Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) — высокополимерное природное соединение, обеспечивающих хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов.
Молекула ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, закрученных одна вокруг другой в спираль. Цепи построены из большого числа мономеров — нуклеотидов.
Молекулы ДНК обладают очень высокой молекулярной массой — до сотен миллионов. Лишь в митохондриях, а также некоторых вирусах и бактериях молекулярная масса ДНК значительно меньше; в этих случаях молекулы ДНК обычно имеют кольцевую структуру.
Размеры молекул ДНК. Молекулы ДНК обладают очень высокой молекулярной массой — до сотен миллионов атомных единиц массы, а длина молекулы может достигать нескольких сантиметров!
Размер ДНК выражается в парах нуклеотидов (пн).
Характеристика молекул ДНК некоторых организмов
| Источник | Молекулярная масса | Длина молекулы | Размер (пн) | Тип структуры |
|---|---|---|---|---|
| Бактериофаг φ Х174 | 1,6 х 106 | 1,6 мкм | 5 х 103 | Кольцевая одноцепочечная |
| Бактериофаг Т2 | 1,2 х 108 | 50 мкм | 2 х 105 | Кольцевая двухцепочечная |
| Хромосома бактерии инфлюэнцы | 7,9 х 108 | 300 мкм | 1,2 х 106 | Неизвестен |
| Хромосома кишечной палочки | 2,6 х 108 | 1 мм | 4 х 106 | Кольцевая двухцепочечная |
| Хромосома №12 дрожжей | 1,5х 109 | 500 мкм | 2,2 х 106 | Линейная двухцепочечная |
| Хромосома №3 мухи дрозофилы | 4,2 х 1010 | 16 мм | 6,3 х 107 | Линейная двухцепочечная |
Общая длина молекул ДНК у человека и человекообразных обезьян составляет около 3 миллиардов нуклеотидов. Суммарная длина всех 46 молекул ДНК человека составляет около двух метров.
В клетках эукариот ДНК находится в ядре клетки в составе хромосом, а также в митохондриях и пластидах.
В клетках прокариот кольцевая или линейная молекула ДНК, так называемый нуклеоид, прикреплена изнутри к клеточной мембране. Кроме того, одно- или двухцепочечные молекулы ДНК могут oбразовывать геном ДНК-содержащих вирусов.
ДНК — носитель генетической информации; отдельные участки ДНК соответствуют определенным генам. ДНК точно воспроизводится при делении клеток, что обеспечивает в ряду поколений клеток и организмов передачу наследственных признаков о строении, развитии и специфических формах обмена веществ.
ДНК служит также матрицей для синтеза рибонуклеиновых кислот (РНК), определяя тем самым их первичную структуру (транскрипция). Через посредство информационной РНК (иРНК) осуществляется трансляция — синтез специфических белков, структура которых задана ДНК в виде определенной нуклеотидной последовательности.
Пространственная структура ДНК. Полимер ДНК обладает довольно сложной структурой.
Дезоксирибонуклеотиды соединены между собой ковалентно в длинные полинуклеотидные цепи ковалентными фосфодиэфирными связями.
У большинства живых организмов ДНК состоит не из одной, а из двух полинуклеотидных цепей (кроме некоторых вирусов, обладающих одноцепочечными ДНК-геномами).
Две цепи попарно объединяются при помощи водородных связей, возникающих между азотистыми основаниями нуклеотидов. Расположение нуклеотидов в цепях не случайное, а строго определенное: напротив аденина всегда располагается тимин, а напротив гуанина — цитозин (принцип комплементарности); при этом между аденином и тимином возникают две водородные связи, а между тимином и цитозином — три водородные связи.
Направления от 3'-конца к 5'-концу в двух цепях, из которых состоит молекула ДНК, противоположны (цепи «антипараллельны» друг другу).
Эти две длинные цепи закручены одна вокруг другой в виде спирали, в природе эта спираль чаще всего — правозакрученная. Подобно тому, как в винтовой лестнице сбоку можно увидеть ступеньки, на двойной спирали ДНК в промежутках между фосфатным остовом молекулы можно видеть ребра оснований, кольца которых расположены в плоскости, перпендикулярной продольной оси спирали.
В целом структура молекулы ДНК получила название «двойной спирали». Ширина двойной спирали составляет от 22 до 24 Å (ангстрем), или 2,2 — 2,4 нм.
Последовательность нуклеотидов позволяет «кодировать» информацию о различных типах белков и РНК. Все типы РНК синтезируются на матрице ДНК в результате копирования последовательности ДНК в последовательность РНК, синтезируемой в процессе транскрипции и затем принимают участие в биосинтезе белков (процессе трансляции). Помимо кодирующих последовательностей, ДНК клеток содержит последовательности, выполняющие регуляторные и структурные функции.
Расшифровка структуры ДНК (1953 год) стала одним из поворотных моментов в истории биологии. За выдающийся вклад в это открытие Фрэнсису Крику, Джеймсу Уотсону, Морису Уилкинсу была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине в 1962 году.
Функции ДНК: хранение наследственной информации, передача наследственной информации следующему поколению, передача генетической информации из ядра в цитоплазму.
| Функция | Уровень | Пояснение |
|---|---|---|
| Хранение наследственной информации | У эукариот | ДНК входит в состав хромосом — специализированных структур в ядрах клеток, — предназначенных для хранения наследственной информации и правильного ее распределения в период деления клеток. Хроматиновая нить, слагающая хромосому, образована одной линейной двуцепочной молекулой ДНК, соединенной со специализированными ядерными белками |
| У прокариот | ДНК имеет замкнутую кольцевую форму и образует нуклеоид — регион неправильной формы внутри клетки прокариот, в котором находится генетический материал | |
| У вирусов | ДНК является формой хранения наследственной информации у ДНК- содержащих вирусов. ДНК вирусов может быть двухцепочной или одноцепочной (с последующим увеличением до двухцепочной в клетках хозяина). ДНК имеет линейную форму или кольцевую | |
| Передача наследственной информации | от материнской клетки — дочерним клеткам | Главное свойство молекулы ДНК — это процесс точного самокопирования — репликация (редупликация), — происходящий перед делением клетки. Благодаря этой способности ДНК осуществляется передача наследственной информации от материнской клетки дочерним |
| следующему поколению | При бесполом размножении генетическое единство поколений обеспечивается генетическим единообразием всех клеток материнского организма, из которых образуются новые дочерние организмы. При половом размножении количество, качество и разнокачественность генетического материала потомков обеспечивается сначала редукцией ДНК при образовании гамет и, затем, их слиянием | |
| из ядра в цитоплазму | Процесс транскрипции — синтез РНК на матрице ДНК — отвечает за передачу генетической информации из ядра в цитоплазму. Все иРНК являются переносчиками генетической информации из ядра в цитоплазму, к месту синтеза белка |