Свойства нуклеиновых кислот

Взаимодействие цепей ДНК может быть нарушено при нагревании, приводящем к денатурации ДНК. Денатурация сопровождается увеличением поглощения при 260 нм (так называемый гиперхромный эффект). Помимо этого метода процесс денатурации можно контролировать по уменьшению вязкости раствора. При медленном остывании (отжиге) раствора ДНК, подвергнутой тепловой денатурации, две комплементарные цепи ДНК вновь соединяются с образованием исходной структуры, т.е. происходит ренатурация. На явлении денатурации и ренатурации основан метод молекулярной гибридизации -– один из главных в генной инженерии.

Гибридизация днк-днк

Если смешать растворы ДНК, выделенных из организмов разных видов, нагреть эту смесь, а затем вновь охладить, то вновь будут возникать двуспиральные структуры. При этом наряду с молекулами ДНК, идентичными исходным, могут образовываться гибридные молекулы, содержащие цепи ДНК от разных видов. Такие гибридные молекулы несовершенны: спирализованные участки в них чередуются с неспирализованными. В неспирализованных участках цепи ДНК некомплементарны друг другу. Несовершенство гибридов ДНК-ДНК выявляется с помощью электронной микроскопии.

Исследование гибридизации ДНК-ДНК позволило сделать следующие важные для биологии выводы:

1) ДНК всех органов и тканей одного и того же организма идентичны.

2) ДНК, выделенные из тканей разных особей одного биологического вида, идентичны. Небольшие различия, имеющие место, методом гибридизации не обнаруживаются.

3)ДНК, полученные от особей разных биологических видов, неидентичны и образуют несовершенные гибридные молекулы. Степень несовершенства гидридов ДНК-ДНК тем больше, чем отдаленнее филогенетическое сродство между видами.

Из результатов изучения ДНК методом гибридизации следует, что первичная структура ДНК характеризуется видовой специфичностью.

Гибридизация днк-рнк

Сходным образом происходит гибридизация ДНК-РНК. В этом случае гибридная молекула содержит одну цепь ДНК и одну – РНК.

Перенос генетической информации

Способность к переносу генетической информации, т.е. передаче наследственных свойств, является уникальным свойством живых организмов. Хранение и передача генетической информации, которую можно рассматривать как биологическую память, возложена природой на нуклеиновые кислоты.

Различают три варианта переноса генетической информации: 1) в пределах одного класса нуклеиновых кислот, т.е. от ДНК к ДНК. Он называется репликацией. 2) между разными классами нуклеиновых кислот, т.е. от ДНК к РНК. Он называется транскрипцией. В ходе транскрипции образуются все типы РНК: мРНК, тРНК и рРНК. 3) в пределах разных классов макромолекул, т.е. от мРНК к белку. Он называется трансляцией. Трансляция может происходить только в одном направлении – от мРНК к белку.

Направление переноса генетической информации от ДНК через РНК к белку называется центральным постулатом молекулярной биологии. Он был сформулирован Ф.Криком.

Все виды передачи генетической информации основаны на матричном механизме. Это означает, что для каждого из них необходима матрица, которая позволяет с большой точностью и экономичностью воспроизводить имеющуюся в клетке генетическую информацию.

Биосинтез ДНК (репликация)

Репликация – это процесс, при котором информация, закодированная в последовательности оснований молекулы родительской ДНК, передается дочерней ДНК.

В 1958 году Меселсон и Сталь в экспериментах с тяжелым азотом (N¹⁵) доказали, что репликация ДНК происходит по полуконсервативному механизму, при котором дочерние клетки первого поколения получают одну цепь ДНК от родителей, а вторая цепь является вновь синтезированной.

Для репликации ДНК необходим ряд условий:

1) Реакция идет только в присутствии уже готовой ДНК, выполняющей роль матрицы. Вновь синтезируемые молекулы ДНК имеют первичную структуру, идентичную первичной структуре ДНК-матрицы.

2) Сложный набор белков и ферментов, образующих репликативный комплекс. В него входят ДНК-топоизомеразы, которая является обратимой нуклеазой; ДНК-хеликазы, использующей энергию АТФ для расплетения двойной спирали ДНК; белков, дестабилизирующих спираль (SSB-белков); ДНК-полимераз, катализирующих образование 3’, 5’-фосфодиэфирных связей.

3) Субстратами служат дезоксирибонуклеозидтрифосфаты (дАТФ, дГТФ, дТТФ, дЦТФ). В ходе ДНК-полимеразной реакции от каждого из них отщепляется пирофосфатный остаток. Таким образом, включение каждого мономера в молекулу ДНК требует расхода энергии высокоэнергетических связей.

Итак, в результате действия сложного набора белков образуется репликативная вилка. ДНК-полимераза δ не способна инициировать синтез новых цепей ДНК. Она может лишь удлинять уже имеющуюся нуклеотидную цепь – затравку РНК (праймер). Роль завтравки выполняет РНК, синтезируемая ферментом РНК-полимеразой α. Каждый праймер состоит примерно из 10 нуклеотидов. ДНК-полимераза δ (дельта), активируемая праймером, продолжает синтез новой цепи в направлении от 5’- к 3’-концу. Поэтому на одной из ветвей репликативной вилки новая цепь наращивается непрерывно; она называется лидирующей. На другой же ветви по мере раскручивания ДНК под действием ДНК-полимеразы έ (эпсилон) образуются короткие фрагменты, называемые фрагментами Оказаки. Каждый фрагмент Оказаки состоит примерно из 100 нуклеотидов. Исключение праймеров осуществляется с помощь фермента ДНК-полимеразы β, которая постепенно отрезает от 5’-конца фрагмента по одному рибонуклеотиду и присоединяет дезоксирибонуклеотиды в количестве, равном вырезанному праймеру, заполняя образованную брешь. Затем концы этих фрагментов соединяются между собой под действием ДНК-лигазы.

Молекула ДНК человека имеет очень большие размеры. Репликация такой большой молекулы шла бы в течение примерно 800 часов. Поэтому инициация синтеза ДНК происходит в нескольких точках хромосомы, которые называются точками инициации репликации, или ориджинами репликации.