Химический состав и строение молекулы ДНК

Основоположник генетики Грегор Мендель в 1865 г. впервые доказал, что каждый признак организма определя­ется парой наследственных факторов. В начале XX в. парные наследствен­ные факторы получили название аллельных генов. Примерно в то же вре­мя было выдвинуто предположение, что гены расположены в хромосомах, что и положило начало хромосомной теории наследственности. Впервые эта теория получила доказательства в ра­ботах Нобелевского лауреата Томаса Ханта Моргана и его учеников в 1910 г. В экспериментах на плодовой мушке Drosophila melanogaster была показана взаимосвязь между конкретными ге­нами и конкретными хромосомами.

Долгое время оставалось неизвест­ным, что представляет собой вещество, образующее ген, способное к самореп­ликации, мутациям и фенотипическому проявлению. Первые сведения о физических и химических основах на­следственности были получены при работе с микроорганизмами: бактери­ями, вирусами и бактериофагами. Эти организмы, ранее изучавшиеся как возбудители болезней человека и до­машних животных, оказались удобны­ми объектами для исследования веще­ства наследственности и природы ге­нетического материала.

В 1928 г. бактериолог Ф. Гриффит изучал пневмококки, вызывающие вос­паление легких у мышей, для получе­ния вакцины. Выяснилось, что пневмо­кокки бывают двух типов: бескапсульные и с полисахаридной капсулой, при­чем возбудителем смертельных форм воспаления легких являются бактерии с полисахаридной капсулой. Если мы­шам вводили пневмококки без полиса­харидной капсулы, то они справлялись с заболеванием и выживали. При инъ­екции убитых бактерий, независимо от наличия или отсутствия капсулы на их поверхности, животные вообще не за­болевали воспалением легких. Если же мышам вводили смесь пневмококков: живых без капсулы и убитых нагрева­нием, но имеющих капсулу, то живот­ные погибали. В этом случае из орга­низмов погибших мышей удалось вы­делить бактерии с защитными полисахаридными капсулами. Таким образом, в этих экспериментах бактерии, не имеющие капсул, приобрели способ­ность образовывать ее благодаря веще­ству наследственности, которое пере­шло из убитых бактерий в живые. Только в 40-х гт. XX в. в другой лабора­тории была выяснена природа этого за­гадочного вещества наследственности

Фактором, превращающим непатоген­ные бескапсульные пневмококки в па­тогенные с полисахаридной оболочкой, оказалась молекула ДНК.

Неопровержимым доказательством того, что носителем наследственной информации вирусов и бактериофагов являются нуклеиновые кислоты, мож­но считать демонстрацию их инфекци­онных свойств. Так, было показано, что очищенная ДНК некоторых фагов, из которых наиболее известны <рх174 и X, может заражать бактерии в отсутст­вие белковой оболочки.

В 1953 г. Джеймс Уотсон и Френсис Крик предложили модель структуры ДНК, которая с тех пор многократно проверялась и признана правильной.

Уотсон и Крик предположили, что природная (нативная) молекула ДНК представляет собой две полимерные цепи, соединенные между собой и за­крученные в форме двойной спирали.

Основная структурная единица од­ной цепи — нуклеотид. Он состоит из трех химически различных частей, со­единенных ковалентными связями: дезоксирибозы, азотистого основания и фосфатной группы (рис. 3.1). ДНК содержит нуриновые азотистые основания — аденин (А) и гуанин (Г) — и пиримидиновые основания — цитозин (Ц) и тимин (Т)

Азотистое основание ковалентно соединено с первым ато­мом углерода сахара и формирует структуру, называемую нуклеозидом. Фосфатные труппы соединяют сосед­ние нуклеозиды в полимерную цепоч­ку посредством фосфодиэфирных связей между 5'-атомом углерода од­ного сахара и атомом углерода дру­гого (рис. 3.2). Сцепление между цепя­ми обеспечивается особыми водород­ными связями между аденином и тимином и между гуанином и цитозином (рис. 3.3). Водородные связи много слабее ковалснтных, соединяющих отдельные атомы каждого нуклеотида, но достаточно сильны, чтобы обеспе­чить специфичность образования пар А-Т, Г-Ц. Такое попарное сопоставле­ние нуклеотидов, при котором А ком­плементарен Т, а Г комплементарен Ц, было выведено с помощью построения молекулярных моделей, в которых точно воспроизводились в масштабе все межатомные расстояния. Прост­ранственная модель молекулы ДНК показала характер закрученности це­пей друг относительно друга и плот­ность упаковки пар азотистых основа­ний в двойной спирали (рис. 3.4). Кро­ме того, построение молекулярной мо­дели гипотетической двойной спирали потребовало "антипараллельности" нуклеотидных цепочек, как это изоб­ражено на рисунке (рис. 3.5).

Нуклеиновые кислоты — это очень длинные полимерные цепочки. Интактные молекулы ДНК содержат в за­висимости от вида организмов от не­скольких тысяч до многих миллионов нуклеотидов. Для любой последова­тельности азотистых оснований воз­можна равная ей по длине комплемен­тарная последовательность, составля­ющая вторую цепь двойной спирали. Конкретная последовательность пар А-Т и Г-Ц не влияет на структуру мо­лекулы ДНК, образующей двойную спираль. Возможное число различных последовательностей пар оснований в молекуле ДНК практически бесконеч­но и способно кодировать колоссаль­ное количество информации.

Из модели следует, что физическая структура природной ДНК может сильно изменяться при нагревании или титровании, когда не нарушаются ковалентные, но разрываются водо­родные связи, в результате чего две це­пи отделяются друг от друга.

Поскольку цепи ДНК комплемен­тарны, каждая из них при расплетании двойной спирали способна служить матрицей для синтеза новой компле­ментарной цепи. Последовательность оснований во вновь синтезируемой це­пи будет определяться спецификой во­дородных связей между азотистыми основаниями родительской и вновь синтезируемой цепи (рис 3.6). Таким образом, генетическая информация, содержавшаяся в последовательности пар оснований родительской молеку­лы, будет полностью воспроизведена в двух дочерних молекулах. Более того, если в процессе удвоения ДНК про­изошла ошибка и какой-либо нуклеотид во вновь образуемой цепи выпал или оказался некомплементарным ис­ходному, то это может изменить ин­формационное содержание молекулы, причем логично ожидать, что эта ошибка будет передана дочерним мо­лекулам ДНК в следующих поколени­ях. Такая замена пары нуклеотидов бу­дет обладать свойствами генетических мутаций. Модель структуры ДНК Уотсона и Крика объясняет как способность генов к самоудвоению (реплика­ции), так и их информационные свой­ства.