Днк и рнк — хранение и реализация наследственной информации

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК) — полинуклеотиды, представляющие собой последовательность (цепь) мономерных звеньев — нуклеотидов, состоящих из азотистого основания, углеводного компонента (сахара) — пентозы и остатка фосфорной кислоты. Строение нуклеотида можно представить как фосфат — сахар — основание. ДНК и РНК присутствуют в клетках всех живых организмов и выполняют важнейшие функции по хранению, передаче и реализации наследственной информации.

СТРОЕНИЕ И ФУНКЦИИ ДНК И РНК

В нуклеотидах существует только два типа углеводных компонентов (сахаров) — рибоза и дезоксирибоза, поэтому имеется лишь два вида нуклеиновых кислот — дезоксирибонуклеиновая (ДНК) и рибонуклеиновая (РНК).

Обе пентозы представлены в нуклеотидах в Р-фуранозной форме. Химические структуры пентоз, входящих в состав ДНК и РНК, выглядят следующим образом:

ДНК была открыта швейцарским биологом Иоганном Фридрихом Мишером в вытяжке из ядер лейкоцитов (гное) в 1869 г. Вначале новое вещество назвали нуклеин (от лат. nucleus — ядро), а позже, когда Мишер определил, что это вещество обладает кислотными свойствами, оно получило название нуклеиновая кислота. Кислотные свойства ДНК и РНК обусловлены наличием в их составе остатка ортофосфорной кислоты.

В 1953 г. Джеймсом Уотсоном и Френсисом Криком была постулирована гипотеза двойной спирали ДНК, которая объяснила структуру молекулы ДНК и показала, каким образом молекула может реплицироваться. Данная гипотеза привела к определению трех главных этапов в обработке генетической информации:

• • репликации — т. е. копированию родительской ДНК с образованием дочерних молекул ДНК, нуклеотидная последовательность которых комплементарна нуклеотидной последовательности родительской ДНК и однозначно определяется ею;
• • транскрипции — процессу, в ходе которого часть генетической информации переписывается в форме рибонуклеиновой кислоты (РНК);
• • трансляции — процессу, в котором генетическая информация, записанная с помощью четырехбуквенного кода в РНК, переводится в рибосомах на 12-буквенный код белковой структуры.

Функции ДНК: входит в состав хромосом, отвечает за хранение, передачу, трансформацию и реализацию наследственной информации. Ген — это участок ДНК, кодирующий информацию о конкретном белке. Прямое доказательство того, что ДНК — носитель генетической информации, было получено в 1943 г. учеными Рокфеллеровского института О. Т. Эвери, К. Мак-Леодом и М. Мак-Карти.

Функции РНК: считывание информации с ДНК (транскрипция), матрица для биосинтеза белка (такая РНК называется матричной — мРНК), транспорт аминокислот из цитоплазмы к месту биосинтеза белка (транспортная РНК — тРНК). Рибосомальная РНК (рРНК) входит в состав рибосом и имеет больший вариабельный состав, чем матричная или транспортная, контролирует биосинтез белка.

Благодаря совместным усилиям трех наук: генетики, молекулярной физики и биохимии была выдвинута концепция кодирования генетической информации.

ДНК — хранитель наследственной информации о структуре белков организма, которая зашифрована в последовательности нуклеотидов. Любые изменения этой последовательности ведут к нарушению структуры белка в процессе его биосинтеза (первичной структуры), что нарушает ферментативные функции белка и оказывает влияние на жизнедеятельность организма в целом.

Содержащаяся в ДНК генетическая информация закодирована линейной последовательностью ключевых слов, называемых кодонами, каждый из которых представляет собой специфическую последовательность трех нуклеотидов (три пары нуклеотидов в двухцепочечной ДНК), что соответствует одному аминокислотному остатку в белке.

Количество информации, заложенной в ДНК, можно проиллюстрировать таким образом: нуклеотидная последовательность ДНК маленького вируса фХ174 содержит 5386 пар оснований; нуклеотидная последовательность единственной хромосомы Е. coli содержит уже 4 млн пар оснований, а нуклеотидная последовательность ДНК 46 хромосом человека почти в миллион раз превышает число пар оснований, содержащихся в ДНК вируса фХ174. Простое знание нуклеотидной последовательности в молекулах ДНК бесполезно без знания принципов кодирования и программирования, лежащих в основе процессов транскрипции, трансляции и регуляции экспрессии генов.

Самым важным ключом к разгадке структуры ДНК стало открытие, сделанное в конце 1940;х годов, когда было установлено, что молекулы ДНК различных видов организмов содержат только четыре вида азотистых оснований и что между основаниями существует некая количественная связь.

Методом рентгеноструктурного анализа физиками была установлена молекулярная структура ДНК, биохимиками определен химический состав ДНК и найден принцип спаривания комплементарных оснований.

В результате исследований структуры ДНК были сформулированы следующие выводы:

• 1) препараты ДНК, выделенные из разных тканей одного и того же организма, имеют одинаковый нуклеотидный состав;
• 2) нуклеотидный состав ДНК разных видов различен;
• 3) нуклеотидный состав ДНК у данного вида не меняется с возрастом организма, не зависит от его питания и изменений окружающей среды;
• 4) число адениновых остатков в любой ДНК независимо от вида организма равно числу тиминовых остатков, а число гуаниновых остатков равно числу цитозиновых. Таким образом, число пуриновых остатков равно числу пиримидиновых.