Дэзоксірыбануклеінавая кіслата

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 . 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 , цукру (дэзоксірыбозы) і . 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 (), рыбасомныя () і транспартныя (). 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, .

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 , атрыманыя даследчыцай Разалінд Франклін у 1952 годзе.

 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. 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.

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. 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 пасмяротнаThe Nobel Prize in Physiology or Medicine 1962 Nobelprize .org Accessed 22 Dec 06.

 Структура малекулы 

 Нуклеатыды 
   80px
  118px
  97px
  75px

   Адэнін
  Гуанін
  Тымін
  Цытазін


Структуры асноў, найчасцей сустракаючыхся ў складзе ДНК

Дэзоксірыбануклеінавая кіслата (ДНК) уяўляе сабой біяпалімер (поліаніён), монамерам якога з'яўляецца нуклеатыдButler, John M. (2001) Forensic DNA Typing «Elsevier». С. 14 — 15. ISBN 978-0-12-147951-0.

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)Berg J., Tymoczko J. and Stryer L. (2002) Biochemistry. W. H. Freeman and Company ISBN 0-7167-4955-6. 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 гетэрацыкламAbbreviations and Symbols for Nucleic Acids, Polynucleotides and their Constituents IUPAC-IUB Commission on Biochemical Nomenclature (CBN) Accessed 03 Jan 2006.

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.

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.

 Двайная спіраль 
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. Аснова кожнага з ланцугоў складаецца з фасфатаў і цукроў, якія чаргуюцца. 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). 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. Бялкі, напрыклад, фактары транскрыпцыі, якія далучаюцца да пэўных паслядоўнасцяў у двухланцужковай ДНК, звычайна ўзаемадзейнічаюць з краямі асноў у вялікай баразёнцы, дзе тыя больш даступныя.

 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 .

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. 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.

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 

75px95px97pxЦытазін5-метылцытазінТымін
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. 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 %. Іншыя мадыфікацыі асноў уключаюць метыліраванне адэніна ў бактэрый і гліказіліраванне ўрацыла з утварэннем «J-асновы» у кінетапластах.

Метыліраванне цытазіна з утварэннем 5-метылцытазіна ў праматорнай часткі гена карэлюе з яго неактыўным станамJones P. A. Functions of DNA methylation: islands, start sites, gene bodies and beyond // Nature Reviews Genetics. — 2012. — Т. 13. — № 7. — С. 484—492.. Метыліраванне цытазіна важна таксама для інактывацыі Х-храмасомы ў млекакормячых. Метыліраванне ДНК выкарыстоўваецца ў геномным імпрынтынгеLi E., Beard C., Jaenisch R. Role for DNA methylation in genomic imprinting //Nature. — 1993. — Т. 366. — №. 6453. — С. 362—365. Значныя парушэнні профілю метыліравання ДНК адбываецца пры канцерагенезеEhrlich M. DNA methylation in cancer: too much, but also too little //Oncogene. — 2002. — Т. 21. — №. 35. — С. 5400-5413.

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

 Пашкоджанні ДНК 

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.

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. Згодна некаторым ацэнкам, у кожнай клетцы чалавека акісляючымі злучэннямі штодня пашкоджваецца каля 500 асноў  . 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. 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.

 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. 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. Гэтыя ферменты выдаляюць дадатковае скручванне, якое ўзнікае ў ДНК у выніку транскрыпцыі і рэплікацыі.

 Структуры на канцах храмасом 
На канцах лінейных храмасом знаходзяцца спецыялізаваныя структуры ДНК, якія называюцца целамерамі. Асноўная функцыя гэтых участкаў — падтрыманне цэласнасці канцоў храмасом. Целамеры таксама абараняюць канцы ДНК ад дэградацыі экзануклеазамі і прадухіляюць актывацыю сістэмы рэпарацыі. 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. 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

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. 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 ).

 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

 Літаратура 

 Дэзоксірыбануклеінавая кіслата // 

Катэгорыя:Вікіпедыя:Істотныя артыкулы
Катэгорыя:ДНК
Катэгорыя:Радыебіялогія