Биохимические основы жизнедеятельности организма человека - Волков Н.И., Несен Э.Н. 2000

Биохимические основы жизнедеятельности организма человека
Биохимия нуклеиновых кислот
Структура, свойства и биологическая роль ДНК

Молекула ДНК имеет очень большую молекулярную массу — от нескольких миллионов до 2—5 миллиардов, так как состоит из 50 тысяч и более нук­леотидов.

В состав ДНК входят углевод дезоксирибоза и азотистые основания — аденин, гуанин, цитозин и тимин. Нуклеотиды соединяются между собой 3', 5’-фосфодиэфирными связями, образуя полинуклеотидную цепь. Моле­кулы ДНК — это двухцепочные структуры, которые несут в себе сразу два "текста», но заключенная в них информация одна и та же, поскольку каж­дому нуклеотиду в одной нити отвечает лишь один определенный нуклео­тид в другой, т.е. два текста однозначно соответствуют друг другу. В этом соответствии заключен принцип комплементарности. Это означает, что в строго упорядоченной двойной спирали пространственные возможности таковы, что против А может стоять только Т, а против Г — только Ц (рис. 80).

Нуклеотидный текст ДНК — это две комплементарные друг другу строчки. Каждая из них может считываться копирующим ферментом толь­ко в одном направлении. Если одна строчка читается слева направо, то другая — справа налево. Это можно изобразить таким образом:

Нуклеотидный состав ДНК разных видов организмов может варьиро­вать в зависимости от сумм комплементарных азотистых оснований: у одних ДНК количество Г и Ц больше, чем А и Т. Это ДНК ГЦ-типа. У других — ДНК АТ-типа — преобладают аденин и тимин. Следовательно, каждый организм имеет характерную только ему молекулу ДНК с опре­деленным количественным составом и нуклеотидной последовательнос­тью, которые в любых физиологических состояниях сохраняются. Нарушение их приводит к мутациям, вызывающим паталогические изменения в организме.

Рис. 80 Комплементарность азотистых оснований на участке двойной спирали ДНК: кружки — остатки фосфорной кислоты; пятиугольники — остатки дезоксирибозы; АГТЦ — пуриновые и пиримидиновые основания

Структура ДНК. Нуклеотиды в полимерной цепи молекулы ДНК рас­полагаются в строго определенной последовательности, характерной для каждого вида организмов. Такое расположение нуклеотидов называется первичной структурой (см. рис. 80).

Вторичная структура молекулы ДНК, согласно модели американских биохимиков Уотсона и Крика, представляет собой двойную спираль. Схе­матически она напоминает винтовую лестницу, перила которой образова­ны основной цепью из углеводных и фосфатных групп, в то время как азо­тистые основания между двумя цепями образуют «ступени». Азотистое ос­нование одной полинуклеотидной цепи связано с основанием другой с помощью водородных связей таким образом, что две половинки ступеней образуют довольно прочное соединение. Последовательность азотистых оснований А-Т и Г-Ц одной цепи полностью комплементарна последова­тельности другой цепи. В такой структуре каждая пара оснований удалена друг от друга на 3,4 нм, что соответствует одному витку спирали из деся­ти нуклеотидов (см. рис. 80, 81, б).

Третичная структура молекул ДНК на некоторых участках может под­вергаться дальнейшей пространственной укладке в суперспираль, приоб­ретая структуру в виде кольца. Третичная структура образуется благодаря белкам, которые входят в нуклеопротеидный комплекс хромосом. Супер­спиральная структура обеспечивает экономную упаковку огромной моле­кулы ДНК. Так, в хромосоме человека молекула ДНК настолько уплотнена, что ее длина укладывается в 5 нм, хотя истинная ее длина достигает при­мерно 8 см.

Свойства ДНК. Структура молекулы ДНК такова, что может раскручи­ваться за счет разрыва водородных связей и самоудваиваться. Процесс самовоспроизведения молекулы ДНК называется репликацией (рис. 82). Он обеспечивает точное воспроизведение генетической информации в виде синтезирующейся комплементарной цепи ДНК и передачу этой ин­формации следующему поколению в процессе деления клетки. При этом отдельные нуклеотидные цепи ДНК расходятся полностью или только на отдельных ее участках, а на них, как на матрице, происходит синтез ком­плементарной цепи новой молекулы ДНК.

Для процесса репликации ДНК в клетках, кроме наличия ДНК-матрицы, необходимы структурные ее компоненты: дезоксинуклеотидтрифосфаты (АТФ, ГТФ, ЦТФ, ТТФ и др.), а также специфические ферменты репликационной системы, которые называются ДНК-полимеразами.

Биологические свойства ДНК зависят не только от нуклеотидного состава, но и от специфической последовательности нуклеотидов в по­линуклеотидной цепи ДНК, что определяет структуру генома, т. е. все количество ДНК в клетке, несущее генетическую информацию об орга­низме.

Биологическая роль ДНК. Все признаки организма проявляются че­рез свойства синтезирующихся в нем белков. Состав и структура каждого белка закодированы в отдельных участках молекулы ДНК, которые называ­ются генами. Таким образом, основная функция ДНК — хранение и пере­дача наследственной или генетической информации.

Ген — это участок ДНК, на котором закодирована аминокислотная пос­ледовательность, характерная для каждого конкретного белка. Ген являет­ся функциональной единицей наследственности и определяет тот или иной признак организма, поэтому информация, содержащаяся в ДНК, на­зывается генетической. Установлено, что не все количество ДНК связано с хранением генетической информации. У высших организмов только не­значительная часть ДНК (около 2 %) является носителем генетической информации, а большая ее часть выполняет различные регуляторные функ­ции. Количество ДНК, которое несет генетическую информацию данного организма, называют геномом.

Рис. 81 Вторичная структура молекулы ДНК: а — схема двойной спирали; б — пространственная модель ДНК

Рис. 82 Репликация двойной спирали ДНК

Передача генетической информации в ходе синтеза белка осущес­твляется генетическим кодом. Место включения каждой аминокислоты в молекуле синтезирующегося белка закодировано в виде определенной последовательности нуклеотидов в ДНК.

Генетический код — это определенная последовательность азотистых ос­нований нуклеотидов данного гена, соответствующая последовательности аминокислот в белке. Каждая аминокислота кодируется тремя азотистыми основаниями, расположенными в определенной последовательности —трип­летом, который называется кодоном. Большинство аминокислот, кроме ме­тионина и триптофана, может кодироваться несколькими кодонами. Кодоны 20 аминокислот представлены в табл. 17. Указанные кодоны различаются только третьим азотистым основанием. Например, кодирование аминокис­лоты аланина осуществляется четырьмя триплетами нуклеотидов — ГЦУ, ГЦЦ, ГІДА, ГЦГ. Главную роль при узнавании аминокислоты играют первые два основания. Не все кодоны кодируют аминокислоты. Некоторые из них служат "стартовыми" сигналами, запускающими синтез полипептидной цепи белка, как, например, АУГ — кодон метионина. Другие кодоны, например УМ, УАГ и УГА, выполняют функцию прекращения синтеза белка (кодоны терминации).

В молекуле ДНК присутствуют также коды, участвующие в запуске процесса репликации ДНК, синтеза РНК, связывания с молекулами — ре­гуляторами этих процессов. Генетический код универсален для всех живых организмов, так как каждая из 20 аминокислот у них кодируется одним и тем же триплетом нуклеотидов.

При нарушении последовательности нуклеотидов в структуре гена по­являются ошибки в синтезе соответствующего белка, что ведет к наруше­нию его функции в организме (мутационные изменения). Так, мутационные изменения в молекуле гемоглобина, вызванные заменой всего двух из почти шестисот аминокислот, приводят к заболеванию серповидной анемии. Такая молекула гемоглобина теряет растворимость, в результате чего образуется волокнистый осадок, который деформирует эритроцит и придает ему форму серпа. Серповидные эритроциты быстро разрушают­ся, что приводит к хронической гемолитической анемии.

Количественное содержание и локализация ДНК в клетке зависят от ее функций. Наибольшее ее количество сосредоточено в сперматозоидах — до 60 % сухой массы, в других клетках организма — около 1—10 %, в мыш­цах — до 0,2 %.

В клетке ДНК сосредоточена преимущественно в ядре (до 30 % сухой массы), где связана с белками и хромосомами. Незначительное количес­тво ДНК (до 1—3 %) локализовано в митохондриях. Эти ДНК отличаются от ядерной ДНК составом и молекулярной массой. Митохондриальная ДНК не связана с белками, содержит до 15 генов, обусловливающих цитоплазма­тическую наследственность. В ней кодируются некоторые типы митохон­дриальных РНК и полипептидов.

ТАБЛИЦА 17 Код белкового синтеза