ядро). В 1889 году Рихард Альтман ввёл термин «нуклеиновая кислота». В первой половине XX века роль ДНК как носителя наследственности не была очевидной: многие учёные считали, что генетическая информация закодирована в белках, которые имеют более сложное строение.

Перелом наступил в 1944 году, когда американские микробиологи Освальд Эвери, Колин Маклеод и Маклин Маккарти в ходе экспериментов с пневмококками доказали, что именно ДНК, а не белки, является трансформирующим агентом, передающим наследственные признаки. В 1952 году эксперимент Альфреда Херши и Марты Чейз с бактериофагами окончательно подтвердил генетическую роль ДНК.

Ключевым событием стало открытие пространственной структуры молекулы. В 1953 году Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик, используя данные рентгеноструктурного анализа Розалинд Франклин и Мориса Уилкинса, предложили модель двойной спирали ДНК. За это открытие в 1962 году Уотсон, Крик и Уилкинс были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине (Розалинд Франклин умерла в 1958 году, и Нобелевская премия посмертно не присуждается).

Химическая структура

Нуклеотиды

Мономерами ДНК являются нуклеотиды. Каждый нуклеотид состоит из трёх компонентов:

• Азотистое основание (аденин, гуанин, цитозин или тимин).
• Сахар — дезоксирибоза.
• Фосфатная группа (остаток фосфорной кислоты).

Нуклеотиды соединяются в полинуклеотидную цепь за счёт фосфодиэфирных связей между дезоксирибозой одного нуклеотида и фосфатной группой следующего. Эта связь образуется между 3'-гидроксильной группой (3'-OH) сахара и 5'-фосфатной группой (5'-PO₄) соседнего нуклеотида. Таким образом, цепь ДНК имеет направленность: один конец называется 5'-концом (свободная фосфатная группа), другой — 3'-концом (свободная гидроксильная группа).

Двойная спираль

Молекула ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, закрученных одна вокруг другой с образованием правозакрученной спирали. Цепи антипараллельны: одна ориентирована в направлении 5'→3', другая — 3'→5'. Между азотистыми основаниями противоположных цепей образуются водородные связи по принципу комплементарности:

• Аденин (А) всегда образует две водородные связи с тимином (Т).
• Гуанин (Г) всегда образует три водородные связи с цитозином (Ц).

Таким образом, последовательность одной цепи однозначно определяет последовательность другой. Диаметр двойной спирали составляет около 2 нм, расстояние между соседними парами оснований — 0,34 нм, один полный виток спирали содержит 10 пар оснований и имеет длину 3,4 нм.

Первичная, вторичная и третичная структура

• Первичная структура — последовательность нуклеотидов в цепи.
• Вторичная структура — образование двойной спирали за счёт водородных связей между комплементарными основаниями.
• Третичная структура — дальнейшая укладка (суперспирализация) молекулы. У прокариот ДНК обычно имеет форму кольца (кольцевая хромосома) и находится в нуклеоиде. У эукариот линейные молекулы ДНК упакованы в хромосомы с помощью белков-гистонов, образуя нуклеосомы и более высокие уровни компактизации (хроматин).

Функции ДНК

Основные функции ДНК в клетке:

1. Хранение генетической информации. Последовательность нуклеотидов кодирует аминокислотные последовательности белков и функциональных РНК.
2. Передача наследственной информации. При делении клетки ДНК реплицируется (удваивается), и каждая дочерняя клетка получает полную копию генома.
3. Реализация генетической информации. В процессе транскрипции на матрице ДНК синтезируется информационная РНК (мРНК), которая затем транслируется в белок на рибосомах. ДНК также содержит регуляторные последовательности, контролирующие активность генов.

Репликация ДНК

Репликация — процесс удвоения молекулы ДНК, обеспечивающий точное копирование генетической информации. У прокариот репликация начинается в одной точке (oriC) и происходит в обоих направлениях. У эукариот репликация начинается одновременно во многих точках (репликационных вилках) на каждой хромосоме.

Ключевые ферменты репликации:

• ДНК-геликаза — расплетает двойную спираль.
• ДНК-топоизомераза — снимает суперспирализацию.
• ДНК-полимераза — синтезирует новую цепь, добавляя нуклеотиды, комплементарные матричной цепи. Синтез идёт только в направлении 5'→3'.
• ДНК-лигаза — сшивает фрагменты Оказаки на отстающей цепи.

Репликация полуконсервативна: каждая дочерняя молекула содержит одну старую (матричную) и одну новую цепь.

Повреждения и репарация

ДНК подвержена различным повреждениям, вызванным как внешними факторами (ультрафиолетовое излучение, химические мутагены, ионизирующая радиация), так и внутренними процессами (ошибки репликации, спонтанное депуринирование, дезаминирование оснований). Для поддержания целостности генома существуют системы репарации:

• Эксцизионная репарация оснований (BER) — удаление и замена повреждённого основания.
• Эксцизионная репарация нуклеотидов (NER) — удаление участка цепи, содержащего повреждение (например, тиминовые димеры, вызванные УФ-излучением).
• Рекомбинационная репарация — восстановление двуцепочечных разрывов с использованием гомологичной последовательности.
• Система SOS-репарации — активируется при массивных повреждениях и допускает ошибки, что может приводить к мутациям.

ДНК в геноме

Прокариоты

Геном прокариот, как правило, представлен одной кольцевой хромосомой, расположенной в нуклеоиде. ДНК не связана с гистонами и не упакована в нуклеосомы. У многих бактерий также присутствуют плазмиды — небольшие кольцевые молекулы ДНК, несущие дополнительные гены (например, устойчивости к антибиотикам).

Эукариоты

У эукариот ДНК находится в ядре, а также в митохондриях и хлоропластах (у растений). Ядерная ДНК линейна, организована в хромосомы. Каждая хромосома содержит одну непрерывную молекулу ДНК, упакованную с помощью гистонов в хроматин. Длина ДНК в одной хромосоме человека может достигать нескольких сантиметров, а общая длина всех молекул ДНК в одной клетке человека — около 2 метров. Митохондриальная ДНК (мтДНК) кольцевая, у человека содержит 37 генов и наследуется по материнской линии.

Вирусы

Вирусы могут иметь ДНК или РНК в качестве генетического материала. ДНК-содержащие вирусы (например, бактериофаги, аденовирусы, герпесвирусы) могут иметь как линейную, так и кольцевую ДНК, одноцепочечную или двуцепочечную.

Применение в науке и технологиях

Знание структуры и свойств ДНК лежит в основе множества научных и прикладных методов:

• Полимеразная цепная реакция (ПЦР) — метод амплификации (многократного копирования) определённых участков ДНК, широко используемый в диагностике, криминалистике, молекулярной биологии.
• Секвенирование ДНК — определение нуклеотидной последовательности. Современные методы (секвенирование нового поколения, NGS) позволяют расшифровывать целые геномы за короткое время.
• Генная инженерия — манипуляции с ДНК для создания рекомбинантных молекул, получения трансгенных организмов, производства белков (инсулин, гормон роста).
• Генная терапия — введение нормальных копий генов в клетки пациента для лечения наследственных заболеваний.
• ДНК-дактилоскопия (геномная дактилоскопия) — идентификация личности по уникальным участкам ДНК (используется в судебной медицине).
• Филогенетика — сравнение последовательностей ДНК для восстановления эволюционных связей между организмами.

Интересные факты

• ДНК всех людей на 99,9% идентична; различия составляют около 0,1% (примерно 3 миллиона нуклеотидов).
• У человека около 3 миллиардов пар оснований в ядерном геноме.
• Если бы молекулу ДНК из одной клетки человека вытянуть в линию, её длина составила бы около 2 метров.
• В 1953 году Уотсон и Крик объявили об открытии структуры ДНК в пабе «The Eagle» в Кембридже.
• В 2013 году был запущен проект «Геном человека» (Human Genome Project), завершившийся в 2003 году полным секвенированием генома человека.

Источники

1. Уотсон Дж., Крик Ф. Молекулярная структура нуклеиновых кислот. Nature, 1953.
2. Альбертс Б. и др. Молекулярная биология клетки. — 6-е изд. — М.: Лаборатория знаний, 2020.
3. Льюин Б. Гены. — М.: Бином, 2012.
4. Кольман Я., Рём К.-Г. Наглядная биохимия. — М.: Мир, 2004.
5. Генетика: энциклопедический словарь / под ред. С. И. Алиханяна. — М.: Советская энциклопедия, 1990.