Медична генетика - В. М. Запорожан 2005

Вступ до медичної генетики
Молекулярні основи спадковості
Будова і функції ДНК

Молекулярну основу спадковості становлять НУКЛЕЇНОВІ КИСЛОТИ — ДНК, а також РНК (у деяких вірусів).

ДНК — це полімер, мономером якого є нуклеотид. Кожен нуклеотид складається із залишку фосфорної кислоти, моносахариду (пентози) дезоксирибози і однієї з чотирьох азотистих основ — аденіну (А), тиміну (Т), цитозину (Ц) або гуаніну (Г). Аденін і гуанін — похідні пурину, тимін і цитозин — похідні піримідину. Послідовність азотистих основ у ланцюгу ДНК визначає спадкову інформацію, записану в її молекулі. НУКЛЕОТИДИ з’єднуються в ланцюг ковалентним (фосфодіефірним) зв’язком між фосфатом одного і дезоксирибозою наступного нуклеотиду. Атоми вуглецю в дезоксирибозі нумеруються, в утворенні міжнуклеотидного зв’язку задіяний 5' С одного і 3' С іншого нуклеотиду. Це визначає полярність ланцюга ДНК (рис. 1.1): на одному кінці ланцюга розташована вільна 5' фосфатна група, на другому — 3' гідроксильна група.

Молекула ДНК містить два полінуклеотидних ланцюги, які утворюють подвійну спіраль. Азотисті основи нуклеотидів орієнтовані всередину спіралі і з’єднуються між собою водневими зв’язками за принципом комплементарності, тобто строгої відповідності нуклеотидів (А-Т; Г-Ц). Між А і Т утворюються 2 водневі зв’язки, а між Г і Ц — 3. Ланцюги в молекулі ДНК антипаралельні: один ланцюг йде у напрямку 5'-3' вздовж осі, а другий у напрямку 3'-5'.

Оскільки фермент ДНК-полімераза може нарощувати полінуклеотидний ланцюг, приєднуючи нуклеотиди тільки до 3' кінця, прийнято записувати нуклеотидну послідовність ДНК так, щоб 5' кінець знаходився біля верхнього ланцюга зліва і позначав початок молекули.

Class="center">

Рис. 1.1. Будова фрагмента полінуклеотидного ланцюга ДНК:

а — вільна фосфатна група на 5'-кінці; б — фосфодіефірний зв’язок; в — дезоксирибоза; г — вільна гідроксильна група на 3'-кінці

(5') АТГТТАЦАГГГЦ (3')

(3') ТАЦААТГТЦЦЦГ (5')

Спіраль ДНК у більшості випадків правозакручена, з діаметром 2 нм. У кожному витку спіралі 10 пар нуклеотидів, довжина повного витка 3,4 нм. Між витками уздовж осі молекули можна виділити велику і малу борозни. У цих борознах регуляторні білки можуть взаємодіяти з певними нуклеотидними послідовностями ДНК (рис. 1.2).

Дволанцюгова комплементарна структура забезпечує такі важливі властивості молекули ДНК.

1. Здатність молекули до самоподвоєння (реплікації). Два ланцюги розділяються, і уздовж кожного синтезується комплементарний ланцюг. Можливість утворення двох абсолютно ідентичних молекул забезпечує передачу спадкової інформації від материнської клітини дочірнім клітинам при поділі (рис. 1.3).

2. Здатність до денатурації та ренатурації. При зміні температури і хімічного складу середовища молекула здатна розділитися на два ланцюги (денатурація, або плавлення), а при поверненні до фізіологічних умов дволанцюгова структура спонтанно відновлюється (ренатурація, або відпал). При цьому відповідні одноланцюгові ділянки знаходять одна одну завдяки принципу комплементарності. Здатність ДНК до денатурації та ренатурації широко використовується в сучасних молекулярно-генетичних дослідженнях.

3. Здатність до репарації — відновлення пошкоджень, які утворюються у структурі молекули.

Рис. 1.2. Подвійна спіраль ДНК: а — цукро-фосфатний остов; б — мала борозна; в — велика борозна; г — азотні основи; д — водневі зв’язки між основами

ДНК локалізується в ядрі клітини у складі хромосом, а також в мітохондріях (у людини — менше 1 %).

Головна функція ДНК — зберігання спадкової (генетичної) інформації. Спадкова інформація — це інформація про структуру всіх білків і РНК організму і порядок реалізації цієї інформації в онтогенезі. Молекула ДНК забезпечує передачу генетичної інформації дочірнім клітинам завдяки здатності до реплікації. Вона бере участь у реалізації спадкової інформації, оскільки служить матрицею для синтезу РНК і регулює її утворення.