Рассказ об открытии строения молекулы днк. Кто открыл ДНК? Значение открытия ДНК. Фридрих Мишер Открытие структуры днк год

Чарльз Дарвин, разработчик теории о эволюции живых организмов, все же так и не смог дать ответ на вопрос о том, каким образом происходит закрепление изменений в структуре и функциях организма потомства. Книга Дарвина выходила в печать, когда в Чехии Грегор Мендель уже ставил новые опыты, выводы которых и стали началом дальнейшего развития науки о наследственности.

В Германии в то же самое время работал ученый-зоолог Август Вейсман, сумевший доказать, что некоторые свойства родителей, переходящие по наследству, напрямую зависят от возможности передачи первыми определенного вещества. Как считал Вайсман, данное вещество скрывалось в хромосомах.

Американский ученый Томас Морган также ставил огромное количество опытов. Им и его коллегами были оформлены основные постулаты теории хромосомной наследственности.

Как открыли ДНК

Биохимик Мишер в 1869 году выделил вещество, имеющее свойства некой кислоты. Затем ученый-химик по фамилии Левин смог доказать, что в составе выделенной кислоты имеется дезоксирибоза. Именно данный факт и дал название молекуле ДНК – дезоксирибонуклеиновая кислота. Левиным так же были идентифицированы четыре азотистых основания, которые образовывали состав молекулы.

В 1950-м году биохимик Чаргаф дополнил заключения Левина, когда получил результаты тестов, которые показывали, что в молекуле ДНК, имеющей четыре основания, два из них были равны по своему количеству двум другим.

Структура ДНК

В 1953 году ученые из Кэмбриджа, Уотсон и Крик, объявили, структуру ДНК. Ими было установлено, что данная молекула ДНК - спираль, которая состоит из двух цепочек, которые имеют фосфатно-сахарное основание. Была определена последовательность азотистого основания. Именно она и являлась так называемым кодом для передачи генетической информации. В 1953-м году учеными была опубликована , которая называлась «Молекулярная структура нуклеиновых кислот». В данной статье представлены результаты исследований, которые показывали, что ДНК действительно представляет собой двойную спираль.

Открытие такого уровня было признано учеными всего мира и стало «отправной точной» для дальнейших исследований. В 1962 году Уотсон и Крик получили за свои исследования Нобелевскую премию.

В 1952 г. английский биофизик Розалинда Франклин обнаружила, что дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) напоминает по своей структуре винтовую лестницу. Однако славу этого открытия, заложившего основу современного исследования генов, присвоили впоследствии Морис I Уилкинс, а также Фрэнсис Крик и Джеймс Уотсон.

Устройство наследственности I Розалинда Франклин исходила из предположения, что ДНК огромной длины полимерная молекула из нуклеотидов — должна состоять из повторяющихся блоков. Для проверки этой гипотезы английская исследовательница не могла просто прибегнуть к микроскопу. Подобные субмикроскопические явления можно уловить лишь посредством дифракции рентгеновских лучей. Поэтому исследовательница подвергла молекулы ДНК рентгеновскому облучению и в результате долгой кропотливой работы установила, что их структура представляет собой двойную спираль. Так впервые удалось представить себе строение основного слагаемого человеческой жизни.

Открытие, оставшееся в тени

Франклин не стала сразу публиковать результаты своего исследования. Она хотела сначала получить подтверждение своим наблюдениям у коллег. В 1953 г. Морис Уилкинс, руководитель Франклин, без ее ведома передал предоставленные ему результаты своему сотруднику Крику и биохимику Уотсону. Этим ученым был к томувремени уже известен химический состав ДНК: сахар, дезоксирибоза, фосфат и азотсодержащие основания аденин, цитозин, гуанин и тимин, и они мгновенно оценили значение данных Франклин.

Нобелевская премия не присуждается посмертно

Крик и Уотсон, внеся в работу некоторые дополнения и изменения, опубликовали ее под собственными именами. Знаменитая статья «Молекулярная структура нуклеиновых кистот: структура дезоксирибонуклеиновой кислоты», появившаяся в журнале «Nature» 1954 г., вызвала бурный энтузиазм ученого мира. Уотсон и Крик создали логачески неуязвимую модель, ставшую основой для дальнейших исследований. Между тем Розалинда Франклин умерла в 1958 г. от рака в возрасте 37 лет. Нобелевская премия по медицине за открытие структуры ДНК была присуждена в 1962 г. Крику, Уотсону и Уилкинсу.

• 1865 г.: Грегор Иоганн Медель установил законы наследования генетических принципов.
• 1970 г.: Гамильтон О. Смит и Дэниэл Натане заложили основы генной инженерии.
• 1973 г.: в США впервые создана генетически модифицированная бактерия.
• 1976 г.: индийский биофизик Хар Гобинд Корана впервые полностью синтезировал ген.

В. Иванов, доктор физико-математических наук

Шестьдесят лет назад было сделано замечательное научное открытие. 25 апреля 1953 года была опубликована статья о том, как устроена самая загадочная молекула – молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты. Сокращенно её называют ДНК. Эта молекула встречается во всех живых клетках всех живых организмов. Обнаружили ее ученые более ста лет назад. Но тогда никто не знал, как эта молекула устроена и какую роль играет в жизни живых существ.
Окончательно разгадать тайну удалось английскому физику Френсису Крику и американскому биологу Джеймсу Уотсону. Их открытие было очень важным. И не только для биологов, которые узнали наконец, как устроена молекула, управляющая всеми свойствами живого организма. Одно из крупнейших открытий человечества было сделано так, что совершенно невозможно сказать, какой науке это открытие принадлежит, – так тесно слились в нем химия, физика и биология. Этот сплав наук и есть самая яркая черта открытия Крика и Уотсона.

НА ОДНУ МОЛЕКУЛУ МОЖНО ВЗГЛЯНУТЬ ПО-РАЗНОМУ

Ученых давно интересовала тайна главного свойства всех живых организмов – размножение. Почему дети – идет ли речь о людях, медведях, вирусах – похожи на своих родителей, бабушек и дедушек? Для того, чтобы открыть тайну, биологи исследовали самые разные организмы.
И ученые выяснили, что за сходство детей и родителей отвечают особые частицы живой клетки – хромосомы. Они похожи на маленькие палочки. Небольшие участки палочки-хромосомы назвали генами. Генов очень много, и каждый отвечает за какой-нибудь признак будущего организма. Если говорить о человеке, то один ген определяет цвет глаз, другой – форму носа... Но из чего состоит ген и как он устроен, этого ученые не знали. Правда, было уже известно: в хромосомах содержится ДНК и ДНК имеет какое-то отношение к генам.
Разгадать тайну гена хотели разные ученые: каждый смотрел на эту тайну с точки зрения своей науки. Но чтобы узнать, как устроен ген, маленькая частица ДНК, надо было узнать, как устроена и из чего состоит сама молекула.
Химики, которые исследуют химический состав веществ, изучали химический состав молекулы ДНК. Физики стали просвечивать ДНК рентгеновскими лучами, как обычно они просвечивают кристаллы, чтобы узнать, как эти кристаллы устроены. И выяснили, что ДНК похожа на спираль.
Биологи интересовались загадкой гена, конечно, больше всех. И Уотсон решил заняться проблемой гена. Для того, чтобы поучиться у передовых биохимиков и побольше узнать о природе гена, он отправился из Америки в Европу.
В то время Уотсон и Крик еще не знали друг друга. Уотсон, проработав некоторое время в Европе, никак существенно не продвинулся в выяснении природы гена.
Но на одной из научных конференций он узнал, что физики изучают строение молекулы ДНК с помощью своих, физических методов. Узнав это, Уотсон понял, что тайну гена ему помогут раскрыть физики, и отправился в Англию, где устроился работать в физическую лабораторию, в которой исследовали биологические молекулы. Здесь-то и произошла встреча Уотсона и Крика.

КАК ФИЗИК КРИК ЗАИНТЕРЕСОВАЛСЯ БИОЛОГИЕЙ

Крик вовсе не интересовался биологией. До тех пор, пока ему на глаза не попалась книжка известного физика Шредингера "Что такое жизнь с точки зрения физики?".
В этой книжке автор высказал предположение, что хромосома похожа на кристалл. Шредингер заметил, что "размножение" генов напоминает рост кристалла, и предложил ученым считать ген кристаллом. Это предложение заинтересовало Крика и других физиков. Вот почему.
Кристалл – очень простое по структуре физическое тело: в нем все время повторяется одна и та же группа атомов. А устройство гена считали очень сложным, раз их так много и все они разные. Если гены состоят из вещества ДНК, а молекула ДНК устроена так же, как кристалл, то получается: она одновременно и сложная и простая. Как же так? Уотсон и Крик понимали: физики и биологи слишком мало знают о молекуле ДНК. Правда, кое-что было известно о ДНК химикам.

КАК УОТСОН ПОМОГ ХИМИКАМ, А ХИМИКИ – КРИКУ

Химики знали, что в состав молекулы ДНК входят четыре химических соединения: аденин, тимин, гуанин и цитозин. Их обозначили по первым буквам – А, Т, Г, Ц. Причем аденина было столько же, сколько тимина, а гуанина – сколько цитозина. Почему? Этого химики понять не могли.
Они догадывались: это как-то связано со структурой молекулы. Но как, не знали. Химикам помог биолог Уотсон.
Уотсон привык к тому, что в живой природе многое встречается парами: пара глаз, пара рук, пара ног, существуют, например, два пола: мужской и женский... Ему казалось, что и молекула ДНК может состоять из двух цепочек. Но если ДНК похожа на спираль, как выяснили физики при помощи рентгена, то как в этой спирали две цепочки держатся друг за друга? Уотсон предположил, что при помощи А, Г, Ц и Т, которые, как руки, протянуты друг к другу. Вырезав из картона контуры этих химических соединений, Уотсон долго прикладывал их то так, то эдак, пока вдруг не увидел: аденин прекрасно соединяется с тимином, а гуанин с цитозином.
Уотсон рассказал об этом Крику. Тот быстро сообразил, как должна выглядеть двойная спираль на самом деле – в пространстве, а не на рисунке.
Оба ученых начали строить модель ДНК.
Как это – "строить"? А вот как. Из молекулярного конструктора, который напоминает детский конструктор-игрушку. В молекулярном конструкторе деталями служат шарики-атомы, которые пристегиваются друг к другу кнопочками в том порядке, в каком расположены атомы в веществе.
Молекулярный конструктор придумал другой ученый – химик Полинг. Он строил модели молекул белков и выяснил, что в них обязательно должны быть участки, похожие на спирали. Очень скоро это подтвердили физики той лаборатории, где работал Крик. Важная биологическая проблема была решена теоретическим путем.
Способ Полинга так понравился Крику, что он предложил Уотсону построить модель ДНК при помощи молекулярного конструктора. Вот так была создана модель знаменитой Двойной спирали ДНК, которую вы можете увидеть на рисунке.
И что замечательно: из-за того, что А в одной цепи может "склеиваться" только с Т в другой, а Г – только с Ц, автоматически выполняется "химическое" правило, по которому количество А равно количеству Т, а количество Г равно количеству Ц. Но самое о главное, что, глядя на Двойную спираль ДНК, сразу понятно, как решить загадку размножения генов. Достаточно "размотать" косичку ДНК, и каждая цепочка сможет достроить на себе новую так, чтобы А склеивалось с Т, а Г – с Ц: был один ген – стало два. Из-за того, что размеры пар А-Т и Г-Ц одинаковы, молекула ДНК по структуре в самом деле напоминает кристалл, как предполагали физики.
И в то же время этот "кристалл" может содержать самые разные сочетания А, Т, Ц, Г, и поэтому все гены разные.
Решение проблемы гена Уотсоном и Криком привело к тому, что буквально за 2–3 года сформировалась целая новая область естествознания, которую назвали молекулярной биологией. Часто ее называют физико-химической биологией.

КАК ПЕРЕСТАЛИ СПОРИТЬ "ФИЗИКИ" И "ЛИРИКИ"

Можно привести и другие примеры взаимного проникновения разных наук друг в друга. Математика, например, широко используется в астрономии, физике и даже в... лингвистике, науке о строении языка.
Математические методы, например, позволяют установить подлинного автора неизвестных рукописей. Отыскали в архивах неизвестное стихотворение, а кто его автор? Ученые предполагают, что написал известный поэт. Но как проверить это предположение? Математики подсчитывают, сколько раз в этом произведении встречается какое-нибудь определенное слово, или, скажем, в какой последовательности встречаются слова в тексте. Такие же расчеты делают и в известном произведении предполагаемого автора. Результаты сравнивают. Если они совпадают – значит, найдена подлинная рукопись. Так математики возвращают нам, читателям, украденные временем произведения известных писателей и поэтов.
Или, например, физика и музыка... Что может быть общего у точной науки с искусством? Оказывается, есть общее.
На струнных инструментах – на скрипке, виолончели – музыкант сам выбирает нужную высоту звука. Не нравится скрипачу, как звучит, к примеру, нота "до", кажется ему, что она должна звучать чуть выше или, наоборот, чуть ниже, – он сам подберет на струне точное звучание. Пианист этого сделать не может. На клавиатуре каждая клавиша – определенная нота. Сколько раз ни нажимай, она будет звучать одинаково. Значит, для точного исполнения музыкального произведения рояль должен быть очень точно настроен. Физики высчитали ту частоту колебания звука, по которой музыкальные клавишные инструменты можно настроить наиболее точно. Как видите, трудно пришлось бы музыкантам и лингвистам без физиков и математиков.
Современному человеку необходимо обладать знаниями самыми разнообразными. Сегодняшнему ученому это особенно важно. В наше время появилось много наук составных: физическая химия и химическая физика, даже, как вы теперь знаете, физико-химическая биология. Какое отношение все это имеет к вам? Самое прямое.
В школе я не думал даже, что когда-нибудь стану заниматься биологией. Увлекался больше точными науками. А вот теперь биологией занимаюсь.
Неправильно разделять школьные предметы на те, которые нужны, и те, которые не нужны. Кто знает, что может пригодиться потом?

08.04.2015 13.10.2015

Открытие ДНК или нуклеиновых кислот, позволило вывести молекулярную биологию и медицину на совершенно новый уровень, их роль в нашем организме сложно переоценить. Благодаря этим веществам существует понятие наследственности, именно они передают ряд признаков из поколения в поколения. Также биосинтез белков, который происходит в любом организме, абсолютная заслуга нуклеиновых кислот.

Что собой представляют нуклеиновые кислоты?

Существует два типа этих веществ, дезоксирибонуклеиновая кислота, больше знакома как ДНК, она несёт всю генетическую информацию. Второй тип - это рибонуклеиновая кислота или РНК, в её функции входит перенос и временное хранение всё той же генетической информации. Устроены ДНК и РНК по одному принципу, по своему химическому составу их называют двойняшками, но они не являются близнецами, так как отличия у них имеются. Они оба представляют собой сложные полимерные молекулы, состоящие из нуклеотидов, отдельных звеньев, но главное отличие их в углеводном компоненте, у ДНК сахар - дезоксирибоза, а у РНК - рибоза. Форма ДНК известна как жёсткая спираль, состоящая из двух цепей, а РНК чаще выглядит как сложный клубок, иногда может сформироваться в виде спирали из цепочек. Сегодня известно понятие нуклеиновой кислоты, а ещё чуть более полувека назад о подобных названиях никто не слышал.

К истокам открытия

Во многих научных изданиях, посвящённых истории ДНК, встречаются имена английского физика Френсиса Крика и американского биолога Джеймса Уотсона. Да, им действительно удалось в 1953 году разгадать тайну строения молекулы и они вошли в историю, но изначально открыта она была значительно раньше, молодым и неизвестным врачом из Швейцарии - Фридрихом Мишером, в далёком 1869 году.

Открытие Мишера

Врач отправился в Германию для написания своей диссертации, где ему поручили разобрать химический состав гноя. Работой Мишер остался доволен, он считал, что лейкоциты, входящие в состав гноя являются элементарными клетками.
Процесс исследования молодого учёного заключался в помещении бинтов с содержанием гноя, полученных из местной больницы, в солевой раствор, в котором лейкоциты отделялись от ткани и осаждались на дно сосуда. После чего полученный осадок, он помещал в щелочную среду, где он должен был раствориться, но каково было его удивления, когда полученное вещество осталось в прежнем состоянии, несмотря на воздействие специальных ферментов. Мишер стал интенсивнее изучать полученные ядра, то, что это были именно они, он не сомневался, хотя до его открытия биохимические лаборатории не занимались подобными экспериментами. Открытием врач поделился с наставником и владельцем лаборатории Гоппе-Зейлером, к исследованию подопечного, профессор отнёсся скептически. Он не любил поспешных выводов и не торопился озвучивать новое открытие. Гоппе-Зейлер вместе с российским химиком Любавиным, работающим в его лаборатории, скрупулёзно изучали работу Мишера, и им удалось получить нуклеин из клеток крови и дрожжей. И тогда, об открытии в 1871 году узнали массы и оно вошло в историю.

Сплетение наук ради совместной цели

Проблемой того времени стало непонимание важности открытия, была выдвинута гипотеза о том, что нуклеиновые кислоты отвечают за генетическую предрасположенность, но позже от неё отказались. Понадобилось ещё полвека, чтоб вновь доказать факт существования связи. Учёных не переставал мучить вопрос, почему дети имеют сходства с родителями, какой секрет этого феномена? Вот тогда к открытию Мишера вернулись Уотсон и Крик, для решения столь важного вопроса были сплетены разные науки:

• физика;
• химия;
• биология;
• медицина;
• даже математика.

Каждый из учёных смотрел на нуклиды со стороны своей науки, но ради общего благого дела они объединились. Химикам удалось
узнать состав молекулы ДНК, физики определили, при помощи рентгена, что она имеет форму спирали с двумя цепочками, а биолог Уолтсон помог разобраться в парности веществ входящих в её состав. Он определил, что ДНК состоит из определённых элементов, и они притягиваются, тимин соединяется с аденином, а цитозин с гуанином. Эти частицы стали означать буквами А, Т, Г и Ц. При этом цитозин склеивается только гуанином, соответственно их количество должно быть одинаковым между собой, а тимин с аденином по аналогичному принципу. После сопоставления всех факторов Крик и Уотсон вместе начали строить модель ДНК из молекулярного конструктора, элементами которого послужили атомные шарики, работу проделали для того, чтоб разобраться с принципом действия молекулы. Условно «размотав» спираль из ДНК, получатся отдельные цепочки, которые способны достроить себе подобную и обратно склеиться между собой (А с Т, Г с Ц), где был один ген становится два и так далее. Таким образом, была разгадана теоретическим путём тайна генов и 25 апреля 1953 года была опубликована первая информация о загадочной молекуле ДНК. Уже через несколько лет была выведена новая наука физико-химическая или молекулярная биология.

Роль ДНК в жизни человека

Точно доведёнными являются несколько функций этой молекулы:

• она является носителем генетического кода;
• функция репликации позволяет передавать генетическую информацию в разные поколения клеток;
• реализация информации происходит через белки, а ДНК участвует в их транскрипции или ещё называют этот процесс трансляции.

Помимо основной наследственной или генной функции, существуют различные гипотезы влияния молекулы на возможность существования организма. Согласно одной из них, от ДНК зависит кодирование видовых размеров органов, а другая (получила название «нулевая») твердит, что 95% составляющей молекулы не выполняет никакой функции. Несмотря на различные предположения, с точки зрения медицины открытие стало незаменимым. Благодаря открытию структуры ДНК были достигнуты следующие результаты в медицине и генетике:

• выявлена взаимосвязь между многими наследственными заболеваниями и изменениями в её структуре;
• создана вакцина для предотвращения гепатита;
• разработан инсулин для поддержания больного сахарным диабетом;
• медики научились вводить полноценно работающие гены в организм пациента для восстановления метаболических процессов, нарушенных мутационными генами, этот метод позволяет лечить больных, например, гемофилией и иммунодефицитом;
• определения родственной связи путём забора генетического материала.

Существует ли дальнейшая перспектива развития?

Технологии движутся вперед, и учёные ищут новые пути использования знаний о молекуле ДНК, которые позволят открыть новые перспективы в области генетики и медицины. Так, например, секвенирования ДНК, другими словами, прочтение изначальной её структуры, первый такой эксперимент длился около 13 лет и стоил порядка трёх миллионов долларов, то сейчас эта технология обойдётся в пару тысяч, а времени займёт не больше недели. Следующим шагом этого направления обещают специалисты, станет выполнение секвенирования за несколько часов и стоимостью 100 долларов.

Ещё одним прогнозом считается расшифровка за ближайшую четверть века большинства заболеваний на генетическом уровне, что позволит продлить жизнь человека ориентировочно на 10–20 лет.

А знаете ли вы?

На примере открытия молекулы ДНК и стремительном развитии новой науки молекулярной биологии и связанной с ней различных технологий, можно быть уверенным, что судьба человечества в надёжных руках современных учёных!

ДНК является универсальным источником и хранителем наследственной информации, которая записана с помощью специальной последовательности нуклеотидов, она определяет свойства всех живых организмов.

Средняя молекулярная масса нуклеотида принимается равной 345, а количество нуклеотидных остатков может достигать нескольких сот, тысяч и даже миллионов. ДНК в основной своей массе находится в ядрах клеток. Немного содержится в хлоропластах и митохондриях. Однако ДНК ядра клетки - это не одна молекула. Она состоит из множества молекул, которые распределены по разным хромосомам, их количество меняется в зависимости от организма. Это и есть особенности строения ДНК.

История открытия ДНК

Строение и функции ДНК были открыты Джеймсом Уотсоном и Френсисом Криком, им даже была вручена Нобелевская премия в 1962 году.

Но впервые обнаружил нуклеиновые кислоты швейцарский ученый Фридрих Иоганн Мишер, работавший в Германии. В 1869 году он изучал животные клетки - лейкоциты. Для их получения использовал повязки с гноем, достававшиеся ему из больниц. Из гноя Мишер вымывал лейкоциты, а из них выделял белок. В ходе этих исследований ученому удалось установить, что в лейкоцитах кроме белков имеется еще что-то, какое-то неизвестное на тот момент вещество. Оно представляло собой нитевидный или хлопьевидный осадок, который выделялся, если создать кислую среду. Осадок сразу растворялся при добавлении щелочи.

Ученый с помощью микроскопа обнаружил, что при отмывании лейкоцитов с помощью соляной кислоты от клеток остаются ядра. Тогда он сделал заключение, что в ядре есть неизвестное вещество, названное им нуклеином (слово nucleus в переводе означает ядро).

Проведя химический анализ, Мишер выяснил, что новое вещество в своем составе имеет углерод, водород, кислород и фосфор. В то время фосфорорганических соединений было известно немного, поэтому Фридрих решил, что обнаружил новый класс соединений, находящихся в ядре клетки.

Таким образом, в XIX веке было открыто существование нуклеиновых кислот. Однако в то время никто не мог даже подумать о том, какая важная роль им принадлежит.

Вещество наследственности

Строение ДНК продолжали исследовать, и в 1944 году группа бактериологов под руководством Освальда Эвери получила доказательства того, что эта молекула заслуживает серьезного внимания. Ученый на протяжении многих лет занимался изучением пневмококков, организмов, которые вызывали пневмонию или заболевание легких. Эвери проводил опыты, смешивая пневмококки, вызывающие заболевание, с теми, которые безопасны для живых организмов. Сначала болезнетворные клетки убивали, а после добавляли к ним те, которые заболеваний не вызывают.

Результаты исследований поразили всех. Были такие живые клетки, которые после взаимодействия с мертвыми научались вызывать болезнь. Ученый выяснил природу вещества, которое участвует в процессе передачи информации живым клеткам от мертвых. Молекула ДНК и оказалась этим веществом.

Строение

Итак, необходимо разобраться с тем, какое строение имеет молекула ДНК. Открытие ее структуры стало значимым событием, это привело к образованию молекулярной биологии - новой отрасли биохимии. ДНК в больших количествах находится в ядрах клеток, однако размеры и количество молекул зависят от вида организма. Установлено, что ядра клеток млекопитающих содержат много этих клеток, они распределены по хромосомам, их насчитывается 46.

Изучая строение ДНК, в 1924 году Фельген впервые установил ее локализацию. Доказательства, полученные в ходе экспериментов, показали, что ДНК находится в митохондриях (1-2%). В других местах эти молекулы могут находиться при вирусной инфекции, в базальных тельцах, а также в яйцеклетках некоторых животных. Известно, что чем сложнее организм, тем масса ДНК больше. Количество молекул, находящихся в клетке, зависит от функции и составляет обычно 1-10%. Меньше всего их находится в миоцитах (0,2%), больше - в половых клетках (60%).

Строение ДНК показало, что в хромосомах высших организмов они связаны с простыми белками - альбуминами, гистонами и прочими, которые все вместе образуют ДНП (дезоксирибонуклеопротеид). Обычно большая молекула нестойкая, и для того чтобы она оставалась целой и неизменной в ходе эволюции, создана так называемая репарирующая система, которая состоит из ферментов - лигаз и нуклеаз, отвечающих за «ремонт» молекулы.

Химическое строение ДНК

ДНК является полимером, полинуклеотидом, состоящим из огромного числа (до десятков тысяч миллионов) мононуклеотидов. Строение ДНК имеет следующий вид: мононуклеотиды содержат азотистые основания - цитозин (Ц) и тимин (Т) - из производных пиримидинов, аденин (А) и гуанин (Г) - из производных пурина. Кроме азотистых оснований, в составе молекулы человека и животных имеется 5-метилцитозин — минорное пиримидиновое основание. С фосфорной кислотой и дезоксирибозой связываются азотистые основания. Схема строения ДНК продемонстрирована ниже.

Правила Чаргаффа

Строение и биологическая роль ДНК изучались Э. Чаргаффом в 1949 году. В ходе исследований он выявил закономерности, которые наблюдаются в количественном распределении азотистых оснований:

1. ∑Т + Ц = ∑А + Г (то есть число пиримидиновых оснований равно числу пуриновых).
2. Всегда количество остатков аденина равно количеству остатков тимина, а количество гуанина равно цитозину.
3. Коэффициент специфичности имеет формулу: Г+Ц/А+Т. Например, у человека он равен 1,5, у быка - 1,3.
4. Сумма "А + Ц" равна сумме "Г + Т", то есть аденина и цитозина имеется столько же, сколько гуанина и тимина.

Модель строения ДНК

Ее создали Уотсон и Крик. Остатки фосфатов и дезоксирибоз располагаются по хребту двух закрученных спиралеобразным образом полинуклеотидных цепей. Определено, что плоскостные структуры пиримидиновых и пуриновых оснований располагаются перпендикулярно оси цепи и образуют как бы ступени лестницы в виде спирали. Установлено также, что А всегда соединяется с Т при помощи двух водородных связей, а Г прикреплено к Ц уже тремя такими же связями. Этому явлению дали название "принцип избирательности и комплементарности".

Уровни структурной организации

Изогнутая как спираль полинуклеотидная цепь - это первичная структура, которая имеет определенный качественный и количественный набор мононуклеотидов, связанных 3’,5’-фосфодиэфирной связью. Таким образом, каждая из цепей имеет 3’-конец (дезоксирибоза) и 5’-конец (фосфатный). Участки, которые содержат в себе генетическую информацию, названы структурными генами.

Двухспиральная молекула - это вторичная структура. Причем ее полинуклеотидные цепи антипараллельны и связываются водородными связями между комплементарными основаниями цепей. Установлено, что в каждом витке этой спирали содержится 10 нуклеотидных остатков, длина ее равняется 3,4 нм. Эту структуру поддерживают также Ван-дер-Ваальсовы силы взаимодействия, которые наблюдаются между основаниями одной цепи, включающие отталкивающие и притягивающие компоненты. Эти силы объясняются взаимодействием электронов в соседних атомах. Электростатическое взаимодействие также стабилизирует вторичную структуру. Оно возникает между заряженными положительно молекулами гистонов и заряженной отрицательно нитью ДНК.

Третичная структура - это намотка цепей ДНК на гистоны или суперспирализация. Описано пять видов гистонов: Н1, Н2А, Н2В, Н3, Н4.

Укладка нуклеосом в хроматин - это четвертичная структура, поэтому молекула ДНК, имеющая длину несколько сантиметров, может складываться до 5 нм.

Функции ДНК

Основными функциями ДНК являются:

1. Хранение наследственной информации. Последовательность аминокислот, находящихся в молекуле белка, определяется порядком, в котором расположены нуклеотидные остатки в молекуле ДНК. Также в ней зашифрована вся информация о свойствах и признаках организма.
2. ДНК способна передавать наследственную информацию следующему поколению. Это возможно из-за способности к репликации - самоудвоению. ДНК способна распадаться на две комплементарные цепочки, и на каждой из них (в соответствии с принципом комплементарности) восстанавливается исходная последовательность нуклеотидов.
3. При помощи ДНК происходит биосинтез белков, ферментов и гормонов.

Заключение

Строение ДНК позволяет ей являться хранителем генетической информации, а также передавать ее следующим поколениям. Какие есть особенности у этой молекулы?

1. Стабильность. Это возможно благодаря гликозидным, водородным и фосфодиэфирным связям, а также механизму репарации индуцированных и спонтанных повреждений.
2. Возможность репликации. Этот механизм позволяет в соматических клетках сохранять диплоидное число хромосом.
3. Существование генетического кода. При помощи процессов трансляции и транскрипции последовательность оснований, находящихся в ДНК, преобразуется в последовательность аминокислот, находящихся в полипептидной цепи.
4. Способность к генетической рекомбинации. При этом образуются новые сочетания генов, которые сцеплены между собой.

Таким образом, строение и функции ДНК позволяют ей играть неоценимую роль в организмах живых существ. Известно, что длина 46-ти молекул ДНК, находящихся в каждой клетке человека, равна почти 2 м, а число нуклеотидных пар составляет 3,2 млрд.