• Властивості ДНК. Так само як і молекули білків, молекули ДНК здатні до денатурації та ренатурації, а також деструкції. За певних умов (дія кислот, лугів, високої температури тощо) водневі зв’язки між комплементарними нітратними основами різних ланцюгів молекули ДНК розриваються. При цьому молекула ДНК повністю або частково розпадається на окремі ланцюги й відповідно втрачає свою біологічну активність. Після припинення дії негативних чинників структура молекули може відновлюватися завдяки поновленню водневих зв’язків між комплементарними нуклеотидами.

Мал. 12.2. Процес самоподвоєння молекули ДНК: за участі ферменту розшиваються водневі зв’язки (1) і на кожному материнському ланцюзі за принципом комплементарності добудовується дочірній (2)

Важлива властивість молекул ДНК - їхня здатність до самоподвоєння. Це явище ще називають реплікацією. Воно ґрунтується на принципі комплементарності: послідовність нуклеотидів у новоствореному ланцюзі визначається їхнім розташуванням у ланцюзі материнської молекули ДНК. При цьому ланцюг материнської молекули ДНК слугує матрицею.

Реплікація ДНК - напівконсервативний процес, тобто дві дочірні молекули ДНК містять по одному ланцюгу, успадкованому від материнської молекули, і по одному - синтезованому заново (мал. 12.2). Завдяки цьому дочірні молекули ДНК є точною копією материнської. Це явище забезпечує точну передачу спадкової інформації від материнської молекули ДНК дочірнім.

• Функції ДНК. Основні функції ДНК - це кодування, збереження та реалізація спадкової інформації, передача її дочірнім клітинам при розмноженні. Зокрема, окремі ланцюги молекули ДНК слугують матрицею для синтезу різних типів молекул РНК (мал. 12.3). Цей процес називається транскрипцією.

Одиницею спадковості всіх організмів є ген - ділянка молекули ДНК (у деяких вірусів - РНК), який несе спадкову інформацію про структуру певного білка або нуклеїнової кислоти. Отже, саме ДНК кодує і зберігає спадкову інформацію в організмі і забезпечує її передачу дочірнім клітинам під час поділу материнської. Функціонально ген - цілісна одиниця спадковості, бо будь-які порушення його будови змінюють закодовану в ньому інформацію або призводять до її втрати.

Гени поділяють на структурні, які кодують структуру білків і рибонуклеїнових кислот, та регуляторні, що слугують місцем приєднання ферментів та інших біологічно активних речовин. Ці речовини впливають на активність структурних генів і беруть участь у процесах подвоєння ДНК та переписування спадкової інформації на молекули РНК.

Мал. 12.3. Синтез молекули РНК (1) на одному з ланцюгів молекули ДНК (2). Ці процеси забезпечує специфічний фермент - РНК-полімераза (3)

Сукупність генетичної інформації, закодованої в генах певної клітини або цілісного організму, має назву геном. Це цілісна інтегрована система, де окремі гени взаємодіють між собою.

Кількість генів у різних організмів значно коливається. Найпростіше організований геном вірусів, у якому від одного до кількох сотень структурних генів. Геном прокаріотів має складнішу будову і включає як структурні, так і регуляторні гени. З’ясовано, що в бактерії кишкової палички молекула ДНК складається з 3 800 000 пар нуклеотидів, а структурних генів у неї - близько тисячі. Встановлено також, що майже половина довжини молекули ДНК кишкової палички зовсім не несе генетичної інформації.

Геном еукаріотів має ще складнішу структуру: кількість ДНК у їхньому ядрі більша, а отже, більша й кількість структурних і регуляторних генів.

Дослідження геному різноманітних еукаріотів показало, що кількість ДНК в їхньому ядрі перевищує необхідну для кодування всіх структурних генів у багато разів. Причини цього явища різні. По-перше, ДНК містить чимало послідовностей, кожна з яких повторюється до сотень тисяч разів. По-друге, значна частина ДНК взагалі не несе генетичної інформації. По-третє, присутня велика кількість регуляторних генів.

У деяких випадках неінформаційні (некодуючі) ділянки молекули ДНК можуть становити 80-90 %, тоді як ті, що кодують структуру білків чи РНК, - тільки 10-20 %. Ділянки некодуючої ДНК виявлено у складі структурних генів. Було доведено, що ген складається з окремих блоків (частин). Одні з них копіюються в іРНК і несуть інформацію про структуру певних сполук, а інші - ні.

Отже, запам’ятайте, гени еукаріотів мають мозаїчну будову. ділянки генів, які кодують спадкову інформацію, називають екзонами, ті, що не кодують, - інтронами. Окремі інтрони можуть уміщувати від 100 до 1 000 000 нуклеотидних пар і більше. Кількість інтронів усередині генів різна: у гені гемоглобіну - 2, яєчного білка - 7, білка-колагену курки - 51. Кількість і розташування інтронів специфічні для кожного гена.

Раніше вважали, що гени мають чітко визначене місце в складі молекули нуклеїнової кислоти. Але в 60-х роках XX ст. було виявлене переміщення фрагментів ДНК з однієї ділянки до іншої. Якщо такий фрагмент опиняється в кодуючій послідовності нуклеотидів певного гена, то цей ген втрачає свою функцію. Якщо ж такий стрибаючий ген опиняється поруч з іншим, то його функції можуть змінитися. Вважають, що існують генетичні програми, які зумовлюють перебудову окремих ділянок молекули ДНК.

У певних випадках самочинна перебудова молекул ДНК може мати для організму важливе значення. Наприклад, молекулярний аналіз показав, що різноманітність антитіл у ссавців і людини може бути зумовлена саме цим явищем.

Утім, ушкоджені молекули ДНК здатні відновлюватися. При цьому за участі специфічних ферментів ушкоджені ділянки ДНК вирізаються, а на їхньому місці за допомогою іншого ферменту (ДНК-полімерази) відновлюється відповідна послідовність нуклеотидів. Ще один фермент допомагає вбудувати відновлений фрагмент у ланцюг ДНК. Цей процес дістав назву репарація (від лат. репаратіон - відновлення).

Ключові терміни та поняття. Дезоксирибонуклеїнова кислота (ДНК), принцип комплементарності, гени структурні та регуляторні, екзони та інтрони.

Коротко про головне

• Молекула ДНК складається з двох ланцюгів нуклеотидів, які сполучаються між собою за допомогою водневих зв’язків. Чітка відповідність нуклеотидів у ланцюгах ДНК, між якими виникають водневі зв’язки, має назву комплементарність.
• Молекули ДНК здатні до денатурації та ренатурації, а також деструкції. Вони також здатні до реплікації - самоподвоєння.
• Основні функції ДНК - це кодування, збереження та реалізація спадкової інформації, передача її дочірнім клітинам при розмноженні.
• Гени поділяють на структурні, які кодують структуру білків і рибонуклеїнових кислот, та регуляторні, що слугують місцем приєднання ферментів та інших біологічно активних речовин.

Запитання для самоконтролю

1. Які особливості будови ДНК? 2. Що спільного й відмінного в будові молекул ДНК і РНК? 3. Яка просторова структура молекули ДНК? Хто її запропонував? 4. У чому полягають функції ДНК у клітині? 5. Що таке ген і геном? Які є різновиди генів? 6. Яка будова структурних генів?

Поміркуйте

Які зв’язки будуть насамперед руйнуватися при дії на молекулу ДНК різних чинників: між сусідніми нуклеотидами, що входять до складу одного ланцюга, або між комплементарними нуклеотидами різних ланцюгів? Відповідь обґрунтуйте.