Дезоксирибонуклеиновые кислоты

ДЕЗОКСИРИБОНУКЛЕИ́НОВЫЕ
КИСЛÓТЫ, ДНК, нуклеиновые к-ты, содержащие в качестве углеводного компонента дезоксирибозу, а в качестве азотистых оснований аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц), тимин (Т). Присутствуют в клетках любого организма, а также входят в состав мн. вирусов. Первичная структура молекулы ДНК (последовательность нуклеотидов в неразветвлённой полинуклеотидной цепи) строго индивидуальна и специфична для каждой природной ДНК и представляет кодовую форму записи биол. информации ("генетический код"). Впервые доказательство генетич. роли ДНК получено в 1944 О. Эйвери с сотрудниками (США) в опытах по "трансформации", осуществлённых на бактериях. В виде уникальной последовательности оснований информация о структуре белка сохраняется и многократно и точно воспроизводится с помощью механизмов репликации и транскрипции, затем в процессе синтеза белков на рибосомах (трансляция) реализуется в последовательность аминокислот. Нуклеотидный состав ДНК, выделенных из организмов разных видов, сильно различается, но является характерным для каждого вида. Видоспецифичность ДНК – основа геносистематики и используется для установления филогенетич. близости организмов. Содержание нуклеотидов в ДНК подчиняется закономерностям, вскрытым Э. Чаргаффом (1950): суммарное кол-во пуриновых оснований равно сумме пиримидиновых оснований, причём кол-во А равно кол-ву Т, а кол-во Г – кол-ву Ц. Эти закономерности определяются особенностями макромолекулярной структуры ДНК, открытой Дж. Уотсоном и Ф. Криком (1953). Согласно разработанной ими трёхмерной модели структуры ДНК, молекулы ДНК представляют две правозакрученные вокруг общей оси спиральные полинуклеотидные цепи с шагом спирали 34 А, содержащие 10 нуклеотидов на виток и расположенные антипараллельно (последовательность межнуклеотидных связей в двух цепях направлена в противоположные стороны 3'→5' и 5'→3') на расстоянии 18 Å друг от друга. Фосфатные группы находятся на внеш. стороне двойной спирали, а азотистые основания – внутри т.о., что их плоскости перпендикулярны оси молекулы. При этом противолежащие основания в цепях образуют за счёт водородных связей т.н. комплементарные пары А·Т и Г·Ц. Т. о., последовательность оснований в одной цепи однозначно определяет последовательность оснований в др. (комплементарной) цепи молекулы. Комплементарность представляет универсальный принцип структурно- функциональной организации нуклеиновых к-т и реализуется при формировании макромолекул ДНК и РНК в ходе репликации и транскрипции. Кроме водородных связей стабилизация спиральной структуры ДНК достигается также межплоскостными взаимодействиями оснований. Параметры модели Уотсона – Крика соответствуют конформации ДНК в физиол. условиях (т.н. В-форма ДНК). Нагревание, значит. изменение pH, понижение ионной силы и ряд др. факторов вызывают денатурацию двуцепочечной молекулы ДНК. Термин, денатурация часто наз. плавлением и определяется темп-рой плавления (Т^пл), характерной для данной ДНК (обычно 80–90°). В определ. условиях возможно полное восстановление нативной структуры молекул ДНК (ренатурация). Это явление используется в классич. методах мол. биологии – ренатурационном анализе, мол. гибридизации, широко применяющихся для изучения структурной организации генетич. аппарата и молекулярно-генетич. аспектов эволюции. Способность комплементарных цепей легко разъединяться, а затем вновь восстанавливать исходную структуру лежит в основе функционирования ДНК в процессах репликации и транскрипции.

Большинство природных ДНК имеет двуцепочечную структуру, линейную или кольцевую форму (в последнем случае концы молекулы ковалентно замкнуты). Исключение составляют нек-рые вирусы, в составе к-рых обнаружены одноцепочечные ДНК, также линейные или кольцевые. Биспиральная структура не является абсолютно жёсткой, что делает возможным образование перегибов, петель, суперспиралей и т.п., необходимых для упаковки гигантских молекул ДНК в малом объёме клетки или вируса. В клетках прокариот ДНК организована в одну хромосому – нуклеоид – и представляет единую макромолекулу с мол. м. более 10₉ и дл. ок. 1 мм, упакованную в виде суперспирализованных петель; небольшие циклич. молекулы ДНК присутствуют в плазмидах. В клетках эукариот ДНК находится гл. обр. в ядре в виде дезоксирибонуклеопротеидного комплекса (ДНП), осн. составной части хроматина или хромосом. Полагают, что хромосома эукариот, подобно бактериальной, состоит из одной молекулы ДНК с очень высокой мол. массой (напр., мол. масса самой крупной хромосомы дрозофилы 7,9 × 10₁₀). Кроме ядра, ДНК (кольцевые молекулы с мол. м. 10₆–10₇) входит в состав митохондрий и хлоропластов, где обеспечивает автономный синтез белков в этих клеточных органоидах. В цитоплазме эукариотич. клеток обнаружены аналоги плазмидных ДНК-бактерий. Минимальное для данного вида кол-во ДНК содержат половые клетки, имеющие гаплоидный набор хромосом. В ядрах соматич. клеток ДНК, как правило, вдвое больше, чем соответствует диплоидному набору. Относит, содержание ДНК определяется видовыми особенностями и функциональным состоянием клетки, составляя обычно неск. процентов. Биосинтез ДНК осуществляется путём матричного синтеза (в основе лежат закономерности образования комплементарных пар) по полуконсервативному механизму. Репликация хромосомной ДНК в делящейся клетке начинается с локального расплетения двойной спирали и образования репликативной вилки, в чём принимают участие специфич. эндонуклеазы и расплетающие белки. Синхронность репликации обеих антипараллельных цепей обеспечивается благодаря тому, что синтез идёт короткими фрагментами (100–10 000 нуклеотидов), к-рые присоединяются затем к растущим цепям ферментом ДНК-лигазой. А. Корнберг в 1967 осуществил ферментативный синтез биол. активной ДНК in vitro. В 1970 X. Корана завершил полный химич. синтез двуцепочечного полинуклеотида, соответствующего гену аланиновой тРНК дрожжей. Для решения мн. теоретич. и прикладных проблем биологии, медицины и с. х-ва важнейшую роль играет искусств. получение генетич. структур с заданным строением ("генетическая инженерия"). См. также ст. "Ген".

Схема

Корнберг Α., Синтез ДНК, пер. с англ., М., 1977; Шабарова З. Α., Богданов Α. Α., Химия нуклеиновых кислот и их компонентов, М., 1978.