Молекулярные основы наследственности

Г

ЛЕКЦИЯ

Материальными носителями наследственности являются хромосомы и гены. В 1879 году Флеминг обнаружил в ядре темно окрашивающиеся структуры, которые он назвал хроматином. Зоолог Вейсман в книге «Зародышевая плазма. Теория наследственности» привел аргументы, что наследственное вещество находится в ядре.

В 1902 году Бовери и Сеттон установили, что менделеевские закономерности наследования точно соответствуют закономерностям поведения хромосом. Таким образом, основное назначение хромосом – передача точной информации от поколения к поколению. Врач Мишер (1868 год) используя гнойный материал после операционных повязок, выделил из ядер погибших лейкоцитов вещество, которое назвал нуклеин. В 1914 году доцент Петербургского университета Щепотьев доказал, что это кислоты – нуклеиновые кислоты. Кольцов представляет гипотезу об удвоении (редупликации) хромосом. Работа Эвери и Гриффита раскрыло химическую основу ДНК - наличие азотистых оснований. Одной из главных достижений позволивших построить модель ДНК было правило Эрвина Чаргаффа о комплементарности пуриновых и пиримединовых азотистых оснований. Комплементарность – это способность образовывать водородные связи. По этому правилу количество аденина + гуанина = количеству цитозина + тимина.

Прямым доказательством генетической роли ДНК способность ДНК трансформировать пневмококки одного типа в другой – работа Эвери 1944 года по размножению бактериальных вирусов – фагов.

Рентгеноструктурный анализ (методика дифракции рентгеновских лучей) и методы кристаллографии позволили Максу Перутцу и Морису Уилкинсу практически создать модель ДНК. Однако первенство в создании модели ДНК и Нобелевская премия были присуждены Френсису Крику и Джеймсу Уотсону, которые 25 апреля 1953 года в журнале «Нейчур» опубликовали небольшую статью (900 слов) «Молекулярная структура нуклеиновых кислот» о модели ДНК.

Молекула ДНК являются линейными макромолекулами, пред­ставляющими собой длинные двойные цепи (тяжи) полимеров, составленных из мономеров, получивших название нуклеотидов (малых органических молекул) и являющихся строительными бло­ками ДНК.

У всех живых существ макромолекулы ДНК построены по од­ному и тому же плану. Они слагаются в основном из одних и тех же нуклеотидов, каждый из которых содержит по одной молекуле фосфорной кислоты и сахара, а также одно из четырех азотистых оснований — аденин, гуанин, цитозин или тимин. Аденин и гуа­нин являются пуриновыми основаниями, тогда как тимин и цитозин — пиримидиновыми. Пурины и пиримидины называют осно­ваниями по той причине, что в кислой среде они способны присое­динять к себе ион Н⁺. Пиримидины являются производными шестичленного пиримидинового кольца, тогда как пурины представляют основания, у которых второе пятичленное кольцо слито с шестичленным кольцом.

Сахаром в ДНК является 2-дезокси-D-рибоза, отличающаяся от глюкозы тем, что в ее молекуле не 6, а 5 атомов углерода, т. е. является пятиуглеродным сахаром (пентозой). Особенностью этого сахара является также то, что он имеет атом водорода (Н), присое­диненный к одному (специфическому) из атомов углерода, но не гидроксильную группу. Следовательно, этот сахар представляет собой дезоксирибозу, т. к. он является рибозой, лишенной кисло­рода.

Сахарофосфат соединяется с азотистым основанием посредством β-гликозидной связи. Основание прикрепляется к I положению де-зоксирибозы. Структура, образованная соединением азотистого ос­нования и сахара, носит название нуклеозида. Таким образом, хи­мическими группами, которые образуют ДНК, являются пуриновые и пиримидиновые азотистые основания (аденин, гуанин, тимин и цитозин), сахар (2-дезокси-D-рибоза) и фосфорная кислота.

РНК характеризуется такой же структурой, как и ДНК. Одна­ко в отличие от ДНК в РНК сахаром является рибоза с кислоро­дом, представляющая собой сахар с 5 атомами углерода, к одному из которых прикреплена 2'-гидроксильная группа (-ОН). Кроме того, в РНК тимин не имеет метильной группы и является урацилом, т. е, в РНК тимин заменен на урацил, также являющийся пиримидиновым основанием.

Нуклеиновые кислоты называют кислотами по той причине, что их фосфатные группы освобождают в растворах ионы водо­рода.

Для состава ДНК характерны закономерности, известные в ка­честве правил А. Чаргаффа, а именно:

1. Сумма нуклеотидов, содержащих пуриновые азотистые ос­нования, равна сумме нуклеотидов, содержащих пиримидиновые азотистые основания

2. Содержание аденина равно содержанию тимина, а гуани­на — цитозину

3. ДНК из разных источников может иметь различия, обус­ловленные в одних случаях преобладанием аденина над гуани­ном и тимина над цитозином (А + Т > Г + Ц), в других случа­ях — преобладанием гуанина и цитозина над аденином и тимином (Г + Ц > А + Т).

Для ДНК характерна структура трех видов — первичная, вто­ричная и третичная. Первичная структура ДНК заключается в том, что ДНК состоит из нуклеотидных цепей, у которых скелетную основу составляют чередующиеся сахарные и фосфатные группы, объединенные ковалентными 3'-, 5'-фосфодиэфирными, скелетны­ми связями, а боковые группы представлены тем или иным осно­ванием (одним из четырех) и присоединяются одна к другой моле­кулой сахара. Последовательно располагающиеся нуклеотиды ковалентно связаны фосфодиэфирными связями между сахарным остатком и фосфатом, и в результате этого объединены в полинуклеотидную цепь. Таким образом, первичная структура ДНК (как и РНК) определяется последовательностью нуклеотидов и характе­ром их связей между сахарным остатком и фосфатом.

Представления о вторичной структуре ДНК были сфор­мулированы Д. Уотсоном и Ф. Криком еще в 1953 г. На основе данных об Х-дифракции молекул ДНК, структуре оснований и пра­вил А. Чаргаффа эти представления сводятся к следующему:

1. По Уотсону и Крику (1953 год) молекула ДНК (форма В) построена из двух скрученных направо спи­ралевидных полинуклеотидных цепей, причем каждый виток спи­рали соответствует 10 азотистым основаниям или расстоянию в 3,4 нм. Молекулы ДНК, цепи которых скручены направо, перво­начально назвали В-формой.

2. Обе цепи объединены в результате закручивания одной цепи вокруг другой по общей оси. Из-за противоположной последова­тельности атомов в каждой цепи обе цепи инвертированы относи­тельно одна другой, т. е. направление вдоль дуплекса есть 3'→5' для одной цепи и 5'~» 3' для другой.

3. Сахарофосфатные группы располагаются на внешней стороне двойной спирали, тогда как основания находятся внутри спирали под прямым углом и вдоль ее оси. Диаметр молекулы составляет 2 нм, расстояния между отдельными азотистыми основаниями в молекуле равны 0,34 нм. Таким образом, ДНК представляет собой скрученную в правостороннем направлении двойную спираль, в которой пары азотистых оснований А-Т и Г-Ц в комплементар­ных полинуклеотидных цепях подобны перекладинам в лестнице, а сахарофосфатные цепи являются каркасом этой лестницы.

4. Цепи в молекуле не идентичны, но комплементарны и удер­живаются слабыми водородными связями между азотистыми осно­ваниями, причем спаривание азотистых оснований для связывания цепей имеет специфический характер. Водородные связи устанав­ливаются не просто между азотистыми основаниями цепей, а спе­цифически между пуриновым азотистым основанием одной цепи и пиримидиновым азотистым основанием другой. В результате это­го аденин одной из цепей связывается с тимином другой цепи двумя водородными связями, тогда как гуанин одной из цепей связывается с цитозином, находящимся в другой цепи, посредством трех водородных связей.