Дезоксирибонуклеїнова кислота (ДНК)

ДЕЗОКСИРИБОНУКЛЕЇ́НОВА КИСЛОТА́ (ДНК) — основний генетичний матеріал усіх клітин­них організмів і ДНК-вмісних вірусів. Вміст ДНК у клітинах залежить від їхнього функціонального стану і складає в середньому 1–10 % в пере­рахунку на суху масу. ДНК — це лінійний або циклічний високомолекулярний полімер, організований у по­двійну спіраль, що складається з дезоксирибонуклеотидів, сполучених між собою 3ʼ,5ʼ-фосфодіетерними звʼязками. Кожний дезоксирибонуклеотид — трикомпонентна сполука, що складається з однієї з чотирьох азотистих основ, а також моносахариду (дезоксирибози) і фосфорної кислоти. Дві азотисті основи — цитозин і тимін — належать до класу т. зв. піримідинових, а дві інші — аденін і гуанін — до пуринових основ. Азотисті основи при­єд­нані до атома С-1ʼ пентози, а вуглеводневі залишки зʼ­єд­нані між собою фосфодіетерними звʼязками. Чергува­н­ня залишків дезоксирибози і фосфатних груп утворюють остов по­двійної спіралі. Напрям звʼязків 3ʼ→5ʼ ви­значає орієнтацію двох комплементарних ланцюгів, і оскільки вона є протилежною, їх називають антипаралельними. Спів­від­ноше­н­ня та порядок зʼ­єд­на­н­ня дезоксирибонуклеотидів у ланцюгу ДНК і ви­значає геном.

У вищих організмів кожна молекула ДНК упакована в окрему хромосому, що являє собою надмолекулярну внутрішньо­ядерну структуру, у складі якої, крім ДНК, пере­бувають гістонові і негістонові білки. Кількість хромосом у клітинах різних організмів є видовою ознакою. В диплоїдних клітинах людини міститься 46 хромосом, загальна довжина ДНК яких — 1,74 м, але вона упакована в ядрі, діаметр якого в міль­йони разів менший. Таке упакува­н­ня від­бувається завдяки компактизації та над­спіралізації ДНК за допомогою різноманітних білків, що взаємодіють з певними нуклеотидними послідовностями в структурі ДНК. Кожна хромосома здатна до самовід­творе­н­ня із збереже­н­ням структурно-функціональної індивідуальності.

Більшість ДНК зосереджена в ядрі. Від­мін­ною рисою еукаріотичних організмів є те, що частина ДНК роз­міщена у складі геному цитоплазматичних органел (мітохондрії, хлоропласти). Геном органел успадковується по материнській лінії, оскільки походить з цитоплазми клітини; геном мітохондрій сперматозоїдів не потрапляє в запліднену яйцеклітину. У клітинах тварин мітохондріальна ДНК пред­ставлена дволанцюговими за­звичай кільцевими молекулами. В одній мітохондрії може міститися від 2-х до 10-ти молекул ДНК, що становить менше 2 % всієї клітин­ної ДНК. ДНК мітохондрій кодує дві рибосомні РНК мітохондріальних рибосом, повний набір транс­порт­них РНК, необхідний для синтезу білка, та обмежену кількість поліпептидів, що синтезуються на полісомах у мітохондріях.

В історії ви­вче­н­ня ДНК виділяють 3 періоди. Перший (1868–1943) роз­почався від­кри­т­тям у клітинах фосфорорган­ного комплексу, збагаченого ядерним матеріалом. 1868 швейцар. лікар Й.-Ф. Мішер вперше виділив із клітин­них ядер гною і сперми лосося фосфоровмісну речовину, яку на­звав нуклеїном, а згодом — нуклеїновою кислотою. Вагомий внесок у ви­вче­н­ня ДНК зробили нім. хімік А. Кьос­сель (встановив, що до складу нуклеїну входять 4 азотовмісні речовини — аденін, гуанін, цитозин та тимін), амер. біо­хімік рос. походже­н­ня А. Левін (довів, що складовою нуклеїну є також вуглевод дезоксирибоза). Згодом встановлено, що ДНК зосереджена в хромосомах; це свідчило про можливість її генетичної ролі. Проте біо­логічна функція цієї сполуки залишалася неві­домою ще протягом майже столі­т­тя. Вважали, що нуклеїнова кислота є регуляторним полімером, який складається лише з чотирьох по­вторюваних мономерних ланок, і тому не може мати генетичну інформацію. У звʼязку з цим сформувалася думка, що ДНК у хромосомах виконує структурну функцію, а гени складаються із білка, який входить до складу хромосом.

1944–60 ДНК роз­глядали як другорядну молекулу. У цей період від­крито явище транс­формації у пневмококів, природу якого 1944 про­аналізували амер. бактеріологи із Рокфел­лерського ін­ституту (Нью-Йорк) на чолі з О. Ейвері. Вони, зокрема, зʼясували, що речовиною спадковості, або генами, є саме молекула ДНК. Важливе значе­н­ня для зʼясува­н­ня біо­логічної ролі ДНК мали дослідже­н­ня амер. біо­хіміка укр. походже­н­ня Е. Чаргаф­фа. Він здійснив її хромато­графічний аналіз і довів, що нуклеотидний склад ДНК організмів різних видів від­мін­ний, а у складі ДНК різних тканин пред­ставників одного виду різниці немає. 1953 американець Дж. Вотсон і англієць Ф. Крік інтер­претували результати рентґено­структурного аналізу ДНК, проведеного в Королівському коледжі в Лондоні М. Вілкінсом та Р. Франклін, і на цій основі за­пропонували модель просторової структури ДНК. Вони встановили, що макромолекула ДНК — регулярна по­двійна спіраль, у якій два полінуклеотидні ланцюги комплементарні один одному.

Третій етап триває від 1960. Його початок по­значений радикальними змінами по­глядів на про­блему. У працях М. Ніренберґа, Р. Голлі і Г. Корани започатковано роз­шифрува­н­ня «мови життя» — коду, яким у ДНК записана інформація про структуру білк. молекул. Ф. Жакоб і Ж.-Л. Моно ді­йшли до висновку про існува­н­ня двох груп генів — структур., які від­повід­ають за синтез специфічних білків, і регуляторних, які контролюють активність структурних генів. 1962 Дж. Ґьордон вперше клонував тварин­ний організм (жабу), 1969 Г. Корана синтезував хімічним шляхом перший ген. 1972 в лабораторії П. Берґа отримано перші рекомбінантні ДНК. Закладено основи ген­ної інженерії. Р. Корнберґ описав структуру хроматину (нуклеосоми). 1977 об­ґрунтовано швидкі методи ви­значе­н­ня (секвенува­н­ня) довгих нуклеотидних послідовностей ДНК. Зʼявився реальний засіб аналізу структури генів як основа для ро­зумі­н­ня їхніх функцій. 1981 ви­значено повну нуклеотидну послідовність мітохондріальних ДНК людини. Згодом клоновано і встановлено нуклеотидну послідовність ДНК, виділеної із стародавньої єгипетської мумії.

У 1990 створено Між­народну організацію з ви­вче­н­ня геному людини, яка в 2000 оголосила про заверше­н­ня роз­шифрува­н­ня геному людини, що засвідчило ви­значе­н­ня повної структури ДНК. Ці від­кри­т­тя дали можливість ви­значити кібернетичної функції ДНК: збереже­н­ня спадкової інформації (кількість ДНК у соматичних та статевих клітинах організму людини є сталою величиною, яку ці клітини отримують у процесах заплідне­н­ня батьків. гамет та подальшого поділу зиготи); пере­дача спадкового матеріалу нащадкам шляхом реплікації самопо­двоє­н­ня (молекула ДНК служить, по-перше, матрицею для реплікації — копіюва­н­ня інформації в дочірніх молекулах ДНК, по-друге, для транс­крипції — копіюва­н­ня інформації в дочірніх молекулах РНК); реалізація спадкової інформації (пере­дача закодованої в ДНК інформації молекулам інформаційної РНК та подальше роз­шифрува­н­ня цієї інформації під час синтезу білків — транс­ляція).

В Україні ви­вче­н­ня генетичної функції ДНК започаткував С. Гершензон, який на базі сектору молекулярної біо­логії та генетики Ін­ституту мікробіо­логії і вірусології АН УРСР (Київ) 1973 створив Ін­ститут молекулярної біо­логії і генетики АН УРСР (Київ). В організованому ним від­ділі генетики людини цього Ін­ституту очолював дослідже­н­ня можливостей зворотної пере­дачі генетичної інформації (від РНК до ДНК), які згодом отримали під­твердже­н­ня і були роз­винуті західними вченими. Серед пред­ставників школи С. Гершензона — С. Малюта (вперше в Україні встановив можливість екс­пресії бактеріальних генів у клітинах рослин, виділив мінікільцеві плазмідоподібні ДНК з різних клітин, від­крив і ви­вчив систему рестрикції — модифікації в одного з видів бацил — В. natto), О. Соломко (роз­робив методичні під­ходи до керованого введе­н­ня чужорідної ДНК до геному ссавців для одержа­н­ня тварин з новими ознаками та аналізу структури і стабільності транс­геному), В. Ковсан (клонував гени інсуліну, фактора росту та ви­значив їхні нуклеотидні послідовності), В. Кунах (ви­вчає особливості та механізми і шляхи регуляції структурно-функціональної мінливості геному в клітин­них популяціях і роз­робляє на цій під­ставі генетичної основи клітин­ної біо­технології рослин), А. Риндич (започаткувала в Україні роботи в галузі за­стосува­н­ня зворотної транс­крипції для ви­вче­н­ня структури і функціонува­н­ня генів, довела звʼязок екс­пресії онковірусів з їхньою локалізацією в геномах людини і тварин), О. Корнелюк (за допомогою методів білкової інженерії ви­вчає про­блеми білково-нуклеїнового впі­знава­н­ня), Л. Лукаш (досліджує мутаційні по­шкодже­н­ня, спричинені вірусами, рекомбінантними ДНК, транс­формуючими генами, білками, що використовуються в ген­ній терапії, ген­ній інженерії, біо­технології), В. Кордюм (за­стосовуючи бактеріальні плазміди, досяг значних успіхів у галузі біо­медичних технологій), Л. Лівшиць (за допомогою роз­роблених методів ДНК-діагностики досліджує стан генофонду населе­н­ня України, проводить скринінг впливу іонізуючої радіації на рівень успадкованих мутацій у геномі дітей, які народилися після 1986 в родинах ліквідаторів наслідків аварії на ЧАЕС).

Літ.: Рол­лер Э. Открытие основных законов жизни / Пер. с англ. Москва, 1978; Гершензон С. М. Основы современ­ной генетики. К., 1979; Франк-Каменецкий М. Д. Самая главная молекула. Москва, 1988; Губський Ю. І. Біо­логічна хімія: Під­руч. К.; Т., 2000; Бабенюк Ю. Д., Васильєв О. М. та ін. Біо­хімія: Під­руч. К., 2002; Данилов В. І., Анисимов В. Н. Ви­вче­н­ня канонічних Уотсон — Кріківських пар основ ДНК методом теорії збурень Мол­лера — Плес­сета: природа їхньої стабільності // Біо­полімери і клітина. 2004. Т. 20, № 1–2.

Ю. Д. Бабенюк

Завантажити статтю