ДНК (дезоксирибонуклеїнова кислота) — це макромолекула, яка є основним носієм генетичної інформації в усіх живих організмах (за винятком деяких вірусів, де цю роль виконує РНК). Вона зберігає інструкції для синтезу білків, розвитку, функціонування та відтворення клітин. Давайте розглянемо будову, функції, властивості та значення ДНК детально.
Будова ДНК
ДНК має унікальну молекулярну структуру, яка була відкрита Джеймсом Уотсоном і Френсісом Кріком у 1953 році на основі даних Розалінд Франклін і Моріса Вілкінса. Її основна форма — це подвійна спіраль.
Хімічний склад
ДНК складається з трьох основних компонентів:
- Дезоксирибоза — п’ятивуглецевий цукор (моносахарид), який формує “хребет” молекули.
- Фосфатна група — з’єднує дезоксирибози через фосфодіестерні зв’язки, утворюючи цукрово-фосфатний каркас.
- Азотисті основи — чотири типи основ, які кодують генетичну інформацію:
- Аденін (A) — пуринова основа.
- Тимін (T) — піримідинова основа.
- Гуанін (G) — пуринова основа.
- Цитозин (C) — піримідинова основа.
Структура подвійної спіралі
- ДНК складається з двох антипаралельних ланцюгів (один іде в напрямку 5’ → 3’, інший — 3’ → 5’).
- Азотисті основи з’єднуються водневими зв’язками за принципом комплементарності:
- Аденін (A) утворює 2 водневі зв’язки з тиміном (T).
- Гуанін (G) утворює 3 водневі зв’язки з цитозином (C).
- Цукрово-фосфатний каркас розташований зовні, а основи — всередині спіралі.
- Один повний оберт спіралі охоплює приблизно 10 пар основ і має довжину 3,4 нм.
Різновиди структур
- B-ДНК: найпоширеніша форма в природі, права спіраль.
- A-ДНК: компактніша, утворюється в умовах зневоднення.
- Z-ДНК: ліва спіраль, рідкісна, може виникати в певних регуляторних ділянках.
Функції ДНК
- Зберігання генетичної інформації:
Послідовність азотистих основ у ДНК кодує інструкції для синтезу білків і РНК. - Передача спадковості:
ДНК копіюється (реплікація) і передається від батьків до нащадків під час поділу клітин або розмноження. - Регуляція клітинних процесів:
ДНК містить регуляторні послідовності (промотори, енхансери), які контролюють експресію генів. - Синтез молекул:
Через процеси транскрипції (утворення РНК) і трансляції (синтез білків) ДНК визначає структуру всіх молекул клітини.
Реплікація ДНК
Реплікація — це процес копіювання ДНК перед поділом клітини. Основні етапи:
1. Розкручування: Фермент геліказа розриває водневі зв’язки між ланцюгами, утворюючи реплікаційну вилку.
2. Стабілізація: Одноланцюгові білки (SSB) запобігають зворотному з’єднанню ланцюгів.
3. Синтез: ДНК-полімераза додає нові нуклеотиди до шаблонного ланцюга:
- Провідний ланцюг синтезується безперервно.
- Відстаючий ланцюг синтезується фрагментами (фрагменти Оказакі), які з’єднуються лігазою.
4. Перевірка: Ферменти корекції (proofreading) виправляють помилки.
Реплікація є напівконсервативною: кожна нова молекула ДНК містить один старий і один новий ланцюг.
Організація ДНК у клітині
- У прокаріотів (бактерій) ДНК зазвичай кільцева і розташована в цитоплазмі у вигляді нуклеоїда.
- У еукаріотів ДНК лінійна, упакована в хромосоми в ядрі. Вона асоційована з білками-гістонами, утворюючи хроматин:
- Нуклеосома: ДНК намотана на гістонові октамери (H2A, H2B, H3, H4).
- Компактність хроматину регулює доступ до генів.
- У мітохондріях і хлоропластах є власна кільцева ДНК, схожа на прокаріотичну.
Властивості ДНК
- Стабільність: Хімічна структура ДНК (відсутність гідроксильної групи в дезоксирибозі порівняно з РНК) робить її стійкішою до гідролізу.
- Комплементарність: Дозволяє точне копіювання і репарацію.
- Мутації: Зміни в послідовності (заміни, вставки, делеції) можуть впливати на функцію генів.
- Денатурація: При нагріванні чи зміні pH водневі зв’язки розриваються, спіраль розпадається на окремі ланцюги (зворотний процес — ренатурація).
Значення ДНК
- Генетика: ДНК визначає спадкові ознаки організмів.
- Еволюція: Мутації в ДНК є основою природного добору.
- Медицина: Аналіз ДНК дозволяє діагностувати генетичні хвороби (наприклад, муковісцидоз), ідентифікувати патогени чи проводити генну терапію.
- Біотехнології: ДНК використовується в клонуванні, створенні ГМО та судовій експертизі (ДНК-дактилоскопія).
Цікаві факти
- Довжина ДНК в одній людській клітині становить близько 2 метрів, але вона компактно упакована в ядрі розміром 6 мкм.
- У людини приблизно 3 мільярди пар основ у геномі, але лише 1–2% кодують білки; решта — регуляторні або некодуючі ділянки.
- ДНК надзвичайно компактна: якби всю ДНК людства розтягнути в один ланцюг, вона б сягнула за межі Сонячної системи.
ДНК — це не просто молекула, а основа життя, що поєднує стабільність і здатність до змін.