Химия играет очень важную роль в генетике -науке, изучающей закономерности наследственности и изменчивости. Австрийский монах Грегор Мендель (1822-1884 гг.) сформулировал, как определённые характеристики передаются от родителей к потомству. Мендель предположил, что в этом какую-то роль играют некие «частицы». Однако химическая природа этих частиц — теперь они называются генами — была открыта лишь много лет спустя. Основное вещество, участвующее в наследовании. называется дезоксирибонуклеиновой кислотой-ДНК.
Состав ДНК
Молекула ДНК представляет собой двойную спираль. Это длинная полимерная молекула, сложенная из повторяющихся «блоков» — нуклеотидов. Всю «конструкцию» можно, пожалуй, сравнить с двумя лестницами, скрученными относительно друг друга. Нуклеотиды состоят из химических веществ -фосфатов и Сахаров. Сахара и фосфаты образуют «боковые стороны» лестницы ДНК. Нуклеотиды содержат также одно из четырёх других химических веществ — азотистых оснований. Это аденин (А), тимин (Т). гуанин (G) и цитозин (С). Основания образуют «ступеньки» лестницы.
Азотистые основания с одной стороны «лестницы» ДНК связываются с основаниями на другой стороне, причём совершенно особым образом. Аденин в одной нити всегда образует связь с ти-мином в другой нити, а гуанин всегда связан с цитозином (см. вставку выше).
Почему ДНК так важна?
В организмах живых существ ДНК находится в ядрах (центрах управления) клеток. ДНК несёт в себе гены — набор инструкций, созданных «по указанию» оснований молекулы ДНК. Гены управляют производством целого ряда жизненно важных химических веществ — белков. В любой молекуле ДНК могут быть тысячи генов, и каждый ген управляет производством отдельного белка. Некоторые белки участвуют в строительстве таких структур, как ткани и органы. Другие образуют клетки иных составляющих организма, например гормонов.
К самым важным белкам относятся ферменты. Они контролируют скорость, с которой в организме происходят химические реакции. Внутри тела клетки протекают тысячи различных химических реакций. Одни из них участвуют в формировании новых продуктов жизнедеятельности клетки или её частей, другие необходимы для высвобождения энергии или клеточного деления. Ни одна из этих важнейших реакций не может происходить без помощи ферментов.
Такие белки, как ферменты, определяют всё развитие организма, начиная с того, как тело выглядит внешне, и заканчивая функциями его частей. Вот почему ДНК является столь важной молекулой. ведь без ДНК не было бы производства белков.
Как ДНК копирует саму себя
Процесс деления клеток очень важен для живых существ. Бактерии делятся, производя новые бактерии; клетки животных и растений делятся, позволяя организму расти и восстанавливаться. Но нормальному функционированию каждой новой клетки требуется полный набор генов. Для этого молекулы ДНК внутри клетки, которой предстоит деление, проходят процесс самокопирования. или репликации. При репликации создаётся точная копия ДНК делящейся клетки. Первый этап репликации включает в себя раскручивание двойной спирали. Затем каждая «лестница» двойной спирали разделяется, образуя две нити. Парные основания — «ступеньки» — разделяются, и происходит «распаковка» обеих «сторон» лестницы. Каждая нить образует матрицу для новой двойной спирали ДНК.
Для следующего этапа в процессе репликации требуется фермент ДНК-полимераза. Этот фермент помогает нуклеотидам. свободно плавающим в клетке, прикрепляться к нитям. Молекулы аденина связываются с тимином, а молекулы гуанина связываются с цитозином. ДНК-полимераза движется вдоль нити матричной ДНК. «забирая» на своём пути нужные нуклеотиды.
Конечный результат — две молекулы ДНК. идентичные оригинальной «версии». Каждая состоит из одной новой и одной старой нити. Теперь клетка может разделиться и образовать две клетки, каждая из которых будет иметь полный набор ДНК.
Репликация ДНК необходима для роста организма. а также для наследования признаков. Благодаря репликации гены человека попадают в яйцеклетку или сперму и передаются следующему поколению.
Что происходит дальше?
После того как в результате клеточного деления образуется пара новых клеток, они принимаются за работу по производству белков по инструкции ДНК. Для создания белков требуется другая молекула — рибонуклеиновая кислота, или РНК.
Как и ДНК, РНК состоит из нуклеотидов. ДНК и РНК схожи, хотя РНК имеет меньший размер и представляет собой одну нить, а не двойную спираль.
РНК доставляет код ДНК в отделы клетки, где производятся белки, то есть выступает в качестве носителя информации. Сама РНК производится в процессе так называемой транскрипции. Сначала фермент РНК-полимераза распаковывает часть двойной спирали ДНК Это даёт доступ к определённым последовательностям оснований — генам.
Одна из нитей выступает в качестве матрицы по аналогии с репликацией ДНК. РНК-полимераза движется вдоль нити, присоединяя дополнительные нуклеотиды. Так образуется нить РНК. РНК несёт в себе последовательность нуклеотидов. идентичную нити ДНК. которая не послужила матрицей. Разница лишь в том. что в РНК тимин меняется на пятый тип основания — урацил (U). Как и тимин. урацил связывается только с аденином.
К новой нити РНК быстро прикрепляется всё больше ферментов, иногда даже до завершения транскрипции. Ферменты добавляют в конце последовательность основании, которая называется хвостом, а также одно основание в начале – так называемый кэп. Хвост и кэп защищают важные части молекулы РНК от повреждений. Сегменты кода, которые называются интронами. не играющие никакой роли в производстве белка, удаляются.
Как реплицируется ДНК
В постоянной работе клетка ДНК может на какое-то время распаковаться, открывая секции для копирования с помощью РНК. Но когда клетка делится, требуется копирование целой молекулы ДНК, поэтому она должна распаковаться полностью и разделиться на две отдельные нити. Каждая из них становится матрицей для новой комплементарной нити ДНК, имеющей идентичное расположение нуклеотидов. Благодаря этому каждая из клеток, образованных путём деления, содержит набор генов, идентичных родительской клетке.