Двайная спіраль ДНК

Дэзоксірыбануклеі́навая кіслата́ (ДНК) — адзін з двух тыпаў нуклеінавых кіслот, якія забяспечваюць захоўванне, перадачу з пакалення ў пакаленне і рэалізацыю генетычнай праграмы развіцця і функцыянавання жывых арганізмаў. Асноўная роля ДНК у клетках — доўгатэрміновае захоўванне інфармацыі аб структуры РНК і бялкоў.

У клетках эўкарыёт (жывёл, раслін і грыбоў) ДНК знаходзіцца ў ядры клеткі ў складзе храмасом, а таксама ў некаторых клетачных арганоідах (мітахондрыях і пластыдах). У клетках пракарыятычных арганізмаў (бактэрый і архей) кальцавая ці лінейная малекула ДНК, так званы нуклеатыд, прымацавана знутры да клетачнай мембраны. У іх і ў ніжэйшых эўкарыётаў (напрыклад, дражджэй) сустракаюцца таксама невялікія аўтаномныя, пераважна кальцавыя малекулы ДНК, якія называюцца плазмідамі^be_ru. Акрамя таго, адна- ці двухланцужковыя малекулы ДНК могуць утвараць геном ДНК-змяшчальных вірусаў.

З погляду хіміі, ДНК — гэта доўгая палімерная малекула, складзеная шляхам паўтарэння блокаў — нуклеатыдаў. Кожны нуклеатыд складаецца з азоцістай асновы^be_ru, цукру (дэзоксірыбозы) і фасфатнай групы^be_ru. Сувязі паміж нуклеатыдамі ў ланцугу ўтвараюцца за кошт дэзоксірыбозы і фасфатнай групы (фосфадыэфірныя сувязі). У пераважнай большасці выпадкаў (акрамя некаторых вірусаў, якія ўтрымліваюць адналанцужковую ДНК) макрамалекула ДНК складаецца з двух ланцугоў, арыентаваных азоцістымі асновамі адзін да аднаго. Гэтая двухланцужковая малекула спіралізавана. У цэлым структура малекулы ДНК атрымала назву «двайной спіралі».

У ДНК сустракаецца чатыры віды азоцістых асноў (адэнін, гуанін, тымін і цытазін). Азоцістыя асновы аднаго з ланцугой злучаюцца з азоцістымі асновамі другога ланцуга вадароднымі сувязямі згодна з прынцыпам камплементарнасці: адэнін злучаецца толькі з тымінам, гуанін — толькі з цытазінам. Паслядоўнасць нуклеатыдаў дазваляе «кадзіраваць» інфармацыю пра розныя тыпы РНК, найбольш важнымі з якіх з'яўляюцца інфармацыйныя, ці матрычныя (мРНК^be_ru), рыбасомныя (рРНК^be_ru) і транспартныя (тРНК^be_ru). Усе гэтыя тыпы РНК сінтэзуюцца на матрыцы ДНК шляхам капіравання паслядоўнасці ДНК у паслядоўнасць РНК (у працэсе транскрыпцыі) і ўдзельнічаюць у біясінтэзе бялкоў (працэсе трансляцыі). Акрамя кадзіровачных паслядоўнасцей, ДНК клетак змяшчае паслядоўнасці, якія выконваюць рэгулятарныя і структурныя функцыі. Апрача таго, у геноме эўкарыёта часта сустракаюцца ўчасткі, якія належаць «генетычным паразітам», напрыклад, транспазонам^be_ru.

Расшыфроўка структуры ДНК (1953 г.) стала адным з паваротных момантаў у гісторыі біялогіі. За выдатны ўклад у гэтае адкрыццё Фрэнсісу Крыку, Джеймсу Уотсану і Марысу Уілкінсу была прысуджана Нобелеўская прэмія па фізіялогіі і медыцыне 1962 года. Ключом для адкрыцця структуры ДНК паслужылі рэнтгенаграмы^be_ru, атрыманыя даследчыцай Разалінд Франклін у 1952 годзе^[1].

Гісторыя вывучэння |

ДНК як хімічнае рэчыва была выдзелена Іаганам Фрыдрыхам Мішарам у 1868 годзе з рэшткаў клетак, якія змяшчаюцца ў гное. Ён вылучыў рэчыва, у склад якога ўваходзяць азот і фосфар. Спачатку новае рэчыва атрымала назву нуклеін, а пазней, калі Мішар вызначыў, што гэта рэчыва валодае кіслотнымі ўласцівасцямі, рэчыва атрымала назву нуклеінавая кіслата^[2]. Біялагічная функцыя адкрытага рэчыва была не зразумелая, і доўгі час ДНК лічылася запаснікам фосфару ў арганізме. Больш за тое, нават у пачатку 20 стагоддзя многія біёлагі лічылі, што ДНК не мае ніякага дачынення да перадачы інфармацыі, паколькі будова малекулы, на іх думку, была занадта аднастайная і не магла трымаць закадзіраваную інфармацыю.

Паступова было даказана, што менавіта ДНК, а не бялкі, як лічылася раней, з'яўляецца носьбітам генетычнай інфармацыі. Адзін з першых вырашальных доказаў прынеслі эксперыменты О. Эверэ, Коліна Мак-Леада і Маклін Мак-Карці (1944) па трансфармацыі бактэрый. Ім удалося паказаць, што за так званую трансфармацыю (набыццё хваробатворных уласцівасцяў бясшкоднай культурай у выніку дадання ў яе мёртвых хваробатворных бактэрый) адказваюць выдзеленая з пнеўмакокаў ДНК. Эксперымент амерыканскіх навукоўцаў Алфрэда Херша і Марты Чэйз (эксперымент Херш—Чэйз, 1952) з пазначанымі радыеактыўнымі ізатопамі бялкоў і ДНК бактэрыяфагаў паказалі, што ў заражаную клетку перадаецца толькі нуклеінавая кіслата фага, а новае пакаленне фага ўтрымлівае такія ж бялкі і нуклеінавыя кіслоты, як зыходны фаг^[3].

Да 50-х гадоў 20 стагоддзя дакладная будова ДНК, як і спосаб перадачы спадчыннай інфармацыі, заставалася невядомай. Хоць і было дакладна вядома, што ДНК складаецца з некалькіх ланцужкоў, якія складаюцца з нуклеатыдаў, ніхто не ведаў дакладна, колькі гэтых ланцугоў і як яны злучаны.

Структура двайной спіралі ДНК была прапанавана Фрэнсісам Крыкам і Джэймсам Уотсанам у 1953 годзе на падставе рэнтгенаструктурных дадзеных, атрыманых Марысам Уілкінсам і Разаліндай Франклін, і «правілаў Чаргафа», згодна з якімі ў кожнай малекуле ДНК выконваюцца строгія суадносіны, якія злучаюць паміж сабой колькасць азоцістых асноў розных тыпаў^[4]. Пазней прапанаваная Уотсанам і Крыкам мадэль будовы ДНК была даказана, а іх праца адзначана Нобелеўскай прэміяй па фізіялогіі або медыцыне ў 1962 годзе. Сярод лаўрэатаў не было Разалінды Франклін, якая памерла да таго часу ад раку, бо прэмія не прысуджаецца пасмяротна^[5].

Структура малекулы |

Нуклеатыды |

Адэнін	Гуанін	Тымін	Цытазін

Структуры асноў, найчасцей сустракаючыхся ў складзе ДНК

Дэзоксірыбануклеінавая кіслата (ДНК) уяўляе сабой біяпалімер (поліаніён), монамерам якога з'яўляецца нуклеатыд^[6][7].

Кожны нуклеатыд складаецца з астатка фосфарнай кіслаты, які далучаны па 5-становішчу да цукру дэзоксірыбозы, да якога таксама праз гліказідную сувязь (C—N) па 1-становішчу далучана адна з чатырох азоцістых асноў. Менавіта наяўнасць характэрнага цукру і складае адно з галоўных адрозненняў паміж ДНК і РНК, зафіксаванае ў назвах гэтых нуклеінавых кіслот (у склад РНК уваходзіць цукар рыбоза)^[8]. Прыклад нуклеатыда — адэназінмонафасфат, у якога асновай, далучанай да фасфату і рыбозы, з'яўляецца адэнін (паказаны на малюнку).

Зыходзячы з структуры малекул, асновы, якія ўваходзяць у склад нуклеатыдаў, падзяляюцца на дзве групы: пурыны (адэнін [A] і гуанін [G]) утвораны злучанымі пяці- і шасцічленным гетэрацыклам; пірымідзіны (цытазін [C] і тымін [T]) — шасцічленным гетэрацыклам^[9].

У выглядзе выключэння, напрыклад, у бактэрыяфага PBS1, у ДНК сустракаецца пяты тып асноў — урацыл ([U]), пірымідзінавая аснова, якая адрозніваецца ад тыміна адсутнасцю метыльнай групы на кольцы, якая звычайна замяняе тымін у РНК^[10].

Варта адзначыць, што тымін і ўрацыл не так строга прымеркаваны да ДНК і РНК адпаведна, як гэта лічылася раней. Так, пасля сінтэзу некаторых малекул РНК значная колькасць урацылаў у гэтых малекулах метыліруецца з дапамогай спецыяльных ферментаў, ператвараючыся ў тымін. Гэта адбываецца ў транспартных і рыбасомальных РНК^[11].

Двайная спіраль |

У залежнасці ад канцэнтрацыі іонаў і нуклеатыднага складу малекулы двайная спіраль ДНК у жывых арганізмах існуе ў розных формах. На малюнку прадстаўлены формы A, B і Z (злева направа)

Палімер ДНК валодае даволі складанай структурай. Нуклеатыды злучаны паміж сабой кавалентна ў доўгія полінуклеатыдныя ланцугі. Гэтыя ланцугі ў большасці выпадкаў (акрамя некаторых вірусаў, якія валодаюць адналанцуговымі ДНК-геномамі) аб'ядноўваюцца парамі пры дапамозе вадародных сувязяў ва другасную структуру, якая атрымала назву двайной спіралі^[4][8]. Аснова кожнага з ланцугоў складаецца з фасфатаў і цукроў, якія чаргуюцца^[12]. Унутры аднаго ланцуга ДНК суседнія нуклеатыды злучаны фосфадыэфірнымі сувязямі, якія фарміруюцца ў выніку ўзаемадзеяння паміж 3'-гідраксільнай (3'—ОН) групай малекулы дэзоксірыбозы аднаго нукдеатыда і 5'-фасфатнай групай (5'—РО₃) другога. Асіметрычныя канцы ланцуга ДНК называюцца 3' (тры прым) і 5' (пяць прым). Палярнасць ланцуга грае важную ролю пры сінтэзе ДНК (падаўжэнне ланцуга магчыма толькі шляхам далучэння новых нуклеатыдаў да свабоднага 3'-канца).

Як ужо было адзначана вышэй, у пераважнай большасці жывых арганізмаў ДНК складаецца не з аднаго, а з двух полінуклеатыдных ланцугоў. Гэтыя два доўгія ланцугі закручаныя адзін вакол другога ў выглядзе двайной спіралі, стабілізаванай вадароднымі сувязямі, якія ўтвараюцца паміж звернутых адна да адной азоцістымі асновамі, якія ўваходзяць у склад ланцугоў. У прыродзе гэта спіраль, часцей за ўсё, правазакручаная. Напрамкі ад 3'-канца да 5'-канца ў двух ланцугах, з якіх складаецца малекула ДНК, супрацьлеглыя (ланцугі «антыпаралельны» адзін аднаму).

Шырыня двайны спіралі складае ад 22 да 24 Å, або 2,2 — 2,4 нм, даўжыня кожнага нуклеатыда 3,3 Å (0,33 нм)^[13]. Падобна таму, як у вінтавой лесвіцы збоку можна ўбачыць прыступкі, на двайны спіралі ДНК у прамежках паміж фасфатным астовам малекулы можна бачыць рэбры асноў, кольцы якіх размешчаны ў плоскасці, перпендыкулярнай у адносінах да падоўжнай восі макрамалекулы.

У двайной спіралі адрозніваюць малую (12 Å) і вялікую (22 Å) баразёнкі^[14]. Бялкі, напрыклад, фактары транскрыпцыі, якія далучаюцца да пэўных паслядоўнасцяў у двухланцужковай ДНК, звычайна ўзаемадзейнічаюць з краямі асноў у вялікай баразёнцы, дзе тыя больш даступныя^[15].

Утварэнне сувязяў паміж асновамі |

Кожная аснова на адным з ланцугоў звязваецца з адной пэўнай асновай на другім ланцугу. Такое спецыфічнае звязванне называецца камплементарным. Пурыны камплементарны пірымідзінам (гэта значыць, яны здольны да ўтварэння вадародных сувязяў з імі): адэнін утварае сувязі толькі з тымінам, а цытазін — з гуанінам. У двайной спіралі ланцужкі таксама звязаны з дапамогай гідрафобных узаемадзеянняў і стэкінга, якія не залежаць ад паслядоўнасці асноў ДНК ^[16].

Камплементарнасць двайной спіралі азначае, што інфармацыя, якая змяшчаецца ў адным ланцугу, утрымліваецца і ў другім ланцугу. Зварачальнасць і спецыфічнасць узаемадзеянняў паміж камплементарнымі парамі асноў важны для рэплікацыі ДНК і ўсіх астатніх функцый ДНК у жывых арганізмах.

Вадародныя сувязі лёгка разрываюцца і аднаўляюцца, бо яны некавалентны. Ланцужкі двайной спіралі могуць разыходзіцца як замок-маланка пад дзеяннем ферментаў (хеліказы) або пры высокай тэмпературы^[17]. Розныя пары асноў утвараюць розную колькасць вадародных сувязяў. АТ звязаны дзвюма, ГЦ — трыма вадароднымі сувязямі, таму на разрыў ГЦ патрабуецца больш энергіі. Працэнт ГЦ-пар і даўжыня малекулы ДНК вызначаюць колькасць энергіі, неабходнай для дысацыяцыі ланцугоў: доўгія малекулы ДНК з вялікім утрыманнем ГЦ больш тугаплаўкія^[18].

Часткі малекул ДНК, якія з-за іх функцый павінны быць лёгка разделяемы, напрыклад ТАТА паслядоўнасць у бактэрыяльных праматорах, звычайна ўтрымліваюць вялікую колькасць А і Т.

Хімічныя мадыфікацыі асноў |

Цытазін	5-метылцытазін	Тымін

Структура цытазіна, 5-метылцытазіна і тыміна. Тымін можа ўзнікаць шляхам дэамініравання 5-метылцытазіна.

Азоцістыя асновы ў складзе ДНК могуць быць кавалентна мадыфікаваны, што выкарыстоўваецца пры рэгуляцыі экспрэсіі генаў. Напрыклад, у клетках пазваночных метыліраванне цытазіна з утварэннем 5-метылцытазіна выкарыстоўваецца саматычнымі клеткамі для перадачы профілю геннай экспрэсіі даччыным клеткам. Метыліраванне цытазіна не ўплывае на спарванне асноў у двайной спіралі ДНК. У пазваночных метыліраванне ДНК у саматычных клетках абмяжоўваецца метыліраваннем цытазіна ў паслядоўнасці ЦГ^[19]. Сярэдні ўзровень метыліравання адрозніваецца ў розных арганізмаў, так, у нематоды Caenorhabditis elegans метыліраванне цытазіна не назіраецца, а ў пазваночных выяўлены высокі ўзровень метыліравання — да 1 %^[20]. Іншыя мадыфікацыі асноў уключаюць метыліраванне адэніна ў бактэрый і гліказіліраванне ўрацыла з утварэннем «J-асновы» у кінетапластах^[21].

Метыліраванне цытазіна з утварэннем 5-метылцытазіна ў праматорнай часткі гена карэлюе з яго неактыўным станам^[22]. Метыліраванне цытазіна важна таксама для інактывацыі Х-храмасомы ў млекакормячых^[23]. Метыліраванне ДНК выкарыстоўваецца ў геномным імпрынтынге^[24]. Значныя парушэнні профілю метыліравання ДНК адбываецца пры канцерагенезе^[25].

Нягледзячы на біялагічную ролю, 5-метылцытазін можа спантанна страчваць амінную агрупу (дэамініравацца), ператвараючыся ў тымін, таму метыліраванныя цытазіны з'яўляюцца крыніцай павышанай колькасці мутацый^[26].

Пашкоджанні ДНК |

Інтэркаліраваннае хімічнае злучэнне, якое знаходзіцца ў сярэдзіне спіралі — бензапірэн, асноўны мутаген табачнага дыма^[27]

ДНК можа пашкоджвацца разнастайнымі мутагенамі, да якіх адносяцца акісляючыя і алкіліруючыя рэчывы, а таксама высокаэнергетычная электрамагнітная радыяцыя — ультрафіялетавае і рэнтгенаўскае выпраменьванні. Тып пашкоджанні ДНК залежыць ад тыпу мутагена. Напрыклад, ультрафіялет пашкоджвае ДНК шляхам утварэння ў ёй дымераў тыміна, якія ўзнікаюць пры стварэнні кавалентных сувязяў паміж суседнімі асновамі^[28].

Аксіданты, такія як свабодныя радыкалы або пераксід вадароду, прыводзяць да некалькіх тыпах пашкоджанні ДНК, уключаючы мадыфікацыі асноў, у асаблівасці гуаназіна, а таксама двухланцужковыя парывы ў ДНК^[29]. Згодна некаторым ацэнкам, у кожнай клетцы чалавека акісляючымі злучэннямі штодня пашкоджваецца каля 500 асноў^[30][31]. Сярод розных тыпаў пашкоджанняў найбольш небяспечныя — гэта двухланцужковыя парывы, таму што яны цяжка рэпарыруюцца і могуць прывесці да страт участкаў храмасом (дзелецыям) і транслакацыям.

Многія малекулы мутагенаў устаўляюцца (інтэркаліруюць) паміж двума суседнімі парамі асноў. Большасць гэтых злучэнняў, напрыклад, этыдый, даўнарубіцын, доксарубіцын і талідамід маюць араматычную структуру. Для таго, каб інтэркаліруючае злучэнне магло змясціцца паміж асновамі, яны павінны разысціся, расплетаяючы і парушаючы структуру двайной спіралі. Гэтыя змены ў структуры ДНК перашкаджаюць транскрыпцыі і рэплікацыі, выклікаючы мутацыі. Таму інтэркаліруючыя злучэнні часта з'яўляюцца канцэрагенамі, найбольш вядомыя з якіх — бензапірэн, акрыдзіны, афлатаксін і бромісты этыдый^[32][33][34]. Нягледзячы на ​​гэтыя негатыўныя ўласцівасці, з-за іх здольнасці прыгнятаць транскрыпцыю і рэплікацыю ДНК, інтэркаліруючыя злучэнні выкарыстоўваюцца ў хіміятэрапіі для падаўлення клетак рака, якія хутка растуць^[35].

Суперскручанасць |

Калі ўзяцца за канцы вяроўкі і пачаць скручваць іх у розныя бакі, яна становіцца карацей, і на вяроўцы ўтвараюцца «супервіткі». Гэтак жа можа быць суперскручана і ДНК. У звычайным стане ланцужок ДНК робіць адзін абарот на кожныя 10,4 асновы, але ў суперскручаным стане спіраль можа быць згорнутая тужэй або можа быць расплеценай^[36]. Вылучаюць два тыпа суперскручвання: станоўчае — у кірунку нармальных віткоў, пры якім асновы размешчаны бліжэй адна да адной; і адмоўнае — у процілеглым кірунку. У прыродзе малекулы ДНК звычайна знаходзяцца ў адмоўным суперскручванні, якое ўносіцца ферментамі — тапаізамеразамі^[37]. Гэтыя ферменты выдаляюць дадатковае скручванне, якое ўзнікае ў ДНК у выніку транскрыпцыі і рэплікацыі^[38].

Структура целамер. Зялёным колерам пазначаны іон метала, які хелаціраваны ў цэнтры структуры^[39]

Структуры на канцах храмасом |

На канцах лінейных храмасом знаходзяцца спецыялізаваныя структуры ДНК, якія называюцца целамерамі. Асноўная функцыя гэтых участкаў — падтрыманне цэласнасці канцоў храмасом^[40]. Целамеры таксама абараняюць канцы ДНК ад дэградацыі экзануклеазамі і прадухіляюць актывацыю сістэмы рэпарацыі^[41]. Паколькі звычайныя ДНК-полімеразы не могуць репліцыраваць 3' канцы храмасом, гэта робіць адмысловы фермент — целамераза.

У клетках чалавека целамеры часта прадстаўлены адналанцужковай ДНК і складаюцца з некалькіх тысяч паўтаральных адзінак паслядоўнасці ТТАГГГ^[42]. Гэтыя паслядоўнасці з высокім утрыманнем гуаніна стабілізуюць канцы храмасом, фарміруючы вельмі незвычайныя структуры, — G-квадруплексамі — якія складаюцца з чатырох, а не двух, асноў, якія ўзаемадзейнічаюць. Чатыры гуанінавыя асновы, усе атамы якіх знаходзяцца ў адной плоскасці, утвараюць пласцінку, стабілізаванную вадароднымі сувязямі паміж асновамі і хелаціраваннем у цэнтры яе іона металу (часцей за ўсё калія). Гэтыя пласцінкі размяшчаюцца стосікам адна за адной^[43]

На канцах храмасом могуць утварацца і іншыя структуры: асновы могуць быць размешчаны ў адным ланцужку або ў розных паралельных ланцужках. Акрамя гэтых «стосікавых» структур целамуры ўтвараюць вялікія петлепадобная структуры — Т-завесы, або целамерныя завесы. У іх адналанцужковая ДНК размяшчаецца ў выглядзе шырокага кальца, стабілізаванага целамернымі бялкамі^[44]. У канцы Т-завесы адналанцужковая целамерная ДНК далучаецца да двухланцужковай ДНК, парушаючы спарванне ланцужкоў у гэтай малекуле і ўтвараючы сувязі з адным з ланцугоў. Гэта трохланцужковае ўтварэнне называецца Д-пятля (ад англ.: displacement loop)^[43].

Біялагічныя функцыі |

ДНК з'яўляецца носьбітам генетычнай інфармацыі, запісанай у выглядзе паслядоўнасці нуклеатыдаў з дапамогай генетычнага кода. З малекуламі ДНК звязаны дзве асноватворныя ўласцівасці жывых арганізмаў — спадчыннасць і зменлівасць. У ходзе працэсу рэплікацыі ДНК утвараюцца дзве копіі зыходнага ланцужка, якія атрымліваюць у спадчыну даччыныя клеткі пры дзяленні, такім чынам атрымаўшыяся клеткі аказваюцца генетычна ідэнтычныя зыходнай.

Генетычная інфармацыя рэалізуецца пры экспрэсіі генаў у працэсах транскрыпцыі (сінтэзу малекул РНК на матрыцы ДНК) і трансляцыі (сінтэзу бялкоў на матрыцы РНК).

Паслядоўнасць нуклеатыдаў «кадуе» інфармацыю аб розных тыпах РНК: інфармацыйных, або матрычных (мРНК), рыбасамальных (рРНК) і транспартных (тРНК). Усе гэтыя тыпы РНК сінтэзуюцца на аснове ДНК у працэсе транскрыпцыі. Ролю іх у біясінтэзе бялкоў (працэсе трансляцыі) розная. Інфармацыйная РНК змяшчае інфармацыю аб паслядоўнасці амінакіслот у бялку, рыбасамальныя РНК служаць асновай для рыбасом (складаных нуклеапратэінавых комплексаў, асноўная функцыя якіх — зборка бялку з асобных амінакіслот на аснове іРНК), транспартныя РНК дастаўляюць амінакіслоты да месца зборкі бялкоў — у актыўны цэнтр рыбасомы, якая «паўзе» па іРНК.

Гл. таксама |

• Кандэнсацыя ДНК


• Мабільныя генетычныя элементы

Зноскі

Літаратура |

	Дэзоксірыбануклеінавая кіслата на Вікісховішчы

• Дэзоксірыбануклеінавая кіслата // Беларуская энцыклапедыя: У 18 т. Т. 6: Дадаізм — Застава / Рэдкал.: Г. П. Пашкоў і інш — Мн.: БелЭн, 1998. — Т. 6. — С. 327. — 576 с. — ISBN 985-11-0106-0 (Т. 6).
  

Слоўнікі і энцыклапедыі Gran catalana · Большая российская · Большая российская · Britannica (анлайн) Нарматыўны кантроль BNF: 119649178 · GND: 4070512-2 · LCCN: sh85037008 · NDL: 00561484