Физико-химические свойства ДНК

Хромосомы животных, бактерий, вирусов, содержат по одной непрерывной ДНК-спирали огромной длины по сравнению с размерами ядра. Молекулярная масса ДНК определена с помощью ряда методов. Классический метод ультрацентрифугирования позволяет определять размеры ДНК в пределах M=2•10⁵-1•10⁹. Более длинные молекулы разрываются при ультрацентрифугировании, поэтому их молекулярную массу определяют по вязкости. 

Вторичная структура ДНК

Выяснение вторичной структуры ДНК – это одно из крупнейших открытий в биологии, поскольку при этом одновременно был раскрыт механизм передачи наследственной информации в ряду поколений. В 1953 году Д. Уотсон и Ф. Крик установили, что ДНК представляет собой двойную спираль, состоящую из двух антипараллельных полинуклеотидных цепей. Это заключение явилось результатом большого числа экспериментальных данных и первичных обобщений. К ним относятся работы Э. Чаргаффа и его сотрудников, которые показали, что нуклеотидный состав ДНК жестко сбалансирован. Важное значение имели результаты рентгеноструктурного анализа ДНК, полученные Р. Франклин, М. Вилкинсом с сотрудниками (1953). Они свидетельствуют о том, что полинуклеотидная цепь ДНК расположена в форме спирали с периодом идентичности (шагом) 3,4 нм и расстоянием между плоскостями оснований 0,34 нм. Физико-химическими исследованиями было установлено, что в молекуле ДНК между амино- и кетогруппами азотистых оснований образуются водородные связи. 

Первичная структура ДНК

Структура нуклеиновых кислот лучше изучена у простейших живых существ – прокариот. К ним относятся бактерии, синезеленые водоросли, риккетсии и микоплазмы. В клетках прокариот содержится единственная хромосома, состоящая из одной молекулы ДНК, которая не отделена от цитоплазмы мембраной. Наиболее подробно исследована структура нуклеиновых кислот, выделенных из различных штаммов и мутантов E. coli и ее бактериофагов. Позднее начали изучать генетический материал эукариотических клеток. К ним относятся клетки животных, растений, грибов, простейших, большей части видов водорослей. Эукариотические клетки содержат ядро, окруженное мембраной. Ядерный материал распределяется между несколькими хромосомами, основу которых составляют ДНК и белки (главным образом, гистоны). 

Строение полинуклеотидной цепи*

*Иногда употребляется также и термин нить. 

Нуклеотиды – это повторяющиеся мономерные единицы олигонуклеотидов и полинуклеотидов. Олигонуклеотиды построены из нескольких мономеров, полинуклеотиды – из многих. Нуклеиновые кислоты представляют собой полинуклеотиды, построенные из мономеров – нуклеотидов, число которых колеблется от 7 десятков до сотен миллионов. 

Нуклеотиды и нуклеозиды

В нуклеиновых кислотах пуриновые азотистые основания через 9-ый атом, а пиримидиновые – через 1-ый образуют N-гликозидную связь с пентозой рибозой или 2’-дезоксирибозой. 

Компоненты нуклеиновых кислот

При полном гидролизе нуклеиновых кислот образуются пуриновые и пиримидиновые азотистые основания, моносахарид пентоза (рибоза или дезоксирибоза) и фосфорная кислота. В выделении и доказательстве присутствия рибозы в нуклеиновых кислотах большую роль сыграли работы советского физиолога и биохимика Е.С. Лондона (1929). 

Открытие нуклеиновых кислот и их биологическая роль

В 1868 году швейцарский исследователь Ф. Мишер впервые выделил из ядер лейкоцитов человека соединения нового типа, ранее неизвестные, которые он назвал нуклеинами (от лат. nucleus – ядро). Вскоре сотрудники лаборатории Ф. Гоппе-Зейлера, в которой работал Ф. Мишер, в том числе и наш соотечественник Н. Любавин, выделили нуклеины из эритроцитов птиц, рептилий, из дрожжевых клеток и ряда других объектов. Позднее Ф. Мишер установил, что нуклеин – это сложное соединение, состоящее из кислого компонента с высоким содержанием фосфора (в 1889 году этот компонент назвали нуклеиновой кислотой) и белкового компонента. Так были открыты нуклеиновые кислоты и новая группа сложных белков, содержащая их, – нуклеопротеины. Долгое время считали, что белковые компоненты нуклеопротеинов представлены только белками основного характера – гистонами и протаминами. В 1939 году одним из основателей молекулярной биологии в СССР академиком А.Н. Белозерским и его сотрудниками в растительных нуклеопротеинах были обнаружены кислые белки типа альбуминов и глобулинов.