ДНК - материальный носитель наследственности

Важным результатом целенаправленного изучения нуклеиновых кислот было создание Дж. Уотсоном и Ф. Криком (1953) пространственной модели молекулы ДНК.

Во второй половине XX в. усилия ученых направлены на изучение свойств нуклеиновых кислот, составляющих основу их генетических функций, способов записи и считывания наследственной информации, характера и структуры генетического кода, механизмов регуляции активности генов в процессе формирования отдельных признаков и фенотипа в целом. В 60-х гг. работами М. Ниренберга, С. Очоа, X. Кораны и других была произведена полная расшифровка генетического кода, установлено соответствие триплетов нуклеотидов в молекуле нуклеиновых кислот определенным аминокислотам. В 70-х гг. стали активно разрабатываться методы генной инженерии, позволяющие целенаправленно изменять наследственные свойства живых организмов.

К концу XX столетия, благодаря новым молекулярно-генетическим технологиям, появилась возможность определять последовательности нуклеотидов в молекулах ДНК геномов различных организмов (прочтение ДНК-текстов). ДНК-тексты генома человека, представленные в целом 3 млрд. пар нуклеотидов, в основном прочитаны к 2001 году. Научно-практическое направление молекулярной биологии, имеющее целью определение нуклеотидных последовательностей молекул ДНК, получило название геномики[14,33].

 На основании приведенных  выше определений наследственности  и изменчивости можно предположить, каким требованиям должен отвечать  материальный субстрат этих двух  свойств жизни.

Во-первых, генетический материал должен обладать способностью к самовоспроизведению, чтобы в. процессе размножения передавать наследственную информацию, на основе которой будет осуществляться формирование нового поколения. Во-вторых, для обеспечения устойчивости характеристик в ряду поколений наследственный материал должен сохранять постоянной свою организацию.

В-третьих, материал наследственности и изменчивости должен обладать способностью приобретать изменения и воспроизводить их, обеспечивая возможность исторического развития живой материи в меняющихся условиях. Только в случае соответствия указанным требованиям материальный субстрат наследственности и изменчивости может обеспечить длительность и непрерывность существования живой природы, и ее эволюцию.

Таким образом, современные представления о природе генетического аппарата позволяют выделить три уровня его организации: генный, хромосомный и геномный. На каждом из них проявляются основные свойства материала наследственности и изменчивости и определенные закономерности его передачи и функционирования.

2. Структура ДНК

ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) - биологический полимер, состоящий из двух полинуклеотидных цепей, соединенных друг с другом. Мономеры, составляющие каждую из цепей ДНК, представляют собой сложные органические соединения, включающие одно из четырех азотистых оснований: аденин (А) или тимин (Т), цитозин (Ц) или гуанин (Г); пятиатомный сахар пентозу - дезоксирибозу, по имени которой получила название и сама ДНК, а также остаток фосфорной кислоты. Эти соединения носят название нуклеотидов. В каждой цепи нуклеотиды соединяются путем образования ковалентных связей между дезоксирибозой одного и остатком фосфорной кислоты последующего нуклеотида. Объединяются две цепи в одну молекулу при помощи водородных связей, возникающих между азотистыми основаниями, входящими в состав нуклеотидов, образующих разные цепи.

Исследуя нуклеотидный состав ДНК различного происхождения, Чаргафф обнаружил следующие закономерности.

1. Все ДНК независимо  от их происхождения содержат  одинаковое число пуриновых и  пиримидиновых оснований. Следовательно, в любой ДНК на каждый пуриновый  нуклеотид приходится один пиримидиновый.

2. Любая ДНК всегда  содержит в равных количествах  попарно аденин и тимин, гуанин и цитозин, что обычно обозначают как А=Т и G=C. Из этих закономерностей вытекает третья.

3. Количество оснований, содержащих аминогруппы в положении 4 пиримидинового ядра и 6 пуринового (цитозин и аденин), равно количеству оснований, содержащих оксо-группу в тех же положениях (гуанин и тимин), т. е. A+C=G+T. Эти закономерности получили название правил Чаргаффа. Наряду с этим было установлено, что для каждого типа ДНК суммарное содержание гуанина и цитозина не равно суммарному содержанию аденина и тимина, т. е. что (G+C)/(A+T), как правило, отличается от единицы (может быть как больше, так и меньше ее). По этому признаку различают два основных типа ДНК: А→Т-тип с преимущественным содержанием аденина и тимина и G→C-тип с преимущественным содержанием гуанина и цитозина.

Величину отношения содержания суммы гуанина и цитозина к сумме содержания аденина и тимина, характеризующую нуклеотидный состав данного вида ДНК, принято называть коэффициентом специфичности. Каждая ДНК имеет характерный коэффициент специфичности, который может изменяться в пределах от 0,3 до 2,8. При подсчете коэффициента специфичности учитывается содержание минорных оснований, а также замены основных оснований их производными. Например, при подсчете коэффициента специфичности для ЭДНК зародышей пшеницы, в которой содержится 6% 5-метилцитозина, последний входит в сумму содержания гуанина (22,7%) и цитозина (16,8%). Смысл правил Чаргаффа для ДНК стал понятным после установления ее пространственной структуры[16,12].

В 1953 г. Уотсон и Крик, опираясь на известные данные о конформации нуклеозидных остатков, о характере межнуклеотидной связи в ДНК и закономерности нуклеотидного состава ДНК (правила Чаргаффа), расшифровали рентгенограммы паракристаллической формы ДНК. Согласно их модели, молекула ДНК представляет собой правильную спираль, образованную двумя полидезоксирибонуклеотидными цепями, закрученными относительно друг друга и вокруг общей оси. Диаметр спирали практически постоянен вдоль всей ее длины и равен 1,8 нм (18 А).

Длина витка спирали, который соответствует ее периоду идентичности, составляет 3,37 нм (33,7 А). На один виток спирали приходится 10 остатков оснований в одной цепи. Расстояние между плоскостями оснований равно, таким образом, примерно 0,34 нм (3,4 А). Плоскости остатков оснований перпендикулярны длинной оси спирали. Плоскости углеводных остатков несколько отклоняются от этой оси (первоначально Уотсон и Крик предположили, что они параллельны ей).

Рисунок 1

Макромолекулярная структура ДНК.

(а) – Модель Уотсона – Крика;

(6) – параметры спиралей  В-, С- и Т-форм ДНК (проекции перпендику-лярно оси спирали);

(в) – поперечный разрез спирали ДНК в В-форме (заштрихованные прямоугольники изображают пары оснований);

(г) – параметры спирали ДНК в А-форме;

(д) – поперечный разрез спирали ДНК в А-форме.

Из рисунка видно, что углевод фосфатный остов молекулы обращен наружу. Спираль закручена таким образом, что на ее поверхности можно выделить две различные по размерам бороздки (их часто называют также желобками) – большую, шириной примерно 2,2 нм (22 А), и малую – шириной около 1,2 нм (12А). Спираль правовращающая. Полидезоксирибонуклеотидные  цепи в ней антипараллельны: это означает, что если мы будем двигаться вдоль длинной оси спирали от одного ее конца к другому, то в одной цепи мы будем проходить фосфодиэфирные связи в направлении 3'→5', а в другой – в направлении 5'→3'. Иными словами, на каждом из концов линейной молекулы ДНК расположены     5'-конец одной и 3'-конец другой цепи.

Регулярность спирали требует, чтобы против остатка пуринового основания в одной цепи находился остаток пиримидинового основания в другой цепи. Как уже подчеркивалось, это требование реализуется в виде принципа образования комплементарных пар оснований, т. е. остаткам аденина и гуанина в одной цепи соответствуют остатки тимина и цитозина в другой цепи (и наоборот)[17,34].

Таким образом, последовательность нуклеотидов в одной цепи молекулы ДНК предопределяет нуклеотидную последовательность другой цепи. Этот принцип является главным следствием модели Уотсона и Крика, поскольку он в удивительно простых химических терминах объясняет основное функциональное назначение ДНК – быть хранителем генетической информации.

3. Роль ДНК в передаче генетической информации

Способность клеток поддерживать высокую упорядоченность своей организации зависит от генетической информации, которая сохраняется в форме дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Раскрытие роли ДНК в передаче наследственных свойств, представляется одним из основных достижений современной биологии. В 1944 г. О. Эвери доказал, что именно ДНК ответственна за изменение (трансформацию) организмов. Это было показано в экспериментах с двумя формами бактерий (пневмококков). Одна из них обладала способностью образовывать капсулу и вызывать заболевание. Вторая форма не образовывала капсулы и не вызывала заболевания. Оказалось, что после проникновения ДНК, выделенной из вирулентных (вызывающих заболевание) клеток, некоторое количество клеток невирулентной формы образовало капсулу, причем эта способность передавалась по наследству. ДНК—это полимер, мономерами которого являются дезоксирибонуклеотиды. В их состав входят углевод дезоксирибоза, фосфорная кислота и азотистые основания четырех типов: два пуриновых — аденин и гуанин и два пиримидиновых — тимин и цитозин.

В 1866 году чешский священник Г.Мендель опубликовал работы по наследованию окраски цветков садового гороха, где им высказана мысль, что за наследование генетических свойств организма отвечают некие «элементы», которые мы сегодня называем генами. Хотя это открытие в то время не могло иметь к молекулам ДНК какое-либо отношение (поскольку, что такое ДНК да и что такое ген, просто не было известно), оно заложило определенные основы для последующего изучения наследственности и, соответственно, генов. Тогда их природа была просто загадочна. Спустя 3 года, в 1869 году, швейцарским врачом Ф. Мишером в ядрах лейкоцитов человека была впервые обнаружена названная им «нуклеином» особая субстанция (уже затем переименованная      Р. Альтманом в нуклеиновую и позже в дезоксирибонуклеиновую кислоту – ДНК), функция которой была также абсолютно не ясна.

Однако вопросы хранения и передачи наследственной информации всегда крайне интересовала ученых, и уже с самого начала века двадцатого стали проводиться интенсивные исследования, направленные на выяснение  их закономерностей. Тогда же  Саттоном и Бовери было впервые высказано предположение о том, что генетическая информация от одного поколения другому передается хромосомами (от др. - греч. χρῶμα – цвет и σῶμα – тело) – особыми ядерными структурами, которые хорошо видны во время деления клетки. Это утверждение было подтверждено работами Т. Моргана, который  за исследования функций хромосом как носителей наследственности в 1933 году получил Нобелевскую премию. Однако прошло еще много лет, прежде чем было выяснено, что именно служит генетическим материалом – ДНК или белок хромосом. Ученые были склонны считать, что белок – единственное вещество, молекулы которого обладают достаточным структурным разнообразием, чтобы служить генетическим материалом.

В 1928 году английский микробиолог Фредерик Гриффит сделал наблюдение, которое впоследствии сыграло важную роль в решении этой проблемы. Гриффит пытался получить вакцину против пневмококка – возбудителя пневмонии. Были известны две формы этой бактерии, из которых одна покрыта студенистой капсулой и вирулентна (вызывает заболевание), а другая не имеет капсулы и невирулентна.

Гриффит надеялся, что если ввести больному бескапсульную или убитую нагреванием инкапсулированную форму, то его организм начнет вырабатывать антитела, которые смогут предохранить от заболевания пневмонией. В ряде экспериментов Гриффит вводил мышам обе формы бактерий и получил результаты, представленные в таблице 1.

Таблица 1                                                                                                                                               

Таблица 1. Результаты экспериментов Гриффита.

При вскрытии погибших мышей в них были обнаружены живые инкапсулированные формы. На основе этих результатов Гриффит сделал вывод, что от убитых нагреванием инкапсулированных форм живым бескапсульным формам, очевидно, передается какой-то фактор, заставляющий их вырабатывать капсулы и становиться вирулентными. Однако природа этого трансформирующего фактора оставалась неизвестной вплоть до 1944 года, когда его удалось выделить и идентефицировать.  На протяжении десяти лет ученые занимались выделением и очисткой молекул, входящих в состав убитых нагреванием инкапсулированных клеток, и и изучали их способность трансформировать бескапсульные клетки. Удаление полисахаридной капсулы и белковой фракции из клеточных экстрактов не оказывало  влияния на трансформацию, но добавление фермента дезоксирибонуклеазы (ДНКазы), гидролизующего ДНК, препятствовало ей. Способность высокоочищенных клеток вызывать трансформацию показала, что трансформирующим фактором Гриффита была ДНК[17,34].

В дальнейших экспериментах было убедительно показано, что именно ДНК является носителем генов во всех живых клетках.

Заключение