ду, але, враховуючи дужевисоку молекулярну масу ДНК, неважко уявити, що різноманітність її типіввиражається воістину астрономічними цифрами. Наприклад, якщо ми візьмемоланцюжок, що складається тільки з 100 нуклеотидів, то очевидно, що вона може бутипобудована 4способами.
Встановлено, що ДНК кожного певного виду характеризуєтьсятільки їй притаманною специфічною послідовністю нуклеотидів.
Рис.1 Схематичне зображення фрагмента полінуклеотіда
Полінуклеотіди складаються з нуклеотидів, з'єднаних фосфорноефірнимізв'язками з участю 3'-і 5'-вуглецевих атомів пентозном залишків двох сусідніхнуклеотидів. Довгі полінуклеотидних ланцюга містять тисячі, мільйонинуклеотидних залишків. Фосфатні групи в ланцюгах володіють сільнокіслой властивостямиі при рН 7,0 повністю іонізовані. Тому в живих клітинах нуклеїновікислоти існують у вигляді полианионов. Нуклеїнові кислоти погано розчиняються урозчинах кислот. Вони екстрагуються із зруйнованих тканин і клітин розчинаминейтральних солей чи фенолом.
1.3.Вторинна і третинна структури ДНК
Розчини ДНК характеризуються аномальною (структурної) в'язкістю.У потоці мають подвійне променезаломлення, що пояснюється подовженою формоюмолекул ДНК.
У розшифровку структури ДНК великий внесок внесли дослідженняЕ. Чаргаффа і його співробітників (1945-1951 рр..). Для поділу підстав,отриманих при кислотному гідролізі ДНК, Е. Чаргафф використовував методхроматографії. Кожне з цих підстав було визначено спектрофотометрично.Він вперше виразно заявив, що ДНК володіють вираженою видовою специфічністю.ДНК, виділені з різних джерел, відрізняються один від одного поспіввідношенню входять до їх складу азотистих основ. Е. Чаргафф сформулювавзакономірності складу ДНК, відомі під назвою правил Чаргаффа. Незалежновід походження ДНК ці закономірності представляються наступним чином:
1) кількість молекул аденіну дорівнює кількості молекул тиміну(А = Т);
2) кількість молекул гуаніну дорівнює
кількості молекул цитозину(G = С);
3) кількість молекул пуринових підстав дорівнює кількості молекулпіримідинових основ (А + G = Т+ С);
4) кількість підстав з 6-аміногрупами в ланцюгах ДНК однокількості підстав з 6-гідроксигруп (А + С = G + Т);
5) ставлення (G+ С)/(А + Т)різко відрізняється для різних видів ДНК, але постійно для клітини одного виду; цевідношення називається фактором специфічності.
Фактор специфічності однаковий для ДНК різних органів ітканин одного організму і практично не відрізняється у різних видів тварин ірослин у межах одного класу. У вищих рослин і тварин його величиназнаходиться в межах 0,55-0,93; у бактерій - 0,35-2,73.
Правила Чаргаффа відіграли вирішальну роль у розробці проблеммолекулярної біології. Саме вони лягли в основу відкриття будови ДНК, їївторинної структури.
Перш ніж приступити до розгляду цієї структури, необхідновідзначити наступне. Інтерес до проблеми вивчення структури ДНК зріс у зв'язку зповної неясністю механізму відтворення (реплікації) ДНК, якийвідрізняється дуже високим ступенем точності. На підставі вже отриманих експериментальнихданих передбачалося, що генетична інформація в живій клітині зашифрована(Тобто записана за допомогою певного коду) в специфічній послідовностіоснов ДНК. Однак було неясно, як відтворюється така послідовність.
У 1953 р. Дж. Уотсон і Ф. Крик запропонували модель структуриДНК (рис.2). Вона враховувала рентгеноструктурні дані Р. Франклін і М. Уїлкінсаі "еквімолярної" підстав, відкриту Е. Чаргафф. Модель Уотсона -Крику не тільки пояснила фізико-хімічні властивості ДНК, але і дала підставувисловити припущення про можливий механізм реплікації ДНК. Згідно їхвисновку, молекула ДНК повинна бути дволанцюжкової. Кожна основа одного ланцюга"Спар" з лежачим в тій же площині підставі другогополінуклеотидних ланцюга. Це спаровування специфічно; оскільки кількістьпідстав з гідроксигруп дорівнює кількості підстав з аміногрупами, то, поУотсону і Крику, тільки певні пари основ входять в структуру так, щоможуть утворювати один з одним водневі зв'язки. Так як аденін міститьаміногрупу, а тимін - гідроксигруп, цитозин і гуанін - відповідно ці жгрупи і оскільки вони знаходяться в ДНК в еквімолекулярних кількостях, тодозволеними є тільки пари А-Т і G-С
Рис.2. З'єднання пар аденіну і тиміну, цитозину і гуаніну вмолекулі ДНК за допомогою водневих зв'язків
Між А і Т утворюються дві водневі зв'язки, між G і С - три водневі зв'язки.
Дві полінуклеотидних ланцюга ДНК відрізняються одна від одної якпослідовністю підстав, так і нуклеотидним складом. Однак підстави,стоять в даному положенні в одного ланцюга, визначають природу підстави в іншийланцюга. Наприклад, якщо в одного ланцюга варто аденін, то навпроти нього на другий ланцюгабуде розташовуватися тимін, і навпаки. Якщо в одного ланцюга стоїть гуанін, то вінший обов'язково буде цитозин, і навпаки. Дійсно, рентгеноструктурнийаналіз ДНК показав, що пуринові і піримідинові підстави нуклеотидних залишківДНК лежать в одній площині, перпендикулярній подовжній осі молекули, тодіяк цикли дезоксирибози знаходяться в площині, майже перпендикулярній тієї, вякої лежать цикли підстав.
Явище, при якому послідовність підстав одного ланцюга однозначновизначає послідовність підстав іншого ланцюга, отримало назвукомплементарності. Таким чином, ланцюги молекул ДНК комплементарні по відношеннюодин до одного.
Сформульований Уотсоном і Криком принцип комплементарностіз'явився універсальним принципом в біології. Він дав початок розвитку нових науковихнапрямків - молекулярної біології, молекулярної генетики, генної інженерії.Водневі зв'язки забезпечують спосіб спарювання підстав, стабільністьдволанцюжкової системи. Підстави щільно упаковані, причому відстань міжцентрами підстав, що лежать один над одним, одно 0,34 нм. На кожний повнийвиток подвійної спіралі доводиться 10 нуклеотидних пар. Упаковані всерединіподвійної спіралі підстави гідрофобні і недоступні молекулам води. Іонізованіфосфатні групи і гідрофільні залишки дезоксирибози знаходяться на поверхнімолекули і контактують з молекулами води. Таким чином, подвійна спіральстабілізована не тільки водневими зв'язками між комплементарними підставами,але і гідрофобними взаємодіями між основами, розташованими вздовждовгої осі молекули ДНК. Через високий ступінь упорядкованості макромолекулДНК її іноді називають апериодическим одновимірним кристалом.
Рис.3 макромолекулярних структур ДНК
При рентгенографічних досліджень головок сперматозоїдіввиходить така ж дифракційна картина, що і для зразків ДНК, тобто спіральУотсона-Кріка спостерігається безпосередньо в живих клітинах.
Модель будови ДНК в даний час є загальновизнаною.За розшифровку структури ДНК Дж. Уотсоном, Ф. Крику і М. Вілкінсу в 1962 р. була присуджена Нобелівська премія.
Третинна структура ДНК утворюється в результаті додатковогоскручування в просторі дволанцюжкові молекули. Вона має вигляд суперспиралиабо зігнутої (зламаної) подвійної спіралі.
В даний час описані три форми структури ДНК: А-, В-і Z-форми (мал.4). Параметри моделіУотсона-Кріка відповідають конформації ДНК у фізіологічних умовах (В-форміДНК). Однак при зміні умов середовища подвійна спіраль може приймати іншіформи. Так при зменшенні вологості (в препараті зразка длярентгеноструктурного аналізу) ДНК переходить в А-форму. Цей перехід пов'язаний ззміною конформації в залишках дезоксирибози, зменшенням відстані міжфосфатними групами сахарофосфатний остова. Відстань між парами нуклеотидівуздовж осі спіралі, рівне 0,34 нм в уотсон-Криковського моделі, зменшується(Приблизно до 0,25 нм при 11 нуклеотидних залишках на один виток спіралі).Діаметр спіралі збільшується; змінюються ширина і глибина борозенок; комплементарніпари азотистих основ утворюють з віссю спіралі кут 20 В° і, головне, вонизміщуються до периферії спіралі. Тому подвійна спіраль схожа на пологукручені сходи і всередині неї виникає порожнина діам...
