ГЕНЕТИКА - Підручник - А.В. Сиволоб - 2008

РОЗДІЛ 1. Природа генетичного матеріалу

Як фізичний об'єкт ген - це ділянка полімерної молекули дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК). Єдиним винятком із цього загального для всіх живих організмів правила є особливий клас вірусів, де роль носія інформації виконує інша нуклеїнова кислота (хімічний аналог ДНК) - рибонуклеїнова кислота (РНК). Численні типи РНК беруть також участь у процесах реалізації генетичної інформації в усіх організмах.

Фізико-хімічні властивості молекули ДНК роблять її надійним носієм спадкової інформації та забезпечують простий механізм реплікації - точного відновлення молекули (а отже, і спадкової програми) у дочірніх клітинах при клітинному поділі. Численні взаємодії, в які вступає ДНК з іншими молекулами (насамперед білками), зумовлюють певну схему упаковки ДНК у клітинах, експресію генетичної інформації та регуляцію цього процесу, а також здійснення інших операцій, суттєвих для функціонування спадкового апарату.

СТРУКТУРА ДНК

Хімічна будова нуклеїнових кислот

Мономерна одиниця нуклеїнової кислоти - нуклеотид - складається з трьох елементів: азотиста основа, пентозний цукор (рибоза або дезоксирибоза), залишок фосфорної кислоти (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Хімічна будова нуклеотиду.

Наведено стандартну нумерацію атомів пентозного кільця

Рис. 1.2. Азотисті основи. Червоним позначено атом N, з'єднаний у нуклеотиді з С1' атомом пентози. Наведено стандартну нумерацію атомів кілець пуринів і піримидинів

Азотисті основи - гетероциклічні сполуки (рис. 1.2), у кільцях яких містяться карбон і азот, а всі зв'язки мають характер частково подвійних. До певних атомів кільця приєднані екзоциклічні групи - аміногрупа чи атом оксигену. До складу нуклеїнових кислот входять два типи азотистих основ: пурини (загальноприйняте позначення R) - аденін (A)

і гуанін (G); піримідини (Y) - урацил (U), тимін (T), цитозин (C). Загальне позначення для всіх основ - N. У складі нуклеотиду один із атомів азоту кільця (виділено червоним на рис. 1.2) приєднується ковалентним зв'язком до карбону пентозного цукру (рис. 1.1). Цей атом пентози позначається як С1' (символ ' прийнято додавати, щоб відрізняти атоми пентозного кільця від атомів азотистої основи). Інші С'-атоми пентози нумеруються далі по порядку їхнього розташування (рис. 1.1). До 3'-атома завжди приєднана ОН-група. Пентоза, у складі якої ОН-група знаходиться також при 2'-атомі, називається рибозою. Пентоза іншого типу, яка також входить до складу нуклеїнових кислот, - дезоксирибоза - відрізняється лише заміною цієї ОН-групи на атом гідрогену.

Сполука азотистої основи та пентози називається нуклеозидом (залежно від типу азотистої основи: аденозин, гуанозин, цитидин, тимідин, уридин) або рибо- чи дезоксирибонуклеозидом (залежно від типу пентози). Рибонуклеозиди входять до складу РНК, дезоксирибо- нуклеозиди - до ДНК. Інша хімічна різниця між ДНК і РНК стосується складу піримідинових азотистих основ: T у ДНК замість U в РНК.

Фосфорилювання ОН-групи при 5'-атомі пентози в нуклеозиді приводить до утворення нуклеотиду (рис. 1.1). Таким чином, нуклеотид є нуклеозидфосфатом або нуклеозидмонофосфатом (NMP). Так, нуклеотид, що зображений на рис 1.1, є аденозинмонофосфатом (АМР).

Будівним матеріалом для синтезу полімерних нуклеїнових кислот є нуклеозидтрифосфати, у складі яких ще два фосфатні залишки послідовно приєднані до 5'-фосфату, - у реакціях синтезу вони відщеплюються.

При синтезі дві хімічні групи - ОН-група при З'-атомі пентози одного нуклеотиду та фосфат при 5'-атомі іншого - використовуються для утворення фосфодіефірного зв'язку між нуклеотидами (рис. 1.3). Отже, полінуклеотидний ланцюг має напрямок: на одному його кінці залишається 5'-фосфат (5'-кінець), на іншому - З'-ОН-група (З'-кінець). Послідовності нуклеотидів прийнято записувати в напрямку 5' ^ З', у тому ж напрямку відбувається синтез усіх нуклеїнових кислот. Генетична інформація записана в молекулі ДНК саме у вигляді послідовності нуклеотидів.

Отже, остов полінуклеотидного ланцюга являє собою фосфатні залишки (кожен із яких має негативний заряд за фізіологічних умов) і пентози, що чергуються - цукрофосфатний остов. Від цього остова відходять азотисті основи як бокові залишки.

Рис. 1.3. Полінуклеотидний ланцюг