Что такое ДНК: молекула, в которой записаны наши наследственные инструкции
ДНК, или дезоксирибонуклеиновая кислота, — молекула, в которой хранится наследственная информация для развития и работы организма. Она состоит из двух цепей, свитых в двойную спираль, а каждая цепь — это последовательность четырёх химических оснований: аденина (A), тимина (T), цитозина (C) и гуанина (G). Порядок этих оснований — в одном геноме человека их около 3 миллиардов пар — и записывает инструкции для построения белков и РНК.
ДНК часто называют чертежом жизни — удобный образ, но слишком аккуратный. Здесь объяснено, из чего состоит ДНК, как с ней связаны гены и хромосомы, как клетка читает код и насколько похожи друг на друга два человека.
Главные идеи
- ДНК — дезоксирибонуклеиновая кислота, молекула в форме закрученной лестницы, двойной спирали.
- Она записана четырьмя основаниями — A, T, C и G; A всегда в паре с T, а C с G, и их порядок и есть код.
- В одном геноме человека около 3 миллиардов пар оснований, упакованных в 23 пары хромосом (всего 46) почти в каждой клетке.
- Ген — участок ДНК с инструкцией, чаще всего для белка; сейчас в геноме человека насчитывают около 19 900 генов, кодирующих белки.
- ДНК любых двух людей совпадает на 99,9 %, а небольшой остаток помогает сделать каждого уникальным.
Из чего состоит ДНК
ДНК построена из двух длинных цепей, которые обвивают друг друга, как закрученная лестница; такая форма называется двойной спиралью. Основа каждой цепи — чередующиеся остатки сахара (дезоксирибозы) и фосфата, а к каждому сахару прикреплено одно из четырёх оснований.
Основания такие: аденин (A), тимин (T), цитозин (C) и гуанин (G). Связи между основаниями удерживают цепи вместе, и пары подбираются строго: A всегда связывается с T, а C — с G. Одно основание вместе с сахаром и фосфатом называется нуклеотидом, а пара оснований поперёк лестницы — парой оснований.
Из-за такого правила одна цепь предсказывает другую. Именно так клетка копирует свою ДНК перед делением: каждая цепь служит образцом для достройки своей пары, и каждая новая клетка получает точную копию.
Где находится ДНК и сколько её
Почти в каждой клетке тела человека одна и та же ДНК. Большая её часть лежит в ядре клетки — это ядерная ДНК, а небольшое количество находится в митохондриях, структурах, превращающих пищу в пригодную для клетки энергию, — это митохондриальная ДНК.
В одном геноме человека, то есть в полном наборе инструкций, около 3 миллиардов пар оснований. Молекула упакована: ДНК плотно намотана на белки гистоны и образует хромосомы. В клетке обычно 23 пары хромосом, всего 46: 22 пары аутосом и одна пара половых хромосом. Под микроскопом хромосомы видны только тогда, когда клетка делится и ДНК упакована плотнее.
Если вытянуть ДНК одной клетки человека в прямую линию, получится примерно два метра — так принято оценивать, — поэтому такая плотная упаковка необходима.
Гены и то, как клетка их читает
Ген — основная физическая и функциональная единица наследственности: участок ДНК, несущий инструкцию. Одни гены содержат инструкции для создания белков, которые телу нужны для работы. Многие гены белки не кодируют, а помогают управлять другими генами. Размер гена — от нескольких сотен пар оснований до более 2 миллионов.
Проект «Геном человека», который шёл с 1990 по 2003 год, сначала оценил число генов, кодирующих белки, в 20 000–25 000. Более поздние работы дают около 19 900. Гены, кодирующие белки, — лишь часть генома, а остальное из 3 миллиардов пар оснований изучают до сих пор.
Чтобы воспользоваться геном, клетка сначала копирует его в рабочую цепь информационной РНК — этот шаг называется транскрипцией; вместо T в РНК стоит буква U. Затем рибосома читает информационную РНК по три буквы. Каждая тройка, кодон, выбирает одну аминокислоту, а цепочка аминокислот сворачивается в белок определённой формы.
Насколько мы похожи и как нашли двойную спираль
По данным Национального института исследований генома человека США, ДНК любых двух людей совпадает на 99,9 %. Оставшиеся 0,1 % содержат различия, которые вместе с окружающей средой и опытом помогают сделать каждого уникальным. Небольшое число генов — менее 1 % от общего количества — встречается в слегка отличающихся вариантах, их называют аллелями.
Двойную спираль описали в 1953 году Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик в двухстраничной статье в журнале Nature, вышедшей 25 апреля. Их модель опиралась на рентгеновские снимки ДНК, среди них знаменитая «Фотография 51», сделанная Розалинд Франклин и Реймондом Гослингом.
Прочитать цепочку ДНК самому: глава VJOURNAL SMART BOOK
В учебнике «Биология» из серии VJOURNAL SMART BOOK в VITON13 SCHOOL есть глава «Клетки и ДНК». Рядом с текстом стоит живая 3D-модель, и она проходит пять моментов: толпа из примерно 37 триллионов клеток в одном теле (это оценка), внутреннее устройство клетки, двойная спираль с парами A–T и C–G, путь от ДНК к РНК и белку и деление клетки.
В песочнице под рисунком вы вводите цепочку ДНК, и появляется парная цепочка, в которой каждая буква подобрана по описанному выше правилу, а рядом — сообщение РНК, построенное по вашей цепочке. В конце главы — короткий тест и источники, на которых держатся её факты.
Простыми словами
ДНК — очень длинная книга рецептов, написанная всего четырьмя буквами. Клетка хранит книгу в безопасности, в ядре, и переписывает по одному рецепту для кухни, где готовят белки.
Попробуйте сами
Откройте главу про клетки, введите в песочнице цепочку ATGCCA и прочитайте парную цепочку, которая появится.
Ожидаемый результат
Парная цепочка TACGGT: A стоит напротив T, T — напротив A, G — напротив C, C — напротив G.
Проверьте себя: Одна цепь ДНК читается как GGATC. Как читается парная цепь?
CCTAG, потому что G образует пару с C, A — с T, а T — с A.
Вопросы и ответы
Как расшифровывается ДНК?
Дезоксирибонуклеиновая кислота. Название идёт от сахара в её основе — дезоксирибозы — и от того, что это нуклеиновая кислота.
Чем отличаются ДНК, ген и хромосома?
ДНК — это сама молекула. Ген — участок ДНК с инструкцией, чаще всего для белка. Хромосома — ДНК, плотно свёрнутая вместе с белками в один пакет; у человека их обычно 46, в 23 парах.
Сколько ДНК общего у двух людей?
ДНК любых двух людей совпадает на 99,9 % — по данным Национального института исследований генома человека США. Остальные 0,1 % содержат различия, которые помогают сделать каждого уникальным.
Вся ли ДНК находится в ядре клетки?
Большая часть — да, но небольшое количество находится в митохондриях в виде митохондриальной ДНК, сообщает MedlinePlus Genetics.
Чем РНК отличается от ДНК?
РНК обычно одна цепь, она служит рабочей копией гена, и вместо T в ней основание U (урацил). Информационная РНК несёт сообщение из ядра к рибосоме, которая строит белок.
Запомните правило пар — A с T и C с G, — потом откройте главу про клетки, введите цепочку и посмотрите, как появляются парная цепь и сообщение РНК.
Источники и дальнейшее чтение
- MedlinePlus Genetics, US National Library of Medicine: What is DNA? ↗Источники проверены:
- NHGRI, US National Human Genome Research Institute: Deoxyribonucleic Acid (DNA) ↗Источники проверены:
- MedlinePlus Genetics: What is a gene? ↗Источники проверены:
- MedlinePlus Genetics: How many chromosomes do people have? ↗Источники проверены:
- Nature, 1953: Watson and Crick, Molecular Structure of Nucleic Acids ↗Источники проверены: