Структура ДНК Определение химической структуры и пространственной организации молекул ДНК явилось одним из самых ярких открытий XX века. Джеймс Уотсон и Френсис Крик (1953) предложили модель, в соответствии с которой ДНК состоит из двух взаимозакру- ченных полимерных цепей, образующих форму правосторонней двойной спирали. Мономерами ДНК являются дезоксирибонуклеотиды. Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, 5-углеродного сахара дезоксирибозы и остатка фосфорной кислоты. Таким образом, цепь ДНК представляет собой последовательность нуклеотидов. Азотистые основания могут быть пиримидиновыми или пуриновыми. К пиримидинам относятся тимин, цитозин и урацил, а к пуринам - аденин и гуанин. Урацил входит в состав рибонуклеиновых кислот (РНК) вместо тимина. Нуклеотиды соединяются между собой посредством фосфодиэфирных связей между сахаром-дезоксирибозой и остатком фосфорной кислоты. Азотистые основания нуклеотидов обращены внутрь двойной спирали, располагаясь плоскопараллельно один над другим. Две цепи ДНК удерживаются вместе за счет водородных связей между нуклеотидами. Две водородные связи образуются между аденином и тимином и три - между гуанином и цитозином. Это правило А-Т, G-C - правило компле- ментарности. В результатедве нити ДНК оказываются комплементарными или взаимодополняющими друг друга. Каждая нить ДНК имеет форму спирали, и при их объединении образуется двойная спираль. В зависимости от положения атомов углерода в остатке дезоксирибозы выделяют 5 ’- и З’-концы ДНК. Цепи ДНК в двойной спирали антипа- раллельны друг другу, то есть, ориентированы в противоположных направлениях: одна цепь имеет направление от 5' к 3', а другая - от 3' к 5'. Цифры 3' и 5' соответствуют номерам атомов углерода в молекуле сахара, по которым может происходить присоединение следующего нуклеотида в полинуклеотидной цепи. Поскольку связи между нуклеотидами в двойной спирали ДНК водородные, то они легко рвутся даже при относительно небольшом нагревании молекулы. Этот нормальный физиологический процесс называется денатурацией, или плавлением, ДНК. При восстановлении температурных условий происходит восстановление водородных связей по правилу комплементарности с образованием двойной спирали ДНК. Этот процесс называется ренатурацией, или гибридизацией. Основная масса ДНК эукариот находится в ядрах клеток в составе хромосом в су- перскрученном состоянии за счет взаимодействия с гистонами и другими белками хромосом. Около 1% ДНК находится в митохондриях - самых крупных после ядра органеллах клетки. К нуклеиновым кислотам относятся и разные классы РНК. Они представлены одноцепочечными полимерными молекулами, построенными из рибонуклеотидов. Цепи РНК, так же как и ДНК, состоят из четырех типов произвольно чередующихся нуклеотидов. Но в РНК функции тимина выполняет другой нуклеотид - урацил (У). Другое важное структурное отличие заключается в том, что в РНК в основании располагается другой сахар - не дезоксирибоза, а рибоза. РНК чаще функционируют в виде однонитевых структур, хотя они и способны образовывать двунитевые структуры. Различают информационные или матричные РНК, несущие генетическую информацию о строении белков; рибосомальные РНК, входящие в состав рибосом; транспортные РНК, переносящие аминокислоты к месту синтеза белка; малые-ядерные РНК, участвующие в процессе сплайсинга и др. Все классы РНК образуются на матрице ДНК в процессе транскрипции. Два фундаментальных свойства отличают нуклеиновые кислоты от других типов молекул. Во-первых, молекулы ДНК способны к самовос- производству. Этот процесс называется репликацией, и он осуществляется с помощью фермента ДНК-полимеразы, способной вести комплементарный синтез ДНК по однонитевой матрице. Вторым уникальным свойством ДНК является то, что в ней в виде последовательности нуклеотидов записана информация, определяющая разнообразие всех форм жизни.
Биохимическую основу потока информации составляют матричные процессы: репликация - синтез или удвоение ДНК, транскрипция - синтез РНК и трансляция - синтез белка. Матричный процесс - это процесс синтеза полимера, называемого копией на основе матрицы, при этом первичная структура последней однозначно определяет первичную структуру копии. Для всех матричных процессов необходимы ферменты, белковые факторы и энергия АТФ. В ядре происходят репликация, транскрипция, репарация и рекомбинация, а трансляция - в цитоплазме.
Репликация ДНК Синтез ДНК происходит на определенных участках, которые называются репликонами. Репликон определяется точками начала и конца репликации. Точки начала репликации называют АРП - автономнореплицирующиеся последовательности они содержат большое количество А-Т пар (до 80%). Каждая линейная молекула ДНК содержит несколько репликонов.
Репликация ДНК происходит с помощью фермента ДНК-полимеразы по однонитевой матрице в ядре в синтетическом периоде (S) клеточного цикла. Кроме ДНК-полимеразы в синтезе ДНК участвуют многие другие ферменты и белки, которые образуют комплекс, названный реплисомой. Последняя включает: ДНК-геликазу, SSB-белки, ДНК-полимеразу, праймазу, эндонуклеазу, ДНК-лигазу. Фермент ДНК-геликаза разрывает водородные связи между азотистыми основаниями. При этом двойная спираль ДНК расплетается, образуя вилку репликации, в которой каждая нить служит матрицей для комплементарного синтеза новых нитей ДНК. Особые SSB-белки стабилизируют репликативную вилку, для предотвращения образования водородных связей между старыми цепями ДНК.
Главным ферментом удвоения ДНК являются ДНК-полимеразы. Однако эти полимеразы не способны инициировать репликацию и соединять первый нуклеотид со вторым, поэтому запускает репликацию другой фермент - праймаза, обладающий РНК-полимеразной активностью. Праймаза строит короткую цепочку РНК (праймер) размером до 100 нуклеотидов по 3'-5' старой цепи ДНК. Далее присоединяется фермент ДНК-полимераза-а, которая синтезирует небольшой участок ДНК. Затем присоединяется ДНК-полимераза-е , которая ведет синтез новой цепи ДНК, комплементарной 3'-5'-старой цепи. По антипараллельной цепи 5'-3' синтез ДНК идет в обратном направлении с помощью ДНК-полимеразы-8, и также начинается с построения праймера. По мере расплетения двойной спирали синтез ДНК по цепи 3'-5' идет непрерывно, а по цепи 5'-3' - прерывисто. Прерывистость синтеза связана с необходимостью построения новых праймеров, а их места застраиваются короткими отрезками ДНК, получившими название фрагментов Оказаки. Синтез на цепи 5'-3' отстает от синтеза на цепи 3'-5', поэтому цепочку 3'-5' называют лидирующей, 5-3' - запаздывающей. Вытесненные праймеры затем расщепляются с помощью фермента эндонуклеазы, а все фрагменты ДНК сшивает в единую цепь фермент лигаза. Репликация у эукариот начинается сразу в нескольких точках на молекуле ДНК, что значительно ускоряет процесс синтеза.
После каждого деления размер теломерной ДНК уменьшается, это служит одним из механизмов ограничения числа делений большинства клеток многоклеточного организма. Для защиты недореплицированного одноцепочечного теломерного участка ДНК от разрушения ферментами репарации может формироваться либо белковый комплекс, либо происходит внедрение одноцепочечного участка в двуцепочечную ДНК с образованием Т-петли.
