Что такое ДНК?

ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) представляет собой одну из трех макромолекул клетки (две другие – белки и рибонуклеиновая кислота), которая обеспечивает сохранение и передачу генетического кода развития и деятельности организмов. Простыми словами, ДНК – носитель генетической информации. В ее составе содержится генотип индивида, который имеет способность к самовосстановлению и передает информацию в наследство.

История исследования

ДНК была открыта Иоганном Мішером в 1869 году. Вначале новое вещество получило название «нуклеїн», а позже, когда Мишер обнаружил в ней кислотные свойства, ее назвали нуклеїновою кислотой. Биологическая функция нововідкритої вещества была неизвестна.

Постепенно было доказано, что именно ДНК, а не белки, как считалось раньше, является носителем генетической информации. Одними из первых решающих доказательств стали эксперименты В. Эвери, Колина Мак-Леода и Маклин Мак-Карти (1944 год) по трансформации бактерий. Эксперимент американских ученых Алфреда Хершу и Марты Чейз (1952 год) с мечеными радиоактивными изотопами белками и ДНК бактериофагов показали, что в зараженную клетку передается только нуклеиновая кислота фага, а новое поколение фага содержит такие же белки и нуклеиновую кислоту, как и исходный фаг.

До 50-х годов 20 века точное строение ДНК, как и способ передачи наследственной информации, оставалась неизвестной. Хоть и было наверняка известно, что ДНК состоит из нескольких цепочек, что в свою очередь состоят из нуклеотидов, никто не знал точно, сколько этих цепочек и как они соединены.

Структура двойной спирали ДНК была предложена Френсисом Криком и Джеймсом Ватсоном в 1953 году на основе рентгеноструктурных данных, полученных Морисом Вілкінсом и Розалиндой Франклин, и «правил Чаргаффа», согласно которым в каждой молекуле ДНК соблюдаются строгие соотношения, что зв’связывают между собой количество азотистых оснований разных типов. Позже предложенная Ватсоном и Криком модель строения ДНК была доказана, а их работа отмечена Нобелевской премией по физиологии и медицине 1962 года.

Общее описание

С химической точки зрения ДНК — это длинная полимерная молекула, состоящий из последовательности блоков — нуклеотидов. Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, сахара (дезоксирибози) и фосфатной группы (или гомологической арсеноїдної). Зв’связи между нуклеотидами в цепи образуются за счет дезоксирибози и фосфатной группы. В подавляющем большинстве случаев макромолекула ДНК состоит из двух цепей, ориентированных азотистыми основаниями друг против друга. Эта дволанцюгова молекула образует спираль. В целом структура молекулы ДНК получила название «двойной спирали».

В ДНК встречается четыре вида азотистых оснований (аденин, гуанин, тимин и цитозин). Азотистые основания одной из цепей соединены с азотистыми основаниями другой цепи водородными зв’связями согласно принципу комплементарности: аденин с’объединяется только с тимином, гуанин — только с цитозином.

Пространственная организация ДНК в клетках

В клетках эукариот (например, животных, растений или грибов) ДНК содержится в ядре клетки в составе хромосом, а также в некоторых клеточных органеллах (митохондриях и пластидах). В клетках прокариот (бактерий и архей) кольцевая или линейная молекула ДНК, так называемый нуклеоидов, содержится в цитоплазме и прикреплена изнутри к клеточной мембране. У них и У низших эукариот (например дрожжей) встречаются также небольшие автономные кольцевые молекулы ДНК, так называемые плазмиды. Кроме того, равно- или двухцепочные молекулы ДНК могут образовывать геном ДНК-вирусов.

Наименьшая структурная единица ДНК в клетке ДНК, намотана на нуклеосому. Длина нуклеосомної участка ДНК 147 пар нуклеотидов.

Биологическая роль ДНК

ДНК является носителем генетической информации, записанной в виде нуклеотидной последовательности с помощью генетического кода. С молекулами ДНК зв’связаны две основные свойства живых организмов — наследственность и изменчивость. В ходе процесса, что называется репликацией ДНК, с начального, материнского, цепи, образуются две копии ДНК, которые наследуются дочерними клетками при делении. Клетки, образовавшиеся таким образом, будут генетически идентичными. Нужна для клеточной жизнедеятельности генетическая информация считывается при экспрессии генов. Во многих случаях она используется для биосинтеза белков в процессах транскрипции (синтеза молекул РНК на матрице ДНК) и трансляции (синтеза белков на матрице РНК).

Методы работы с ДНК

С развитием молекулярной биологии было разработано много методов работы с ДНК. Эти методы прежде всего включают выделение ДНК, обычно посредством разрушения клеток, содержащие необходимую ДНК, и спиртовой преципитации ДНК из раствора. При необходимости ДНК очищают с помощью адсорбционной хроматографии. Большие количества ДНК можно получить с помощью полимеразной цепной реакции (ПЦР), что требует лишь нескольких молекул ДНК.

Полученная ДНК может быть проанализирована с помощью рестрикционного анализа, то есть разрезание ДНК на определенных участках с помощью рестриктаз, и разделение полученных фрагментов с помощью гелевого электрофореза. В некоторых случаях возможен одновременный анализ целых геномов, для чего используются ДНК-микрочипы.

Еще одним из распространенных методов работы с ДНК является секвенирование, то есть установление ее нуклеотидной последовательности.

Генная инженерия

Современные биология и биохимия интенсивно используют методы, основанные на технологии рекомбинантной ДНК. Рекомбинантная ДНК — искусственно созданная последовательность ДНК, части которой могут быть синтезированы химическим путем, с помощью ПЦР, или клонувані с ДНК различных организмов.

Судебно-медицинская экспертиза

Судмедэксперты используют найденные на месте преступления ДНК крови, спермы, кожи, слюны или волос для идентификации преступника. Процесс идентификации называется генетическим фінґерпринтингом . В фінґерпринтингу сравнивается вариабельны ДНК генома, например, тандемные повторы: микросателлиты и мінісателіти разных людей. Фінґерпринтинг был разработан в 1984 году британским генетиком Алеком Джеффрейсом и впервые использован как доказательство в суде над Коленом Пітчфорком в деле, где он был обвинен в убийстве и изнасиловании.

Сейчас во многих западных странах, у преступников, обвиненных в преступлениях некоторых типов, забирается образец ДНК для базы данных. Это помогло определить виновных в ранее нераскрытых преступлениях, поскольку ДНК сохраняется на вещественных доказательствах. Еще этот метод используется для определения лица в случае массовой гибели людей и многих других тестах.

Также метод генетического фінґерпринтингу используется для проведения теста на отцовство, установление соответствия донорских органов, диагностики генетических болезней и исследования популяций животных.

Биоинформатика

Биоинформатика включает обработку данных, что содержится в последовательности ДНК. Развитие комп’компьютерных методов хранения и поиска такой информации привел к развитию таких направлений информатики, что нашли и другое применение, как SSA (string searching algorithm), машинное обучение и организация баз данных.

ДНК і комп’ютери

ДНК-комп’компьютер имеет преимущества над электронными комп’компьютерами, поскольку теоретически требует меньше энергии, занимает меньше места и эффективнее благодаря возможности одновременных подсчетов. Благодаря компактности ДНК она теоретически может найти применение в криптографии, где может использоваться для конструирования одноразовых шифроблокнотів.

История и антропология

Поскольку с течением времени в ДНК накапливаются мутации, которые затем передаются по наследству, она содержит историческую информацию, поэтому генетики могут исследовать эволюционную историю организмов (філогенетику).

Філогенетика — метод эволюционной биологии. Если сравниваются последовательности ДНК внутри вида, эволюционные генетики могут узнать историю отдельных популяций. Эта информация может быть полезной в различных областях науки, начиная с экологической генетики и заканчивая антропологией. Например, при исследовании как митохондриальной, так и ядерной ДНК твердых тканей (зубов и костей) мумий было установлено, что древние египтяне более родственные древних европейцев чем в современных Египтян. Их ближайшие родственники проживали в местности Левант во время неолита и бронзового века.

Другим примером использования последовательности ДНК для установления эволюции человека может быть анализ неандертальского генома и установления, что на протяжении истории неандертальцы спаривались с Homo sapiens