Nukleové kyseliny. B
V živém organismu existují tři hlavní makromolekuly: bílkoviny a nukleové kyseliny dvou typů. Díky nim je podporována vitální aktivita a správné fungování celého organismu. Co jsou nukleové kyseliny? Na co jsou? Více o tom později v článku.
obecná informace
Nukleová kyselina je biopolymer, organická sloučenina s vysokou molekulovou hmotností, která je tvořena zbytky nukleotidů. Přenos všech genetických informací z generace na generaci je hlavním úkolem, který nukleové kyseliny provádějí. Níže uvedená prezentace se bude tomuto konceptu věnovat podrobněji.
Historie výzkumu
První studovaný nukleotid byl izolován z hovězího svalu v roce 1847 a pojmenován „kyselina inosinová“. Výsledkem studia chemické struktury bylo odhaleno, že se jedná o ribosid-5'-fosfát a uchovává N-glykosidickou vazbu. V roce 1868 byla objevena látka zvaná „nuklein“. Objevil ji švýcarský chemik Friedrich Miescher při výzkumu některých biologických látek. Složení této látky zahrnovalo fosfor. Sloučenina měla kyselé vlastnosti a nebyla degradována proteolytickými enzymy.
Látka dostala vzorec C29H49N9O22P3. Předpoklad o účasti nukleinu na procesu přenosu dědičné informace byl předložen jako výsledek objevu podobnosti jeho chemického složení s chromatinem. Tento prvek je hlavní složkou chromozomů. Termín „nukleová kyselina“ poprvé zavedl v roce 1889 Richard Altmann. Byl to on, kdo se stal autorem metody získávání těchto látek bez proteinových nečistot.Během studia alkalické hydrolýzy nukleových kyselin identifikovali Levin a Jacob hlavní složky produktů tohoto procesu. Ukázalo se, že jde o nukleotidy a nukleosidy. V roce 1921 Levin navrhl, aby DNA měla tetranukleotidovou strukturu. Tato hypotéza se však nepotvrdila a ukázala se jako mylná.
Klasifikace
Nukleové kyseliny jsou dvou typů: DNA a RNA. Jejich přítomnost se nachází v buňkách všech živých organismů. DNA se nachází hlavně v jádře buňky. RNA se nachází v cytoplazmě. V roce 1935, během měkké fragmentace DNA, byly získány 4 nukleotidy tvořící DNA. Tyto složky jsou prezentovány ve stavu krystalů. V roce 1953 Watston a Crick zjistili, že DNA má dvojitou šroubovici.
Metody výběru
Pro přípravu sloučenin z přírodních zdrojů byly vyvinuty různé metody. Hlavními podmínkami těchto metod je účinná separace nukleových kyselin a proteinů, co nejmenší fragmentace látek získaných během procesu. Dnes je široce používána klasická metoda. Podstata této metody spočívá v destrukci stěn biologického materiálu a jejich dalším zpracování aniontovým detergentem. Výsledkem je proteinová sraženina, zatímco nukleové kyseliny zůstávají v roztoku. Používá se jiná metoda. V tomto případě mohou být nukleové kyseliny uloženy v gelovém stavu za použití ethanolu a fyziologického roztoku. Přitom je třeba postupovat opatrně. Zejména musí být ethanol velmi opatrně přidáván do solného roztoku, aby se získala želatinová sraženina. Při jaké koncentraci byla nukleová kyselina uvolněna, jaké nečistoty jsou v ní přítomny, můžete určit spektrofotometrickou metodu. Nukleové kyseliny jsou snadno degradovány nukleázou, což je speciální třída enzymů. S takovým uvolněním je nutné, aby laboratorní zařízení prošlo povinným zpracováním s inhibitory. Patří sem například inhibitor DEPC, který se používá k izolaci RNA.
Fyzikální vlastnosti
Nukleové kyseliny mají dobrou rozpustnost ve vodě a v organických sloučeninách se téměř nerozpouštějí. Kromě toho jsou zvláště citlivé na teplotu a hodnoty pH. Molekuly nukleových kyselin s vysokou molekulovou hmotností mohou být fragmentovány nukleázou pod vlivem mechanických sil. Patří sem míchání roztoku a protřepávání.
Nukleové kyseliny. Struktura a funkce
Polymerní a monomerní formy uvažovaných sloučenin se nacházejí v buňkách. Polymerní formy se nazývají polynukleotidy. V této formě jsou řetězce nukleotidů spojeny zbytkem kyseliny fosforečné. Vzhledem k obsahu dvou typů heterocyklických molekul nazývaných ribóza a deoxoribóza jsou kyseliny ribonukleové a deoxyribonukleové. S jejich pomocí dochází k ukládání, přenosu a implementaci dědičných informací. Z monomerních forem nukleových kyselin je nejoblíbenější kyselina adenosintrifosforečná. Podílí se na přenosu signálů a zajišťování energetických rezerv v buňce.
DNA
Kyselina deoxyribonukleová je makromolekula. S jeho pomocí probíhá proces přenosu a implementace genetické informace. Tyto informace jsou nezbytné pro program vývoje a fungování živého organismu. U zvířat, rostlin, hub je DNA součástí chromozomů v buněčném jádru a nachází se také v mitochondriích a plastidech. U bakterií a archea se molekula deoxyribonukleové kyseliny drží na buněčné membráně zevnitř. Takové organismy obsahují hlavně kruhové molekuly DNA. Říká se jim „plazmidy“. Pokud jde o chemickou strukturu, deoxyribonukleová kyselina je molekula polymeru složená z nukleotidů. Tyto složky zase obsahují dusíkatou bázi, cukr a fosfátovou skupinu. Je to způsobeno posledními dvěma prvky, že mezi nukleotidy vzniká vazba, která vytváří řetězce. V zásadě je makromolekula DNA prezentována ve formě spirály dvou vláken.
RNA
Ribonukleová kyselina je dlouhý řetězec nukleotidů. Obsahují dusíkatou bázi, ribózový cukr a fosfátovou skupinu. Genetická informace je kódována pomocí nukleotidové sekvence. RNA se používá k programování syntézy proteinů. Ribonukleová kyselina vzniká během transkripce. Je to proces syntézy RNA na DNA templátu. Vyskytuje se za účasti speciálních enzymů. Říká se jim RNA polymerázy. Poté se do translačního procesu zapojí templátové ribonukleové kyseliny. Takto probíhá syntéza proteinů na matrici RNA. Ribozomy se aktivně účastní tohoto procesu. Zbytek RNA prochází na konci transkripce chemickými transformacemi. V důsledku nastávajících změn se tvoří sekundární a terciární struktury ribonukleové kyseliny. Fungují v závislosti na typu RNA.
Ministerstvo školství a vědy Ruské federace
Federální státní autonomní vzdělávací instituce
Vysokoškolské vzdělání
„KAZANSKÁ NÁRODNÍ VÝZKUMNÁ TECHNOLOGICKÁ UNIVERZITA“
ÚSTAV POTRAVINÁŘSKÉHO INŽENÝRSTVÍ
ODDĚLENÍ POTRAVINÁŘSKÉ BIOTECHNOLOGIE
ABSTRAKT K TÉMATU
NUKLEOVÉ KYSELINY. DNA a RNA
Dokončil: Radenko V.
Skupina 625 M-52
Nukleové kyseliny - přírodní vysokomolekulární organické sloučeniny zajišťující ukládání a přenos dědičných (genetických) informací v živých organismech. V každém živém organismu existují 2 typy nukleových kyselin: ribonukleová kyselina (RNA) a deoxyribonukleová kyselina (DNA). Molekulová hmotnost nejmenší známé nukleové kyseliny, transportní RNA (tRNA), je přibližně 25 kDa. DNA je největší polymerní molekulou; jejich molekulová hmotnost se pohybuje od 1 000 do 1 000 000 kDa. DNA a RNA se skládají z monomerních jednotek - nukleotidů, proto se nukleové kyseliny nazývají polynukleotidy.
Struktura nukleotidů
Každý nukleotid obsahuje 3 chemicky odlišné složky: heterocyklickou dusíkatou zásadu, monosacharid (pentózu) a zbytek kyseliny fosforečné. V závislosti na počtu zbytků kyseliny fosforečné v molekule se rozlišují nukleosid monofosfáty (NMP), nukleosid difosfáty (NDP) a nukleosid trifosfáty (NTP) (obr. 4-1). Složení nukleových kyselin zahrnuje dusíkaté báze dvou typů: purin - adenin(A), guanin(G) a pyrimidin - cytosin(S), thymin(T) a uracil(U). Číslování atomů v bázích se zapisuje do cyklu (obrázek 4-2). Pentózy v nukleotidech jsou reprezentovány buď ribózou (jako součást RNA) nebo deoxyribózou (jako součást DNA). Aby se odlišil počet atomů v pentózách od číslování atomů v zásadách, vstup se provádí z vnější strany cyklu a přidává se tah (") - 1", 2 ", 3", 4 "a 5" na číslo (obr. 4-3). Pentose se připojuje k základně N-glykosidová vazba, tvořený C 1 -atomem pentózy (ribózy nebo deoxyribózy) a N 1 -atomem pyrimidinu nebo N 9 -atomem purinu (obr. 4-4). Nukleotidy, ve kterých je pentóza reprezentována ribózou, se nazývají ribonukleotidy a nukleové kyseliny vytvořené z ribonukleotidů se nazývají ribonukleové kyseliny nebo RNA. Nukleové kyseliny, jejichž monomery zahrnují deoxyribózu, se nazývají deoxyribonukleové kyseliny nebo DNA. Nukleové kyseliny jsou ve své struktuře klasifikovány jako
Rýže. 4-1. Nukleosidové mono-, di- a trifosfáty adenosinu. Nukleotidy jsou estery fosforu nukleosidů. Zbytek kyseliny fosforečné je připojen k 5 "-karbonovému atomu pentózy (5" -fosfoetherová vazba).
Rýže. 4-2. Purinové a pyrimidinové báze.
Rýže. 4-3. Pentose. Existují 2 typy-β-D-ribóza jako součást nukleotidů RNA a β-D-2-deoxyribóza jako součást nukleotidů DNA.
třída lineárních polymerů. Páteř nukleové kyseliny má stejnou strukturu po celé délce molekuly a skládá se ze střídajících se skupin-pentóza-fosfát-pentóza-(obr. 4-5). Variabilními skupinami v polynukleotidových řetězcích jsou dusíkaté báze - puriny a pyrimidiny. Molekuly RNA zahrnují adenin (A), uracil (U), guanin (G) a cytosin (C), DNA - adenin (A), thymin (T), guanin (G) a cytosin (C). Jedinečnost struktury a funkční individualita molekul DNA a RNA je dána jejich primární strukturou - sekvencí dusíkatých bází v polynukleotidovém řetězci.
Rýže. 4-4. Purinové a pyrimidinové nukleotidy.
Rýže. 4-5. Fragment řetězce DNA.
B. Struktura kyseliny deoxyribonukleové (DNA)
Primární struktura DNA - pořadí střídání deoxyribonukleosidových monofosfátů (dNMP) v polynukleotidovém řetězci. Každá fosfátová skupina v polynukleotidovém řetězci, s výjimkou zbytku fosforu na 5 "konci molekuly, se podílí na tvorbě dvou etherových vazeb za účasti 3" - a 5 "atomů uhlíku dvou sousedních deoxyribóz, proto vazba mezi monomery je označena 3 ", 5"- Koncové nukleotidy DNA se odlišují svou strukturou: na 5 "konci řetězce je fosfátová skupina a na 3" konci řetězce je volná OH skupina Tyto konce se nazývají 5 "- a 3" konce. Lineární sekvence deoxyribonukleotidů v polymerním řetězci DNA se obvykle zkracuje pomocí jednopísmenného kódu, například -AGCTTACA- od 5 "- do 3" -konců.
Každý monomer nukleové kyseliny obsahuje zbytek kyseliny fosforečné. Při pH 7 je tedy fosfátová skupina plně ionizována in vivo nukleové kyseliny existují jako polyanionty (mají více záporných nábojů). Pentosové zbytky také vykazují hydrofilní vlastnosti. Dusíkaté báze jsou ve vodě téměř nerozpustné, ale některé atomy purinových a pyrimidinových kruhů jsou schopny tvořit Vodíkové vazby.
Sekundární struktura DNA. V roce 1953 J. Watson a F. Crick navrhli model prostorové struktury DNA. Podle tohoto modelu má molekula DNA tvar spirály tvořené dvěma polynukleotidovými řetězci zkroucenými vůči sobě navzájem a kolem společné osy. Dvojitá spirála pravák polynukleotidový řetězec v něm antiparalelní(Obrázek 4-6), tj. pokud je jeden z nich orientován ve směru 3 "→ 5", pak druhý - ve směru 5 "→ 3". Proto na každém konci
Rýže. 4-6. Dvojitá šroubovice DNA.
Molekuly DNA se skládají ze dvou antiparalelních vláken s komplementární sekvencí nukleotidů. Řetězy jsou vůči sobě v pravotočivé šroubovici stočeny tak, že na otáčku připadá asi 10 párů nukleotidů. Všechny báze řetězců DNA jsou umístěny uvnitř dvojité šroubovice a pentózofosfátová páteř je venku. Polynukleotidové řetězce jsou drženy vůči sobě navzájem v důsledku vodíkových vazeb mezi komplementárními purinovými a pyrimidinovými dusíkatými bázemi A a T (dvě vazby) a mezi G a C (tři vazby) (obr. 4-7). U této kombinace obsahuje každý pár tři kruhy, takže celková velikost těchto párů bází je stejná po celé délce molekuly.
Rýže. 4-7. Páry bází purinu a pyrimidinu v DNA.
Vodíkové vazby pro jiné kombinace bází v páru jsou možné, ale jsou mnohem slabší. Nukleotidová sekvence jednoho vlákna je zcela komplementární k nukleotidové sekvenci druhého vlákna. Podle Chargaffova pravidla (Erwin Chargaff v roce 1951 stanovil vzorce v poměru purinových a pyrimidinových bází v molekule DNA) se počet purinových bází (A + G) rovná počtu pyrimidinových bází (T + C) . Komplementární báze jsou naskládány v jádru spirály. Mezi základnami dvouvláknové molekuly ve stohu, hydrofobní interakce, stabilizující dvojitou šroubovici.
Tato struktura vylučuje kontakt dusíkatých zbytků s vodou, ale hromada bází nemůže být absolutně svislá. Páry základen jsou od sebe mírně odsazeny. Ve vytvořené struktuře se rozlišují dvě drážky - velká, široká 2,2 nm a malá, široká 1,2 nm. Dusíkaté báze v oblasti hlavních a vedlejších drážek interagují se specifickými proteiny, které se podílejí na organizaci chromatinové struktury.
Terciární struktura DNA (superšroubování DNA) Každá molekula DNA je zabalena do samostatného chromozomu. Lidské diploidní buňky obsahují 46 chromozomů. Celková délka DNA všech chromozomů buňky je 1,74 m, ale je zabalena v jádru, jehož průměr je milionkrát menší. Aby bylo možné umístit DNA do jádra buňky, musí být vytvořena velmi kompaktní struktura. Zhutnění DNA a superšroubování se provádí za použití různých proteinů, které interagují se specifickými sekvencemi ve struktuře DNA. Všechny proteiny, které se vážou na eukaryotickou DNA, lze rozdělit do 2 skupin: hisgonové a nehistonové proteiny. Komplex proteinů s jadernou DNA buněk se nazývá chromatin.
Histony- proteiny s molekulovou hmotností 11-21 kDa, obsahující mnoho zbytků argininu a lysinu. Díky svému pozitivnímu náboji tvoří histony iontové vazby se záporně nabitými fosfátovými skupinami umístěnými na vnější straně dvojité šroubovice DNA. Existuje 5 typů histonů. Čtyři histony Н2А, Н2В, НЗ a Н4 tvoří oktamerní proteinový komplex (Н2А, Н2В, НЗ, Н4) 2, který se nazývá nukleosomové jádro(z angličtiny. nukleosomové jádro). Molekula DNA je „obalena“ na povrchu histonového oktameru, což činí 1,75 otáčky (asi 146 párů bází). Takový komplex histonových proteinů s DNA slouží jako hlavní strukturní jednotka chromatinu, říká se mu „nukleosom“. DNA, která váže nukleosomální částice, se nazývá linkerová DNA. Průměrná DNA linkeru je 60 párů bází. Molekuly histonu H1 se vážou na DNA v internukleosomálních oblastech (spojovací sekvence) a chrání tyto oblasti před nukleázami (obr. 4-8).
Rýže. 4-8. Struktura nukleosomu.
Osm molekul histonu (Н2А, Н2В, НЗ, Н4) 2 tvoří jádro nukleosomu, kolem kterého DNA tvoří přibližně 1,75 otáčky. DNA. Aminokyselinové zbytky lysinu, argininu a terminální aminoskupiny histonů mohou být modifikovány: acetylované, fosforylované, methylované nebo mohou interagovat s proteinem ubikvitinem (nehistonový protein). Modifikace jsou reverzibilní a nevratné, mění náboj a konformaci histonů, a to ovlivňuje interakci histonů mezi sebou navzájem a s DNA. Aktivita enzymů odpovědných za modifikaci je regulována a závisí na stádiu buněčného cyklu. Tyto úpravy umožňují konformační přeskupení chromatinu.
Nehistonové chromatinové proteiny. Jádro eukaryotické buňky obsahuje stovky nejrůznějších nehistonových proteinů vázajících DNA. Každý protein je komplementární ke specifické sekvenci nukleotidů DNA (Místo DNA). Tato skupina zahrnuje rodinu místně specifických proteinů typu "zinkových prstů" (viz část 1). Každý prst zinku rozpoznává konkrétní místo sestávající z 5 párů nukleotidů. Další rodina místně specifických proteinů jsou homodimery. Fragment takového proteinu, který je v kontaktu s DNA, má strukturu šroubovice-obrat-šroubovice (viz část 1). Skupina strukturálních a regulačních proteinů, které jsou neustále spojeny s chromatinem, zahrnuje proteiny s vysokou pohyblivostí ( HMG proteiny- z angličtiny, gelové proteiny s vysokou pohyblivostí). Mají molekulovou hmotnost menší než 30 kDa a vyznačují se vysokým obsahem nabitých aminokyselin. Díky své nízké molekulové hmotnosti jsou HMG proteiny během polyakrylamidové gelové elektroforézy vysoce mobilní. Enzymy replikace, transkripce a opravy také patří k nehistonovým proteinům. Za účasti strukturálních, regulačních proteinů a enzymů zapojených do syntézy DNA a RNA se vlákno nukleosomu přemění na vysoce kondenzovaný komplex proteinů a DNA. Výsledná struktura je 10 000krát kratší než původní molekula DNA.
Obsah článku
NUKLEOVÉ KYSELINY- biologické polymerní molekuly, které uchovávají veškeré informace o individuálním živém organismu, které určují jeho růst a vývoj, a také dědičné vlastnosti, které se předávají další generaci. Nukleové kyseliny se nacházejí v jádrech buněk všech rostlinných a živočišných organismů, které určily jejich název (lat . jádro - jádro).
Složení polymerního řetězce nukleových kyselin.
Polymerní řetězec nukleových kyselin je sestaven z fragmentů kyseliny fosforečné H 3 PO 3 a fragmentů heterocyklických molekul, které jsou deriváty furanu. Existují pouze dva typy nukleových kyselin, každá postavená na základě jednoho ze dvou typů takových heterocyklů - ribózy nebo deoxyribózy (obr. 1).
Rýže. 1. STRUKTURA RIBÓZY A DEOXYRIBÓZY.
Název ribose (z lat . Žebro - žebro, sponka na papír) má koncovku - oza, což naznačuje, že patří do třídy cukrů (například glukóza, fruktóza). Druhá sloučenina nemá skupinu OH (oxyskupinu), která je v ribóze označena červeně. V tomto ohledu se trojnásobná sloučenina nazývá deoxyribóza, tj. Ribóza bez oxyskupiny.
Polymerní řetězec, vytvořený z fragmentů ribózy a kyseliny fosforečné, je základem jedné z nukleových kyselin, ribonukleové kyseliny (RNA). Termín "kyselina" v názvu této sloučeniny se používá proto, že jedna z kyselých OH skupin kyseliny fosforečné zůstává nesubstituovaná, což celé sloučenině dodává slabě kyselý charakter. Pokud se místo ribózy podílí na tvorbě polymerního řetězce deoxyribóza, pak vzniká kyselina deoxyribonukleová, pro kterou je široce přijímána známá zkratka DNA.
Struktura DNA.
Molekula DNA slouží jako výchozí bod pro růst a vývoj organismu. Na obr. 2 ukazuje, jak jsou dva typy střídajících se výchozích sloučenin kombinovány do polymerního řetězce; není ukázán způsob syntézy, ale schematický diagram sestavy molekuly DNA.
V konečné verzi obsahuje polymerní molekula DNA v laterálním rámování heterocykly obsahující dusík. Na tvorbě DNA se podílejí čtyři typy takových sloučenin, dva z nich jsou šestičlenné kruhy a dva kondenzované kruhy, kde je šestičlenný kruh připájen k pětičlennému (obr. 3).
Rýže. 3. STRUKTURA HETEROCYKLŮ OBSAHUJÍCÍCH DUSÍK které tvoří DNA
Ve druhém stupni montáže jsou výše uvedené heterocyklické sloučeniny obsahující dusík připojeny k volným OH skupinám deoxyribózy a vytvářejí postranní přívěsky na polymerním řetězci (obr. 4).
Molekuly adeninu, tyminu, guaninu a cytosinu připojené k polymernímu řetězci jsou označeny prvními písmeny názvů výchozích sloučenin, tj. A, T, G a C.
Samotný řetězec polymerní DNA má určitý směr - při mentálním pohybu podél molekuly dopředu a dozadu se stejná seskupení, která tvoří řetězec, setkávají na cestě v jiné sekvenci. Při pohybu v jednom směru od jednoho atomu fosforu k druhému jde nejprve skupina CH 2 po dráze a poté dvě skupiny CH (atomy kyslíku lze ignorovat), při pohybu v opačném směru se posloupnost těchto skupin obrátí (Obr. 5) ...
Rýže. 5. SMĚRNOST ŘETĚZU POLYMERU DNA... Při popisu pořadí, ve kterém se připojené heterocykly střídají, je obvyklé použít dopředný směr, tj. Ze skupiny CH2 do skupin CH.
Samotný koncept „směru řetězce“ pomáhá pochopit, jak se nacházejí dvě řetězce DNA, když jsou kombinovány, a také má přímý vliv na syntézu proteinů.
V další fázi jsou dvě molekuly DNA spojeny tak, aby začátek a konec řetězců směřovaly v opačných směrech. V tomto případě jsou heterocykly těchto dvou řetězců proti sobě a ukázalo se, že jsou umístěny určitým optimálním způsobem, což znamená, že vodíkové vazby vznikají mezi páry skupin C = O a NH2, jakož i mezi є N a NH =, které jsou součástí heterocyklů ( cm... VÁZÁNÍ VODÍKEM). Na obr. 6 ukazuje, jak jsou dva řetězce umístěny vůči sobě navzájem a jak mezi heterocykly vznikají vodíkové vazby. Nejdůležitějším detailem je, že páry vázané vodíkem jsou pevně definovány: fragment A vždy komunikuje s T a fragment G- vždy s C... Striktně definovaná geometrie těchto skupin vede k tomu, že tyto páry jsou k sobě extrémně blízko (jako klíč k zámku), pár NA vázané dvěma vodíkovými vazbami a dvojicí G-C- tři odkazy.
Vodíkové vazby jsou znatelně slabší než běžné valenční vazby, ale vzhledem k jejich velkému počtu podél celé molekuly polymeru se spojení dvou řetězců stává poměrně silným. Molekula DNA obsahuje desítky tisíc skupin A, T, G a C a pořadí jejich střídání v rámci jedné molekuly polymeru může být různé, například v určité části řetězce může mít sekvence formu: - A-A-T-G-C-G-A-T-. Protože interagující skupiny jsou přísně definovány, pak na opačném místě druhé molekuly polymeru bude nutně sekvence - T-T-A-C-G-C-T-A-. Při znalosti pořadí heterocyklů v jednom řetězci lze tedy určit jejich umístění v druhém řetězci. Z této korespondence vyplývá, že celkový počet skupin v zdvojené molekule DNA je A rovná počtu skupin T, a počet skupin G- Množství C(Pravidlo E. Chargaffa).
Dvě molekuly DNA vázané vodíkem jsou znázorněny na obr. 5 ve formě dvou plochých řetězů, ale ve skutečnosti jsou uspořádány jiným způsobem. Skutečný směr v prostoru všech vazeb, určený úhly vazby a kontrakčními vodíkovými interakcemi, vede k určitým ohybům polymerních řetězců a rotaci roviny heterocyklů, což je přibližně ukázáno v prvním fragmentu videa na obr. 7 za použití strukturního vzorce. Mnohem přesněji lze celou prostorovou strukturu zprostředkovat pouze pomocí objemových modelů (obr. 7, druhý fragment videa). V tomto případě vzniká komplexní obraz, proto je obvyklé používat zjednodušené obrázky, které jsou zvláště široce používány při zobrazování struktury nukleových kyselin nebo bílkoviny... V případě nukleových kyselin jsou polymerní řetězce znázorněny ve formě plochých stuh a heterocyklických skupin A, T, G a C- ve formě postranních tyčí nebo jednoduchých valenčních čar s různými barvami nebo obsahujících označení písmen odpovídajících heterocyklů na konci (obr. 7, třetí video fragment).
Během otáčení celé struktury kolem svislé osy (obr. 8) je jasně vidět spirálovitý tvar dvou polymerních molekul, které se jakoby navíjejí na povrch válce, to je známý dvojitý šroubovice DNA.
U takto zjednodušeného obrazu nezmizí hlavní informace - pořadí střídání skupin A, T, G a C, která určuje individualitu každého živého organismu, jsou všechny informace zaznamenány do čtyřpísmenného kódu.
Struktura polymerního řetězce a povinná přítomnost čtyř typů heterocyklů jsou stejné pro všechny zástupce živého světa. Všechna zvířata a vyšší rostliny mají počet párů A – T vždy o něco více než páry G – C... Rozdíl mezi DNA savců a DNA rostlin je v tom, že savci mají pár A – T po celé délce řetězce se vyskytuje o něco častěji (přibližně 1,2krát) než pár G – C... V případě rostlin je preference pro první pár mnohem znatelnější (přibližně 1,6krát).
DNA je jednou z největších známých molekul polymeru současnosti; v některých organismech se její polymerní řetězec skládá ze stovek milionů článků. Délka takové molekuly dosahuje několik centimetrů, což je pro molekulární objekty velmi velká hodnota. Protože průřez molekuly je pouze 2 nm (1 nm = 10 –9 m), pak lze jeho proporce porovnat se železniční kolejí dlouhou desítky kilometrů.
Chemické vlastnosti DNA.
Ve vodě DNA vytváří viskózní roztoky; když se takové roztoky zahřejí na 60 ° C nebo za působení alkálií, dvojitá šroubovice se rozpadne na dva řetězce řetězců, které se mohou znovu sloučit, pokud se vrátíte do počátečních podmínek. Za slabě kyselých podmínek dochází k hydrolýze, v důsledku čehož jsou fragmenty -PO -CH2- částečně štěpeny za vzniku fragmentů -P -OH a HO -CH2, v důsledku toho monomerní, dimerní (zdvojnásobeno) nebo se tvoří trimerové (trojité) kyseliny, což jsou vazby, ze kterých bylo sestaveno vlákno DNA (obr. 9).
Rýže. devět. FRAGMENTY ZÍSKANÉ TRÁVENÍM DNA.
Hlubší hydrolýza umožňuje oddělení míst deoxyribózy od kyseliny fosforečné a také seskupení G z deoxyribózy, tj. podrobněji rozebrat molekulu DNA na její složky. Působením silných kyselin (kromě rozpadu fragmentů -P (O) -O -CH 2 -) A a G... Působení dalších činidel (například hydrazinu) umožňuje oddělit skupiny T a C... Choulostivější štěpení DNA na složky se provádí pomocí biologického přípravku - deoxyribonukleázy vylučované ze slinivky břišní (konec - aza vždy naznačuje, že tato látka je katalyzátorem biologického původu - enzymem). Úvodní část názvu - deoxyribonukleáza- označuje, která sloučenina je štěpena tímto enzymem. Všechny tyto metody štěpení DNA jsou zaměřeny především na podrobnou analýzu jejího složení.
Nejdůležitější informací obsaženou v molekule DNA je posloupnost skupin A, T, G a C, získává se pomocí speciálně vyvinutých technik. Za tímto účelem byla vytvořena široká škála enzymů, které nacházejí v molekule DNA přísně definovanou sekvenci, například C-T-G-C-A-G(stejně jako odpovídající sekvence na opačném řetězci G-A-C-G-T-C) a izolujte jej od řetězu. Tuto vlastnost vlastní enzym Pst I (obchodní název, je vytvořen z názvu tohoto mikroorganismu P rovidencia Svatý uartii, ze kterého se tento enzym získává). Při použití jiného enzymu Pal I je možné sekvenci najít G-G-C-C... Dále jsou porovnány výsledky získané působením široké škály různých enzymů podle dříve vyvinutého schématu, v důsledku čehož je možné určit sekvenci takových skupin na určitém místě DNA. Nyní se takové techniky dostaly do fáze rozšířeného používání; používají se v celé řadě oblastí, které mají daleko k vědeckému biochemickému výzkumu, například při identifikaci pozůstatků živých organismů nebo stanovení stupně příbuznosti.
Struktura RNA
v mnohém připomíná DNA, rozdíl je v tom, že v hlavním řetězci se fragmenty kyseliny fosforečné střídají s ribózou, a nikoli s deoxyribózou (obr). Druhým rozdílem je, že heterocyklus uracil ( Mít) místo tyminu ( T), jiné heterocykly A, G a C stejné jako DNA. Uracil se liší od tyminu v nepřítomnosti methylové skupiny připojené k kruhu, na obr. 10 tato methylová skupina je zvýrazněna červeně.
Rýže. deset. ROZDÍL TYMÍNU OD URACILU- nepřítomnost druhé sloučeniny methylové skupiny zvýrazněna červeně v tyminu.
Fragment molekuly RNA je uveden na obr. 11, pořadí seskupení A, Mít, G a C, stejně jako jejich kvantitativní poměr může být odlišný.
Obr. Fragment RNA Molekuly... Hlavní rozdíl oproti DNA je přítomnost OH skupin v ribóze (červená) a fragmentu uracilu (modrá).
Polymerní řetězec RNA je asi desetkrát kratší než řetězec DNA. Dalším rozdílem je, že molekuly RNA se nespojují do dvojitých šroubovic, skládajících se ze dvou molekul, ale obvykle existují ve formě jediné molekuly, která v některých oblastech může sama tvořit dvouvláknové šroubovicové fragmenty, střídající se s lineárními oblastmi. Ve spirálových sekcích je interakce párů pozorována stejně přísně jako v DNA. Páry spojené vodíkovými vazbami a tvořící šroubovici ( A-Mít a G-C), vznikají v těch oblastech, kde se ukazuje, že uspořádání skupin je pro takovou interakci příznivé (obr. 12).
U drtivé většiny živých organismů jde o kvantitativní obsah párů A-Mít více než G-C, u savců 1,5–1,6krát, u rostlin - 1,2krát. Existuje několik typů RNA, jejichž role v živém organismu jsou různé.
Chemické vlastnosti RNA
připomínají vlastnosti DNA, nicméně přítomnost dalších OH skupin v ribóze a nižší (ve srovnání s DNA) obsah stabilizovaných helikálních oblastí činí molekuly RNA chemicky zranitelnějšími. Působením kyselin nebo zásad se hlavní fragmenty polymerního řetězce P (O) -O -CH2 snadno hydrolyzují, skupiny A, Mít, G a C snadněji oddělit. Pokud je nutné získat monomerní fragmenty (podobné těm na obr. 9), při zachování chemicky vázaných heterocyklů se používají jemně působící enzymy zvané ribonukleázy.
Účast DNA a RNA na syntéze proteinů
Je jednou z hlavních funkcí nukleových kyselin. Bílkoviny jsou nezbytnou součástí každého živého organismu. Svaly, vnitřní orgány, kostní tkáň, kůže a vlasy savců jsou složeny z bílkoviny... Jedná se o polymerní sloučeniny, které jsou v živém organismu shromažďovány z různých aminokyselin. V takové sestavě hrají řídící roli nukleové kyseliny; proces probíhá ve dvou fázích a v každém z nich je určujícím faktorem vzájemná orientace heterocyklů DNA a RNA obsahujících dusík.
Hlavním úkolem DNA je uchovávat zaznamenané informace a poskytovat je v okamžiku, kdy začíná syntéza bílkovin. V tomto ohledu je pochopitelná zvýšená chemická stabilita DNA ve srovnání s RNA. Příroda věnovala velkou péči tomu, aby základní informace zůstaly co nejvíce nedotčené.
V první fázi se část dvojité šroubovice otevře, uvolněné větve se rozcházejí a ve skupinách A, T, G a C které se staly dostupnými, začíná syntéza RNA, nazývaná messenger RNA, protože jako kopie z matice přesně reprodukuje informace zaznamenané v otevřené části DNA. Naproti skupině A patřící k molekule DNA, existuje fragment budoucí poslové RNA obsahující skupinu Mít, všechny ostatní skupiny jsou umístěny naproti sobě v přesné shodě s tím, jak k tomu dochází při tvorbě dvojité šroubovice DNA (obr. 13).
Podle tohoto schématu se vytvoří polymerní molekula posla RNA obsahující několik tisíc monomerních jednotek.
Ve druhé fázi se maticová DNA pohybuje z buněčného jádra do perinukleárního prostoru - cytoplazmy. Pro výslednou messengerovou RNA jsou vhodné takzvané transportní RNA, které nesou (transportují) různé aminokyseliny. Každá transportní RNA, nabitá určitou aminokyselinou, se blíží přísně určené oblasti messengerové RNA, požadované místo se nachází na stejném principu skupinové korespondence A
Důležitým detailem je, že dočasná interakce messengerové a transportní RNA prochází pouze třemi skupinami, například do triády C-C-Mít matrix matrix, pouze odpovídající triplet G-G-A transportní RNA, která s sebou určitě nese aminokyselinu glycin (obr. 14). Stejně tak pro triádu G-A-Mít jen sada se může přiblížit C-Mít-A transportující pouze aminokyselinu leucin. Sekvence skupin v messengerové RNA tedy ukazuje, v jakém pořadí by měly být aminokyseliny propojeny. Kromě toho systém obsahuje zakódovaná další regulační pravidla; některé sekvence ze tří skupin messengerové RNA naznačují, že syntéza proteinů by se v tomto bodě měla zastavit, tj. molekula dosáhla požadované délky.
Zobrazeno na obr. 14 syntéza bílkovin probíhá za účasti ještě jedné - třetího typu RNA kyselin, jsou součástí ribozomů a proto se jim říká ribozomální. Ribozom, což je soubor specifických proteinů ribozomální RNA, poskytuje interakci mezi messengerovou a transportní RNA a hraje roli dopravního pásu, který pohybuje poselskou RNA jeden krok poté, co došlo ke spojení dvou aminokyselin.
Hlavní bod dvoustupňového schématu znázorněného na obr. 13 a 14, spočívá ve skutečnosti, že polymerní řetězec molekuly proteinu je sestaven z různých aminokyselin v zamýšleném pořadí a striktně podle plánu, který byl zaznamenán v kódované formě na určitý segment DNA. DNA je tedy výchozím bodem pro celý tento naprogramovaný proces.
V procesu vitální činnosti jsou bílkoviny neustále konzumovány, a proto jsou pravidelně reprodukovány podle popsaného schématu, celá syntéza molekuly proteinu sestávající ze stovek aminokyselin probíhá v živém organismu přibližně do jedné minuty.
První studie nukleových kyselin byly provedeny ve druhé polovině 19. století, přičemž pochopení, že všechny informace o živém organismu byly zašifrovány v DNA, přišlo v polovině 20. století, byla vytvořena struktura dvojité šroubovice DNA v roce 1953 J. Watsonem a F. Crickem na základě rentgenové strukturní analýzy dat, která je uznávána jako největší vědecký počin 20. století. V polovině 70. let 20. století. objevily se metody dekódování podrobné struktury nukleových kyselin a poté byly vyvinuty metody pro jejich směrovanou syntézu. Dnes nejsou zdaleka všechny procesy probíhající v živých organismech za účasti nukleových kyselin jasné a dnes je to jedna z nejintenzivněji se rozvíjejících oblastí vědy.
Michail Levitsky
