Носитель наследственной информации у вирусов

Тематический рубрикатор

ДНК - носитель наследственной информации

История науки не всегда точно датирует важнейшие события, хотя установление подлинного приоритета - вопрос очень важный. Когда и как родилась сама идея генетического кода? Кто и когда впервые высказал гипотезу о том, что в структуре биологических полимеров зашифрована генетическая информация организма?

Физические исследования живой материи позволяют глубже изучить ее свойства, например, показать причину функциональной жизнеспособности молекулы ДНК. "Наука и жизнь", 1990, N6

Знаменитый кристаллограф Ричард Дикерсон (именно он с коллегами впервые увидел изогнутую ДНК) вспоминает о золотых годах молекулярной биологии, о том, как все начиналось. Макс Перутц и Джон Кендрью в Кембридже 50-х работали в обыкновенном сарае. Пионерские работы делались на вычислительной машине ЭДСАК, а вычислительный центр ругал ученых за манеру заклеивать лишние дырочки на перфоленте пластырем. Так были получены данные по структуре белка миоглобина и множество других интересных результатов.

Поразительно однообразно устроены основные системы живых объектов, стоящих на разных ступенях эволюционного развития: от самых примитивных до высших, включая млекопитающих и человека. Само это сходство подсказывает, что данные о работе наследственного аппарата микроорганизмов можно использовать для объяснения "тайны тайн" - структурной организации и функционирования хромосом высших организмов. Об этом и рассказано в статье.

С тех пор, как бактериальные инфекции начали лечить сульфаниламидными препаратами, было известно, что у бактерий развивается устойчивость к этому лекарству. Рано или поздно происходит самопроизвольная мутация, которая делает одну из бактерий неуязвимой к лекарству, и бактерия начинает активно размножаться. Но по мере появления новых сильных антибиотиков стало ясно, что устойчивость вырабатывается сразу на большую группу разных лекарств. Более того, устойчивые бактерии передают свою способность неустойчивым бактериям, как передают организмы инфекцию друг другу. Так появился термин "инфекционная устойчивость".

Автор пытается ответить на вопрос, почему так трудно решить проблему белково-нуклеинового узнавания, когда белок узнает нужную ему нуклеиновую кислоту. Возможно, причина неудач не только в объективной сложности вопроса - вступают в действие психологические факторы: ученому подчас столь трудно отказаться от господствующих в науке представлений, что он продолжает использовать старые идеи, несмотря на появление факторов, им противоречащих.

Действие опухолевых вирусов, по крайней мере таких, которые содержат в качестве генетического материала ДНК, очень сходно с действием бактериофагов. Поэтому бактериофаги могут служить отличной моделью, с помощью которых ученые могут исследовать причины и механизм развития рака. А значит - искать способы борьбы с ним.

22 октября 1987 г. был создан первый в нашей стране банк генов - хранилище глубоко замороженных половых клеток и зародышей диких и лабораторных животных. Чем продиктована необходимость создания подобных банков и как шли поиски методов "долгосрочного сохранения живых клеток", рассказывается в статье.

Статья посвящена столетию открытия нуклеиновых кислот, которое сделал Фридрих Мишер, и тому прогрессу в познании феномена жизни и установлении структуру ДНК, который стал возможен благодаря этому открытию.

Увлекательный рассказ о том, как устроена молекула, несущая генетическую информацию о строении огрнанизма.. "Наука и жизнь", 2008, N1

Сегодня ученые с легкостью оперируют последовательностями нуклеотидов в ДНК и РНК. Полностью прочитаны последовательности в геноме множества простейших и животных, включая человека. А в 1962 году, когда американский биохимик Р.У.Холли вместе со своими сотрудниками впервые расшифровал последовательность нуклеотидов в транспортной РНК, это стало настоящей сенсацией. Объектом исследования ученых была одна из т-РНК, которая, присоединяя аминокислоту аланин, переносит ее в рибосому для включения в синтезируемый белок; ее называют аланиновой т-РНК. Важность открытия даже трудно было оценить. Ведь транспортные РНК играют чрезвычайно важную роль в синтезе белка, переводя четырехбуквенный код нуклеиновой кислоты на двадцатибуквенный язык белка. Ведь для строительства белков организм использует всего двадцать аминокислот. О том, как было сделано это открытие, рассказано в статье.

Автор предлагает проследить жизненный путь вируса на примере бактериофага Т2 (бактериофаг - пожиратель бактерий, вирус, поражающий бактериальные клетки). Бактериофаг Т2 - продолговатая частица, головка которой несет в себе молекулу ДНК, а специальный отросток помогает прикрепляться к стенке бактерии. После чего молекула вирусной ДНК впрыскивается в бактерию через внутреннее отверстие отростка. С этого момента клетка обречена.

Есть несколько проектов возрождения мамонтов. Но для любого из них нужно иметь неповрежденные клетки ископаемого животного. За последние 150 лет найдено несколько вполне сохранившихся туш мамонтов. Но при разморозке их мясо превращается в кашицу, так как полностью утратило свою структуру. Надежнее - попробовать расшифровать геном. Но и молекулы ДНК в замерзших клетках, вероятнее всего, распались на короткие фрагменты.

Интервью с профессором Вейцмановского института в Реховоте. Специфика израильской науки, зародившейся едва ли не раньше государства Израиль, воспоминания о Роберте Вудворде, который отказался печатать "Двойную спираль" Уотсона в издательстве Гарвардского университета - и так же твердо отказался быть соавтором трудоемкой работы, которая подтвердила высказанную им идею.

Рисуя человечка с головой на плечах, ребенок исходит из опыта. Но каким образом действует природа, расставляя по местам различные органы и ткани живого существа при его развитии из оплодотворенной яйцеклетки? Где записан план его развития и какие инструменты используют клетки для его воплощения? О плане написано уже предостаточно: он закодирован в последовательности нуклеотидов молекул ДНК - "вещества наследственности". Гораздо меньше известно о том, как этот план реализуется и как регулируется в пространстве и времени формирование частей тела взрослого организма (процесс, называемый морфогенезом). Об открытии некоторых механизмов морфогенеза и рассказано в статье.

В Японии в 2004 году прошли выставки, где ученые и руководители национальных геномных программ популярно объясняли, в чем суть их работы и какая от нее польза. Посетителям рассказывали про то, что такое ген, мутация, транскрипция и трансляция, про эволюционное родство между классами живых существ, про разницу между болезнетворными и полезными бактериями. Желающие могли выделить собственную ДНК и унести ее с собой или проверить, обеспечивают ли их личные гены устойчивость к алкоголю.

Доказано, что один из генов бактериофага ?Х174 целиком находится внутри другого гена. Это открытие опровергает общепринятое мнение о том, что генетическая информация для разных белков должна быть записана в разных и неперекрывающихся участках ДНК. О работе британских ученых над расшифровкой нуклеотидной последовательности ДНК фага ?Х174 рассказывается в статье.

Автор классической научно-популярной книги о ДНК "Самая главная молекула" подробно рассказывает о расшифровке генетического кода: как была доказана его триплетность и установлены соответствие между триплетами и аминокислотами, что такое вырожденность и универсальность кода, о том, как молекулярные биологи научились читать последовательности ДНК и применять знание кода на практике.

На конференции, организованной Британским советом, которая прошла в городе Ньюкасл-Апон-Тайн (Англия), обсуждались не столько научные проблемы, сколько практические, житейские, связанные с использованием генетических знаний: диагностика наследственных заболеваний, которую можно провести до рождения ребенка, которая ставит вопрос о прекращении беременности; вопросы искусственного оплодотворения; создание банков генетического материала; клеточная терапия; этика геномных исследований.

После того как в 70-е годы появился метод определения нуклеотидной последовательности (секвенирования) ДНК по Ф.Сэнгеру, у ученых возникла дерзкая мысль: а нельзя ли расшифровать строение всего генома человека, всех трех миллионов нуклеотидов? Российская часть международного проекта начала выполняться с 1988 года. Понятна огромная значимость проекта для медицины, но не менее велика она для фундаментальной науки: так, информация о генах человека облегчит работу с геномами других млекопитающих.

Носителем наследственной информации в клетках являются молекулы ДНК (у некоторых вирусов и бактериофагов РНК). Генетические функции ДНК были установлены в 40-х гг. ХХ в. при изучении трансформации у бактерий. Это явление было впервые описано в 1928 г. Ф. Гриффитом при изучении пневмококковой инфекции у мышей. Вирулентность пневмококков определяется наличием капсульного полисахарида, расположенного на поверхности клеточной стенки бактерии. Вирулентные клетки образуют гладкие колонии, обозначаемые как S-колонии (от англ. smooth — гладкий). Авирулентные бактерии, лишенные капсульного полисахарида в результате мутации гена, формируют шероховатые R-колонии (от англ. rough — неровный).

Схема эксперимента Гриффита по трансформации у бактерий

Как видно из схемы, в одном из вариантов опыта Гриффит заражал мышей смесью живых клеток R-штамма и мертвых клеток S-штамма. Мыши погибали, хотя живые бактерии не обладали инфекционностью. Живые бактерии, выделенные из погибших животных, при посеве на среду образовывали гладкие колонии, так как имели полисахаридную капсулу. Следовательно, происходила трансформация авирулентных клеток R-штамма в вирулентные клетки S-штамма. Природа трансформирующего агента осталась неизвестной.

В 40-х гг. в лаборатории американского генетика О. Эвери был впервые получен очищенный от белковых примесей препарат ДНК из клеток S-штамма пневмококков. Обработав этим препаратом мутантные клетки R-штамма, Эвери и его коллеги (К. Мак-Леод и М. Мак-Карти) воспроизвели результат Гриффита, т.е. добились трансформации: клетки приобрели свойство вирулентности. Таким образом, была установлена химическая природа вещества, осуществляющего перенос информации. Этим веществом оказалась ДНК.

Открытие было достаточно неожиданным, так как до этого времени генетические функции ученые склонны были приписывать белкам. Одной из причин этой ошибки было отсутствие знаний о строении молекулы ДНК. Нуклеиновые кислоты были открыты в ядрах клеток гноя в 1869 г. нем. химиком И. Мишером, и был изучен их химический состав. Однако до 40-х гг. ХХ в. ученые ошибочно полагали, что ДНК — это монотонный полимер, в котором чередуется одна и та же последовательность из 4-х нуклеотидов (AGCТ). Кроме того, нуклеиновые кислоты считались крайне консервативными соединениями с низкой функциональной активностью, в то время как белки обладали рядом свойств, необходимых для выполнения генетических функций: полиморфностью, лабильностью, наличием в составе их молекул различных химически активных групп. И поэтому Эвери и его коллег стали обвинять в некорректности выводов, в недостаточной очистке препарата ДНК от белковых примесей. Однако усовершенствование методики очистки позволило подтвердить трансформирующую функцию ДНК. Ученым удалось передать способность к образованию других типов капсульных полисахаридов у пневмококков, а также получить трансформацию у других видов бактерий по многим признакам, в том числе по устойчивости к антибиотикам. Значение открытия американских генетиков трудно переоценить. Оно послужило стимулом к изучению нуклеиновых кислот, в первую очередь ДНК, в научных лабораториях многих стран.

Вслед за доказательством трансформации у бактерий, генетические функции ДНК были подтверждены на примере бактериофагов (бактериальных вирусов). В 1952 г. А. Херши и С. Чейз инфицировали клетки кишечной палочки (Escherihia coli) фагом Т2. При добавлении к бактериальной культуре этот вирус сначала адсорбируется на поверхности клетки, а затем впрыскивает в нее свое содержимое, что вызывает гибель клетки и освобождение новых фаговых частиц. Авторы эксперимента метили радиоактивной меткой либо ДНК фага Т2 (32Р), либо белок (35S). Фаговые частицы смешивали с бактериальными клетками. Неадсорбированные частицы удаляли. Затем с помощью центрифугирования инфицированные бактерии отделяли от пустых оболочек фаговых частиц. Оказалось, что метка 35S связана с оболочками вируса, которые остаются на поверхности клетки, и, следовательно, вирусные белки внутрь клетки не поступают. Большая же часть метки 32Р оказалась внутри инфицированных бактерий. Таким образом, было установлено, что инфекционные свойства бактериофага Т2 определяются его ДНК, которая проникает в бактериальную клетку и служит основой для образования новых фаговых частиц. Этот опыт также показал, что фаг использует ресурсы клетки-хозяина для собственного воспроизведения.

Итак, к началу 50-х гг. ХХ в. было накоплено достаточное количество фактов, указывающих на то, что носителем генетической информации является ДНК. Помимо изложенных выше прямых доказательств, в пользу этого вывода говорили косвенные данные о характере локализации ДНК в клетке, постоянстве ее количества, метаболитической стабильности и подверженности мутагенным воздействиям. Все это стимулировало исследования по изучению структуры этой молекулы.

Читайте также другие статьи темы 6 "Молекулярные основы наследственности":

Перейти к чтению других тем книги "Генетика и селекция. Теория. Задания. Ответы":

В 50-х годах XX века были сделаны важнейшие открытия в области биологии: было разгадано строение главной молекулы жизни – молекулы ДНК. Принципы работы генетического конструктора выглядели гениально простыми и логичными, и не менее чем на полвека определили развитие биологии, практически став биологической догмой. Однако, как показывают последние исследования, детали генетического конструктора гораздо разнообразнее и сложнее, чем предполагалось прежде. О новейших исследованиях в области хранения и передачи наследственной информации рассказывает доктор биологических наук, сотрудник Палеонтологического Института РАН Александр Марков.

Классическая генетика

И такие представления оказались очень полезными, очень продуктивными для развития науки и привели к взрывному развитию молекулярной биологии. Но в процессе исследований постепенно стало выясняться, что на самом деле исходная схема была слишком упрощена и что на самом деле все гораздо сложнее и не так однозначно. Оказалось, что, во-первых, наследственные изменения возникают не только в результате случайных мутаций. Во-вторых, наследственная информация передается не только по этой однонаправленной цепочке. И, наконец, третье, что наследственная информация может быть записана не только в ДНК. Вот это три основных пункта, о которых хотелось бы сказать.

Наследственные изменения возникают не только за счет случайных мутаций. В некоторых случаях изменения генов имеют вполне осмысленный, можно сказать целенаправленный характер. Яркий пример – это так называемая конверсия генов, которая происходит, в частности, у болезнетворных бактерий.

Другой пример неслучайных изменений – встречается у бактерий как реакция на стресс: они повышают скорость мутирования. То есть когда, например, кишечная палочка попадает в стрессовую обстановку, она начинает производить специально такие белки, которые при копировании ДНК совершают гораздо больше ошибок, чем обычно. То есть они сами повышают скорость мутирования. Это, вообще говоря, шаг рискованный, в благоприятных условиях этого лучше не делать, потому что среди возникающих мутаций подавляющее большинство вредных или бесполезных. Но если уже все равно погибать, то бактерии этот механизм включают.

Другой путь передачи информации: от РНК к ДНК

Наследственная информация передается не только по той цепочке, которая изначально была постулирована ДНК – РНК – белок. Во-первых, было обнаружено явление так называемой обратной транскрипции, то есть информация может переписываться, например, у некоторых вирусов, с РНК на ДНК, то есть в обратную сторону. Оказалось, что это достаточно распространенный процесс. В геноме человека тоже есть соответствующий фермент и в результате обратной транскрипции с молекулы РНК идет переписывание в геном, в ДНК некоторой информации.

Как это происходит? В РНК попадает какая-то информация, которой нет в ДНК. На том этапе, когда информация существует в форме РНК, происходит активное редактирование этой информации, появляется редактор. Иногда ее редактируют белки, а иногда сама РНК сама себя редактирует.

Обычно у всех высших организмов гены состоят из многих кусочков, то есть это не сплошная последовательность ДНК, где записана структура белка, но она разрезана на кусочки, и между ними вставлены более-менее длинные куски ДНК, которые не кодируют белок. Они называются интроны. При редактировании РНК могут происходить различные изменения. Например, кодирующие участки могут склеиваться в разном порядке. И при этом все настолько сложно, что эти вырезаемые кусочки РНК – это активные молекулы, которые активно участвуют во всех процессах, они регулируют активность в каких-то других генах, они регулируют редактирование РНК, своих, других. То есть все запутано в сложнейший клубок взаимодействий.

Скажем, мы берем текст и вырезаем какие-то ненужные слова и выбрасываем в корзину. Теперь представьте себе, что эти ненужные слова вылезли из корзины, лезут обратно в книгу, начинают копошиться, менять какие-то слова, сами куда-то встраиваться. Вопреки классической схеме выяснилось, что РНК – очень активное действующее лицо во всех этих информационных процессах.

Такая отредактированная РНК может быть переписана обратно в ДНК и таким образом в какой-то степени может происходить наследование приобретенных признаков. Потому что, вид который принимает в конечном итоге зрелая РНК – это в определенном смысле приобретенный признак, он может быть переписан обратно в ДНК и тогда в ДНК появляется ретро-псевдоген. И таких ретро-псевдогенов в человеческом геноме полным-полно.

Носителем наследственной информации может быть не только ДНК

А в итоге почему-то получили, что у 95% выживших мышат белые лапки и хвост. Как это могло произойти? Стали смотреть генотип, благо сейчас это достаточно нетрудно сделать. И оказалось, что с генотипом все в порядке, четверть мышат имеют генотип плюс-плюс и должны иметь нормальную окраску, однако они имели белые лапы и хвост. То есть получается, что у этих мышей нет гена белолапости и белохвостости, а признак есть. Откуда берется признак, если нет гена? То есть стало ясно, что в данном случае наследственная информация передается не через ДНК, потому что в ДНК записано одно, а видим мы другое. Что же тогда, если не ДНК передает этот признак? Естественно, подозрение в первую очередь пало на РНК. Выделили из мышей с генотипом плюс-минус ту РНК, которая считывается с мутантной копии гена. Эти фрагменты ввели в яйцеклетку дикой мыши, у которой никогда в роду никаких белохвостых не было. В результате получился белохвостый и белолапый мышонок. То есть, очевидно, эта РНК, которая попадает от родителей или специально вводится, эта мутантная РНК каким-то образом воздействует на нормальную РНК, которая считывается с нормального гена. Мутантная РНК делает из нормальной РНК ненормальную, и это передается по наследству.

В эксперименте с мышами было показано, что в некоторых случаях наследственная информация может передаваться через РНК. Таким образом становится ясно, что работа с информацией в живых клетках гораздо более сложно организована, чем предполагали классики генетики.

← Предыдущая глава	Глава 2.15	Следующая глава →
Нуклеиновые кислоты, их функции

ДНК — носитель наследственной информации [ править ]

Дезоксирибонуклеи́новая кислота́ (ДНК) — один из двух типов нуклеиновых кислот, обеспечивающих хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической информации. Основная роль ДНК в клетках — долговременное хранение и передача из поколения в поколение информации о структуре РНК и белков.

В клетках эукариот ДНК находится в ядре клетки в составе хромосом, а также в некоторых клеточных органоидах (митохондриях и w:пластидах). В клетках прокариот кольцевая (за редкими исключениями) молекула ДНК, так называемый генофор, входит в состав нуклеоида.

У прокариот и у низших эукариот (например, у дрожжей) встречаются также небольшие автономные, преимущественно кольцевые молекулы ДНК, называемые плазмидами. В клетках молекулы ДНК всегда двухцепочечные, то есть состоят из двух цепей нуклеотидов. Кроме того, одно- или двухцепочечные молекулы ДНК могут образовывать геном ДНК-содержащих вирусов.

В подавляющем большинстве случаев макромолекула ДНК состоит из двух цепей, ориентированных азотистыми основаниями друг к другу; только некоторые вирусы содержат одноцепочечную ДНК.

Размер генома широко варьирует среди различных организмов

ДНК — это длинная полимерная молекула, состоящая из четырех типов мономеров, нуклеотидов[1].

Длина всех молекул ДНК двойного набора хромосом в одной клетке человека равна примерно 2 м. Тело взрослого человека состоит примерно из 5·10 13 13 — 10·10 13 клеток. Расчеты показывают, что общая длина молекул ДНК всех клеток одного человека около 10 11 км, что примерно в тысячу раз больше расстояния от Земли до Солнца.

Образование связей между основаниями

В ДНК встречается четыре вида азотистых оснований: аденин, гуанин, тимин и цитозин. Азотистые основания одной из цепей соединены с азотистыми основаниями другой цепи водородными связями согласно принципу комплементарности: аденин соединяется только с тимином, гуанин — только с цитозином.

Биологический закон, в соответствии с которым установлены количественные соотношения между азотистыми основаниями разных типов, назван правилом Чаргаффа в честь ученого биохимика Эрвина Чаргаффа, под руководством которого были обнаружены закономерности в соотношении нуклеотидов. Для того, чтобы определить точные количественные соотношения нуклеотидов, Чаргафф разделил нуклеотиды ДНК методом бумажной хроматографии. Ему удалось выявить три закономерности:

• Число аденинов равно числу тиминов, а число гуанинов — числу цитозинов: А=Т, Г=Ц
• Число пуринов равно числу пиримидинов: А+Г=Т+Ц
• Число аденина и цитозина равно числу гуанина и тимина: А+Ц=Г+Т

Соотношение комплементарных нуклеотидов может быть различным у разных ДНК. В одних ДНК могут преобладать пары аденин-тимин, а в других — гуанин-цитозин. На основе правила Чаргаффа можно сделать вывод, что состав нуклеотидов в разных ДНК отличается лишь суммарным числом комплементарных оснований.

В двойной спирали цепочки также связаны с помощью гидрофобных связей и стэкинга, которые не зависят от последовательности оснований ДНК.

Все эти типы РНК синтезируются на матрице ДНК за счёт копирования последовательности ДНК в последовательность РНК, синтезируемой в процессе транскрипции, и принимают участие в биосинтезе белков (процессе трансляции).

Так как водородные связи слабые, они легко разрываются и восстанавливаются. Цепочки двойной спирали могут расходиться как замок-молния под действием ферментов — хеликаз. Разрыв водородных связей необходим для процессов удвоения ДНК.

Разные пары оснований образуют разное количество водородных связей. Аденин и тимин связаны двумя, а гуанин и цитозин — тремя водородными связями, поэтому на разрыв ГЦ-пары требуется больше энергии, чем на разрыв АТ-пары.

Две цепи одной спирали ДНК также расходятся (диссоциируют) при высокой температуре. Процент ГЦ-пар и длина молекулы ДНК определяют количество энергии, необходимой для разделения цепей: длинные молекулы ДНК с большим содержанием ГЦ более тугоплавки.

Части молекул ДНК, которые из-за их функций должны быть легко разделяемы, например ТАТА последовательность в бактериальных промоторах, обычно содержат большое количество А и Т.

Расшифровка структуры ДНК (1953 г.) 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 1962 г.

Разные типы молекул РНК выполняют различные функции в клетке [ править ]

Рибонуклеи́новые кисло́ты (РНК) — нуклеиновые кислоты, полимеры нуклеотидов, в состав которых входят остаток ортофосфорной кислоты, рибоза (в отличие от ДНК, содержащей дезоксирибозу) и азотистые основания — аденин, цитозин, гуанин и урацил (в отличие от ДНК, содержащей вместо урацила тимин). Эти молекулы содержатся в клетках всех живых организмов, а также в некоторых вирусах.

В клетках эукариот, как выяснилось за последние десятилетия, есть множество разных типов молекул РНК, многие из которых никогда не покидают ядра (мяРНК, малые ядерные РНК). Функции многих из них не известны. Другие малые РНК (например, siРНК) участвуют в процессе РНК-интерференции.

Главную роль в процессе синтеза белка играют три типа РНК:

Все эти молекулы РНК, как и другие типы РНК, синтезируются на матрице ДНК и закодированы в специальных генах. Гены, которые кодируют иРНК, кодируют также и белки, поскольку иРНК содержит информацию о последовательности аминокислот в одном или нескольких белках. Гены, которые кодируют другие типы РНК, не кодируют белков. Поэтому с современных позиций правильнее определять ген как участок ДНК, кодирующий одну молекулу РНК (а не белок).

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 гуанино- вых остатков равно числу цитозиновых. Таким образом, число пуриновых остатков равно числу пиримидиновых.