اسیدهای نوکلئیک. ب
در یک موجود زنده ، سه درشت مولکول اصلی وجود دارد: دو نوع پروتئین و اسیدهای نوکلئیک. به لطف آنها ، فعالیت حیاتی و عملکرد صحیح کل ارگانیسم پشتیبانی می شود. اسیدهای نوکلئیک چیست؟ آنها برای چه کاری هستند؟ بیشتر در مورد این بعدا در مقاله.
اطلاعات کلی
نوکلئیک اسید یک بیوپلیمر است ، یک ترکیب آلی با وزن مولکولی بالا که از بقایای نوکلئوتیدها تشکیل می شود. انتقال نسلی به نسل تمام اطلاعات ژنتیکی وظیفه اصلی اسیدهای نوکلئیک است. ارائه زیر این مفهوم را با جزئیات بیشتری پوشش می دهد.
سابقه تحقیق
اولین نوکلئوتید مورد مطالعه در 1847 از ماهیچه گاو جدا شد و "اینوزینیک اسید" نامگذاری شد. در نتیجه مطالعه ساختار شیمیایی مشخص شد که این ریبوزید-5'-فسفات است و پیوند N- گلیکوزیدی را در خود ذخیره می کند.در سال 1868 ماده ای به نام "نوکلئین" کشف شد. این ماده توسط فریدریش میشر شیمیدان سوئیسی در طی تحقیقات برخی از مواد بیولوژیکی کشف شد. ترکیب این ماده شامل فسفر است. این ترکیب دارای خواص اسیدی بود و توسط آنزیم های پروتئولیتیک تجزیه نمی شد.
این ماده فرمول C29H49N9O22P3 را دریافت کرد. این فرض در مورد مشارکت نوکلئین در فرایند انتقال اطلاعات ارثی در نتیجه کشف شباهت ترکیب شیمیایی آن با کروماتین مطرح شد. این عنصر جزء اصلی کروموزومها است اصطلاح "اسید نوکلئیک" اولین بار در سال 1889 توسط ریچارد آلتمن مطرح شد. این او بود که نویسنده روشی برای به دست آوردن این مواد بدون ناخالصی پروتئین شد. در طول مطالعه هیدرولیز قلیایی اسیدهای نوکلئیک ، لوین و جیکوب اجزای اصلی محصولات این فرآیند را شناسایی کردند. مشخص شد که آنها نوکلئوتیدها و نوکلئوزیدها هستند. در سال 1921 ، لوین پیشنهاد کرد که DNA دارای ساختار تترانوکلئوتیدی است. با این حال ، این فرضیه تأیید نشد و به اشتباه تبدیل شد.
طبقه بندی
اسیدهای نوکلئیک دو نوع هستند: DNA و RNA. حضور آنها در سلولهای همه موجودات زنده یافت می شود. DNA عمدتاً در هسته سلول یافت می شود. RNA در سیتوپلاسم یافت می شود. در سال 1935 ، طی تکه تکه شدن نرم DNA ، 4 نوکلئوتید DNA ساز به دست آمد. این اجزا در حالت کریستال ارائه می شوند. در سال 1953 ، واتستون و کریک تشخیص دادند که DNA دارای مارپیچ دوگانه است.
روشهای انتخاب
روشهای مختلفی برای تهیه ترکیبات از منابع طبیعی توسعه یافته است. شرایط اصلی این روشها جداسازی م ofثر اسیدهای نوکلئیک و پروتئین ها ، کمترین تکه تکه شدن مواد بدست آمده در طول فرایند است. امروزه روش کلاسیک بسیار مورد استفاده قرار می گیرد. ماهیت این روش در تخریب دیواره های یک ماده بیولوژیکی و درمان بیشتر آنها با یک شوینده آنیونی است. نتیجه یک رسوب پروتئینی است ، در حالی که اسیدهای نوکلئیک در محلول باقی می مانند. روش دیگری استفاده می شود. در این حالت ، اسیدهای نوکلئیک را می توان در حالت ژلی با استفاده از اتانول و سالین ذخیره کرد. هنگام انجام این کار ، باید کمی احتیاط کرد. به ویژه ، اتانول باید با دقت زیادی به محلول شور اضافه شود تا رسوب ژلاتینی به دست آید. با چه غلظت اسید نوکلئیک آزاد شد ، چه ناخالصی هایی در آن وجود دارد ، می توانید روش اسپکتروفتومتری را تعیین کنید. اسیدهای نوکلئیک به راحتی توسط نوکلئاز ، که از دسته خاصی از آنزیم ها است ، تجزیه می شوند. با چنین انتشار ، لازم است که تجهیزات آزمایشگاهی با مهار کننده ها تحت پردازش اجباری قرار گیرند. اینها به عنوان مثال ، مهار کننده DEPC است که در جداسازی RNA استفاده می شود.
مشخصات فیزیکی
اسیدهای نوکلئیک در آب بسیار محلول و در ترکیبات آلی تقریبا نامحلول هستند. علاوه بر این ، آنها به ویژه مستعد دما و pH هستند. مولکولهای اسید نوکلئیک با وزن مولکولی بالا می توانند تحت تأثیر نیروهای مکانیکی توسط نوکلئاز تکه تکه شوند. اینها شامل هم زدن محلول ، تکان دادن آن است.
اسیدهای نوکلئیک. ساختار و عملکرد
اشکال پلیمری و مونومر ترکیبات مورد بررسی در سلول ها یافت می شود. اشکال پلیمری را پلی نوکلئوتید می نامند. در این شکل ، زنجیره های نوکلئوتیدها با بقایای اسید فسفریک به هم متصل می شوند. با توجه به محتوای دو نوع مولکول هتروسیکلیک به نام ریبوز و دئوکسوریبوز ، اسیدها به ترتیب ریبونوکلئیک و دئوکسی ریبونوکلئیک هستند. با کمک آنها ، ذخیره ، انتقال و اجرای اطلاعات ارثی رخ می دهد. از بین اشکال مونومری اسیدهای نوکلئیک ، رایج ترین آنها اسید آدنوزین تری فسفریک است. در انتقال سیگنال ها و تأمین ذخایر انرژی در سلول نقش دارد.
DNA
اسید دئوکسی ریبونوکلئیک یک ماکرومولکول است. با کمک آن ، روند انتقال و پیاده سازی اطلاعات ژنتیکی انجام می شود. این اطلاعات برای برنامه توسعه و عملکرد یک موجود زنده ضروری است. در حیوانات ، گیاهان ، قارچ ها ، DNA بخشی از کروموزوم های هسته سلول است و همچنین در میتوکندری و پلاستیدها یافت می شود. در باکتری ها و باستان شناسی ، مولکول دئوکسی ریبونوکلئیک اسید از داخل به غشای سلولی چسبیده است. چنین موجوداتی عمدتا حاوی مولکول های DNA حلقوی هستند. آنها "پلاسمید" نامیده می شوند. از نظر ساختار شیمیایی ، اسید دئوکسی ریبونوکلئیک یک مولکول پلیمری است که از نوکلئوتیدها تشکیل شده است. این اجزا ، به نوبه خود ، حاوی یک نیتروژن ، قند و یک گروه فسفات هستند. به دلیل دو عنصر آخر است که پیوندی بین نوکلئوتیدها ایجاد می شود و زنجیره ایجاد می کند. اساساً ، ماکرومولکول DNA به شکل مارپیچی از دو رشته ارائه شده است.
RNA
اسید ریبونوکلئیک یک زنجیره بلند نوکلئوتید است. آنها حاوی یک پایه نیتروژن دار ، قند ریبوز و یک گروه فسفات هستند. اطلاعات ژنتیکی با استفاده از توالی نوکلئوتیدی کدگذاری می شوند. RNA برای برنامه ریزی سنتز پروتئین استفاده می شود. اسید ریبونوکلئیک در حین رونویسی ایجاد می شود. این فرآیند سنتز RNA بر روی قالب DNA است. با مشارکت آنزیم های خاص رخ می دهد. آنها RNA پلیمراز نامیده می شوند. پس از آن ، اسیدهای ریبونوکلئیک الگو در فرایند ترجمه نقش دارند. به این ترتیب سنتز پروتئین بر روی ماتریس RNA انجام می شود. ریبوزومها نقش فعالی در این فرایند دارند. بقیه RNA ها در پایان رونویسی دچار تغییر شیمیایی می شوند. در نتیجه تغییرات رخ داده ، ساختارهای ثانویه و سوم اسید ریبونوکلئیک تشکیل می شود. آنها بسته به نوع RNA عمل می کنند.
وزارت آموزش و علوم فدراسیون روسیه
م Federalسسه آموزشی مستقل ایالتی فدرال
تحصیلات عالی
"دانشگاه فنی و مهندسی تحقیقات ملی کازان"
موسسه مهندسی مواد غذایی
گروه بیوتکنولوژی مواد غذایی
چکیده روی موضوع
اسیدهای نوکلئیک. DNA و RNA
تکمیل شده توسط: V. Radenko
گروه 625 M-52
اسیدهای نوکلئیک -ترکیبات آلی مولکولی طبیعی طبیعی که ذخیره و انتقال اطلاعات ارثی (ژنتیکی) را در موجودات زنده فراهم می کند. در هر موجود زنده 2 نوع اسید نوکلئیک وجود دارد: اسید ریبونوکلئیک (RNA) و اسید دئوکسی ریبونوکلئیک (DNA). وزن مولکولی کوچکترین اسید نوکلئیک شناخته شده ، RNA حمل و نقل (tRNA) ، تقریباً 25 کیلو دالتون است. DNA بزرگترین مولکول پلیمری است. وزن مولکولی آنها از 1.000 تا 1.000.000 کیلو دالتون متغیر است. DNA و RNA از واحدهای مونومر - نوکلئوتیدها تشکیل شده اند ، بنابراین اسیدهای نوکلئیک را پلی نوکلئوتیدها می نامند.
ساختار نوکلئوتیدی
هر نوکلئوتید شامل 3 جزء شیمیایی متفاوت است: یک پایه نیتروژن دار هتروسیکلیک ، یک مونوساکارید (پنتوز) و یک اسید فسفریک اسید. بسته به تعداد باقی مانده اسید فسفریک در مولکول ، نوکلئوزید مونوفسفات (NMP) ، نوکلئوزید دی فسفات (NDP) و نوکلئوزید تری فسفات (NTP) از هم متمایز می شوند (شکل 4-1). ترکیب اسیدهای نوکلئیک شامل دو نوع پایه نیتروژنی است: پورین - آدنین(آ)، گوانین(G) و پیریمیدین - سیتوزین(با)، تیمین(T) و اوراسیل(U) شماره گذاری اتم ها در پایه ها در چرخه نوشته می شود (شکل 4-2). پنتوزهای موجود در نوکلئوتیدها توسط ریبوز (به عنوان بخشی از RNA) یا دئوکسی ریبوز (به عنوان بخشی از DNA) نشان داده می شوند. برای تشخیص تعداد اتمهای موجود در پنتوزها از شمارش اتمهای پایه ها ، ضبط از خارج چرخه انجام می شود و یک ضربه (") - 1" ، 2 "، 3" ، 4 "و 5" اضافه می شود. به شماره (شکل 4-3). پنتوز به پایه متصل می شود پیوند N- گلیکوزیدی ،بوسیله اتم C1 پنتوز (ریبوز یا دئوکسی ریبوز) و اتم N1 پیریمیدین یا اتم N9 پورین تشکیل شده است (شکل 4-4). نوکلئوتیدهایی که در آنها پنتوز با ریبوز نشان داده می شود ریبونوکلئوتید و اسیدهای نوکلئیک ساخته شده از ریبونوکلئوتیدها ریبونوکلئیک اسید یا RNA نامیده می شوند. اسیدهای نوکلئیک که مونومرهای آن شامل دئوکسی ریبوز است ، اسیدهای دئوکسی ریبونوکلئیک یا DNA نامیده می شوند. اسیدهای نوکلئیک در ساختار خود به شرح زیر طبقه بندی می شوند
برنج. 4-1 مونو- ، دی- و تری فسفاتهای نوکلئوزیدی آدنوزین.نوکلئوتیدها فسفر استرهای نوکلئوزیدها هستند. باقیمانده اسید فسفریک به اتم کربن 5 اینچ (پیوند 5 -فسفوثر) متصل می شود.
برنج. 4-2 پایه های پورین و پیریمیدین.
برنج. 4-3 پنتوزدو نوع وجود دارد-β-D-ribose به عنوان بخشی از نوکلئوتیدهای RNA و β-D-2-deoxyribose به عنوان بخشی از نوکلئوتیدهای DNA.
دسته ای از پلیمرهای خطی ستون فقرات اسید نوکلئیک در تمام طول مولکول ساختار یکسانی دارد و از گروه های متناوب-پنتوز-فسفات-پنتوز-تشکیل شده است (شکل 4-5). گروه های متغیر در زنجیره های پلی نوکلئوتیدی بازهای نیتروژنی - پورین ها و پیریمیدین ها هستند. مولکولهای RNA شامل آدنین (A) ، اوراسیل (U) ، گوانین (G) و سیتوزین (C) ، DNA - آدنین (A) ، تیمین (T) ، گوانین (G) و سیتوزین (C) است. منحصر به فرد بودن ساختار و فردیت عملکردی مولکولهای DNA و RNA توسط ساختار اولیه آنها تعیین می شود - توالی بازهای نیتروژنی در زنجیره پلی نوکلئوتیدی.
برنج. 4-4. نوکلئوتیدهای پورین و پیریمیدین.
برنج. 4-5 قطعه ای از زنجیره DNA
ب. ساختار دئوکسی ریبونوکلئیک اسید (DNA)
ساختار اولیه DNA -ترتیب متناوب مونوفسفاتهای دئوکسی ریبونوکلئوزید (dNMP) در زنجیره پلی نوکلئوتیدی بنابراین ، هر گروه فسفات در زنجیره پلی نوکلئوتیدی ، به استثنای باقی مانده فسفر در انتهای 5 اینچی مولکول ، در تشکیل دو پیوند اتر با سه اتم کربن 3 و 5 اینچ کربن دو دئوکسی ریبوز همسایه شرکت می کند. پیوند بین مونومرها 3 "، 5" تعیین می شود- نوکلئوتیدهای پایانی DNA با ساختار آنها متمایز می شوند: یک گروه فسفات در انتهای 5 "این زنجیره و یک گروه OH رایگان در انتهای 3" این زنجیره وجود دارد. این انتها انتهای 5 "- و 3" نامیده می شوند. توالی خطی دئوکسی ریبونوکلئوتیدها در زنجیره DNA پلیمری که معمولاً با استفاده از یک کد یک حرفی ، به عنوان مثال -AGCTTACA- از 5 "- تا" "3-end ، کوتاه می شود.
هر مونومر اسید نوکلئیک حاوی بقایای اسید فسفریک است. بنابراین ، در pH 7 ، گروه فسفات کاملاً یونیزه می شود in vivoاسیدهای نوکلئیک به عنوان پلی آنیونها وجود دارند (بارهای منفی متعددی دارند). بقایای پنتوز نیز خواص آب دوستی نشان می دهند. بازهای نیتروژنی تقریباً در آب نامحلول هستند ، اما برخی از اتمهای حلقه های پورین و پیریمیدین قادر به تشکیل هستند. پیوند های هیدروژنی.
ساختار ثانویه DNA.در سال 1953 ، J. Watson و F. Crick مدلی از ساختار فضایی DNA ارائه کردند. بر اساس این مدل ، یک مولکول DNA دارای شکل مارپیچی است که از دو زنجیره پلی نوکلئوتیدی که نسبت به یکدیگر و حول یک محور مشترک پیچ خورده اند تشکیل شده است. مارپیچ دوگانه راست دست،زنجیره پلی نوکلئوتیدی موجود در آن ضد موازی(شکل 4-6) ، یعنی اگر یکی از آنها در جهت 3 "→ 5" ، سپس دیگری - در جهت 5 "→ 3" جهت داشته باشد. بنابراین ، در هر انتهای آن
برنج. 4-6. مارپیچ دوگانه DNA.
مولکولهای DNA شامل دو رشته ضلعی با توالی مکمل نوکلئوتیدها هستند. زنجیرها نسبت به یکدیگر در یک مارپیچ راست دست پیچ خورده اند به طوری که در هر نوبت حدود 10 جفت نوکلئوتید وجود دارد. تمام پایه های زنجیره DNA در داخل مارپیچ دوگانه و ستون فقرات پنتوز فسفات در خارج قرار دارد. زنجیره های پلی نوکلئوتیدی به دلیل پیوندهای هیدروژنی بین پورین مکمل مکمل و پیریمیدین ازت A و T (دو پیوند) و بین G و C (سه پیوند) نسبت به یکدیگر نگه داشته می شوند (شکل 4-7). با این ترکیب ، هر جفت شامل سه حلقه است ، بنابراین اندازه کل این جفت های پایه در تمام طول مولکول یکسان است.
برنج. 4-7. جفت بازهای پورین-پیریمیدین در DNA
پیوندهای هیدروژنی برای سایر ترکیبات بازها در یک جفت امکان پذیر است ، اما بسیار ضعیف تر هستند. توالی نوکلئوتیدی یک رشته کاملاً مکمل دنباله نوکلئوتیدی رشته دوم است. بنابراین ، طبق قانون چارگف (اروین چارگاف در سال 1951 الگوهایی در نسبت بازهای پورین و پیریمیدین در مولکول DNA ایجاد کرد) ، تعداد پایه های پورین (A + G) برابر با تعداد پایه های پیریمیدین (T + C) است. به پایه های مکمل در هسته مارپیچ چیده شده اند. بین پایه های یک مولکول دو رشته ای در پشته ، فعل و انفعالات آبگریز ،مارپیچ دوگانه را تثبیت می کند.
این ساختار تماس بقایای نیتروژن دار با آب را حذف می کند ، اما انباشت پایه ها نمی تواند کاملاً عمودی باشد. جفت های پایه کمی از یکدیگر جابجا شده اند. در ساختار تشکیل شده ، دو شیار متمایز می شوند - یک شیار بزرگ ، عرض 2.2 نانومتر و یک شیار کوچک ، عرض 1.2 نانومتر. بازهای نیتروژن دار در ناحیه شیارهای اصلی و جزئی با پروتئین های خاصی که در سازماندهی ساختار کروماتین دخیل هستند ، تعامل دارند.
ساختار سوم DNA (ابرپیچ خوردگی DNA)هر مولکول DNA در یک کروموزوم جداگانه قرار می گیرد. سلولهای دیپلوئید انسان حاوی 46 کروموزومطول کلی DNA همه کروموزومهای یک سلول 1.74 متر است ، اما در هسته ای بسته شده است که قطر آن میلیون ها بار کوچکتر است. برای قرار دادن DNA در هسته سلول ، باید ساختار بسیار فشرده ای ایجاد شود. فشرده سازی و فراپیچ DNA با استفاده از انواع پروتئین ها که با توالی های خاصی در ساختار DNA در تعامل هستند انجام می شود. تمام پروتئین هایی که به DNA یوکاریوتی متصل می شوند را می توان به 2 گروه تقسیم کرد: پروتئین های هیگون و غیر هیستونمجموعه پروتئین ها با DNA هسته ای سلول ها کروماتین نامیده می شود.
هیستون ها- پروتئین هایی با وزن مولکولی 11-21 کیلو دالتون ، حاوی مقدار زیادی بقایای آرژنین و لیزین. هیستون ها به دلیل بار مثبت خود ، پیوندهای یونی با گروه های فسفات با بار منفی که در خارج از مارپیچ دوگانه DNA قرار دارند ، تشکیل می دهند. 5 نوع هیستون وجود دارد. چهار هیستون Н2А، Н2В، НЗ و Н4 یک مجموعه پروتئینی هشت ضلعی (Н2А، Н2В، НЗ، Н4) 2 تشکیل می دهند که به آن هسته نوکلئوزوم(از انگلیسی هسته نوکلئوزوم) مولکول DNA بر روی سطح اکتامر هیستون "پیچیده" شده و 1.75 دور (حدود 146 جفت باز) ایجاد می کند. چنین مجموعه ای از پروتئین های هیستون با DNA به عنوان واحد ساختاری اصلی کروماتین عمل می کند "نوکلئوزوم" DNA متصل کننده ذرات نوکلئوزومی را DNA پیوند دهنده می نامند. میانگین DNA پیوند دهنده 60 جفت باز است. مولکولهای هیستون H1 در نواحی بین هسته ای به DNA متصل می شوند (دنباله های پیوند دهنده) و این مناطق را از نوکلئازها محافظت می کنند (شکل 4-8).
برنج. 4-8. ساختار نوکلئوزومی
هشت مولکول هیستون (Н2А، Н2В، НЗ، Н4) 2 هسته نوکلئوزومی را تشکیل می دهند که DNA در اطراف آنها تقریباً 1.75 دور می سازد. DNA باقی مانده های اسید آمینه لیزین ، آرژنین و گروههای آمینو نهایی هیستون ها را می توان تغییر داد: استیله ، فسفریله ، متیله شده یا با پروتئین اوبیکویتین (پروتئین غیر هیستونی) تعامل دارند. تغییرات برگشت پذیر و برگشت ناپذیر هستند ، بار و ترکیب هیستون ها را تغییر می دهند و این بر تعامل هیستون ها با یکدیگر و با DNA تأثیر می گذارد. فعالیت آنزیم های مسئول اصلاح تنظیم می شود و بستگی به مرحله چرخه سلولی دارد. تغییرات ایجاد شده ، تغییر شکل کروماتین را ممکن می سازد.
پروتئین های کروماتین غیر هیستونیهسته یک سلول یوکاریوتی شامل صدها تنوع پروتئین غیر هیستونی متصل به DNA است. هر پروتئین مکمل توالی خاصی از نوکلئوتیدهای DNA است (سایت DNA).این گروه شامل خانواده ای از پروتئین های مخصوص سایت از نوع "انگشتان روی" است (بخش 1 را ببینید). هر انگشت روی محل خاصی را تشخیص می دهد که متشکل از 5 جفت نوکلئوتید است. خانواده دیگری از پروتئین های اختصاصی محل ، همودیمرها هستند. قطعه ای از چنین پروتئینی در تماس با DNA دارای ساختار مارپیچ-پیچ-مارپیچ است (بخش 1 را ببینید). گروه پروتئین های ساختاری و تنظیم کننده که پیوسته با کروماتین در ارتباط هستند ، شامل پروتئین هایی با تحرک بالا ( پروتئین های HMG- از انگلیسی، پروتئین های ژل با تحرک بالا) وزن مولکولی آنها کمتر از 30 کیلو دالتون است و با محتوای بالای اسیدهای آمینه باردار مشخص می شود. پروتئین های HMG به دلیل وزن مولکولی پایین در حین الکتروفورز ژل پلی اکریل آمید بسیار متحرک هستند. آنزیم های تکثیر ، رونویسی و ترمیم نیز متعلق به پروتئین های غیر هیستونی است. با مشارکت پروتئین های ساختاری ، تنظیم کننده و آنزیم های دخیل در سنتز DNA و RNA ، رشته نوکلئوزومی به مجموعه ای متراکم از پروتئین ها و DNA تبدیل می شود. ساختار حاصله 10 هزار برابر کوتاهتر از مولکول DNA اولیه است.
محتوای مقاله
اسیدهای نوکلئیک- مولکولهای پلیمری بیولوژیکی که تمام اطلاعات موجودات زنده را در خود ذخیره کرده ، رشد و نمو آن را تعیین می کند ، و همچنین ویژگیهای ارثی که به نسل بعدی منتقل می شود. اسیدهای نوکلئیک در هسته سلولهای همه موجودات گیاهی و جانوری یافت می شوند ، که نام آنها را تعیین کرد (lat . هسته - هسته).
ترکیب زنجیره پلیمری اسیدهای نوکلئیک
زنجیره پلیمری اسیدهای نوکلئیک از قطعات اسید فسفریک H 3 PO 3 و قطعات مولکولهای هتروسیکلیک که مشتقات فوران هستند ، جمع آوری شده است. فقط دو نوع اسید نوکلئیک وجود دارد که هر یک بر اساس یکی از دو نوع چنین هتروسیکل ساخته شده اند - ریبوز یا دئوکسی ریبوز (شکل 1).
برنج. 1 ساختار ريبوز و دكسيريبوز.
نام ریبوز (از lat . دنده - دنده ، گیره کاغذ) دارای پایان - oza است ، که نشان می دهد متعلق به کلاس قندها (به عنوان مثال ، گلوکز ، فروکتوز) است. ترکیب دوم فاقد گروه OH (گروه اکسی) است که با رنگ قرمز در ریبوز مشخص شده است. در این رابطه ، ترکیب سه گانه دئوکسی ریبوز نامیده می شود ، یعنی ریبوز فاقد گروه اکسی.
زنجیره پلیمری ، ساخته شده از قطعات ریبوز و اسید فسفریک ، پایه یکی از اسیدهای نوکلئیک ، اسید ریبونوکلئیک (RNA) است. اصطلاح "اسید" در نام این ترکیب به این دلیل استفاده می شود که یکی از گروه های اسیدی OH اسید فسفریک بدون جایگزینی باقی می ماند ، که به کل ترکیب دارای ویژگی اسیدی ضعیفی می باشد. اگر به جای ریبوز ، دئوکسی ریبوز در تشکیل زنجیره پلیمر مشارکت کند ، اسید دئوکسی ریبونوکلئیک ایجاد می شود ، که مخفف DNA شناخته شده برای آن به طور گسترده پذیرفته شده است.
ساختار DNA.
مولکول DNA به عنوان نقطه شروع در رشد و نمو یک موجود زنده عمل می کند. در شکل 2 نشان می دهد که چگونه دو نوع ترکیب متناوب شروع به زنجیره پلیمری ترکیب شده است ؛ نه یک روش سنتز ، بلکه یک نمودار کلی از مونتاژ یک مولکول DNA نشان داده شده است.
در نسخه نهایی ، مولکول DNA پلیمری شامل هتروسیکلهای حاوی نیتروژن در قاب جانبی است. چهار نوع از این ترکیبات در تشکیل DNA نقش دارند ، دو حلقه آنها شش حلقه و دو حلقه متراکم هستند که در آن حلقه شش عضوی به حلقه پنج عضوی لحیم می شود (شکل 3).
برنج. 3 ساختار هتروسیکلهای حاوی نیتروژنکه DNA را تشکیل می دهند
در مرحله دوم مونتاژ ، ترکیبات هتروسیکلیک حاوی نیتروژن نشان داده شده در بالا به گروههای OH رایگان دئوکسی ریبوز متصل شده و آویزهای جانبی روی زنجیره پلیمر تشکیل می دهند (شکل 4).
مولکول های آدنین ، تیمین ، گوانین و سیتوزین متصل به زنجیره پلیمری با اولین حروف نام ترکیبات اولیه مشخص می شوند ، یعنی ، آ, تی, Gو ج.
زنجیره DNA پلیمری خود جهت خاصی دارد - هنگام حرکت ذهنی در امتداد مولکول در جهت های جلو و عقب ، همان گروه هایی که زنجیره را تشکیل می دهند در راه به ترتیب متفاوتی با یکدیگر ملاقات می کنند. هنگام حرکت در یک جهت از یک اتم فسفر به دیگری ، ابتدا گروه CH2 مسیر را طی می کند ، و سپس دو گروه CH (اتم های اکسیژن را می توان نادیده گرفت) ، هنگام حرکت در جهت مخالف ، توالی این گروه ها معکوس می شود (شکل 5) ...
برنج. 5 جهت گیری زنجیره پلیمر DNA... هنگام توصیف ترتیب جایگزینی هتروسیکلهای متصل ، معمولاً از جهت جلو ، یعنی از گروه CH2 به گروههای CH استفاده می شود.
مفهوم "جهت زنجیره ای" به درک نحوه قرارگیری دو رشته DNA در ترکیب آنها کمک می کند و همچنین تأثیر مستقیمی بر سنتز پروتئین دارد.
در مرحله بعد ، دو مولکول DNA با هم ترکیب می شوند و خود را در موقعیتی قرار می دهند که ابتدا و انتهای رشته ها در جهت مخالف قرار می گیرند. در این حالت ، هتروسیکل های دو زنجیره رو به روی هم قرار می گیرند و به طریقی مطلوب واقع شده اند ، به این معنی که پیوندهای هیدروژنی بین جفت های گروه های C = O و NH2 و همچنین بین є N و NH بوجود می آیند. = ، که بخشی از هتروسیکل ها هستند ( سانتی متر... پیوند هیدروژنی). در شکل شکل 6 نشان می دهد که چگونه این دو زنجیره نسبت به یکدیگر واقع شده اند و چگونه پیوندهای هیدروژنی بین هتروسیکل ایجاد می شود. مهمترین جزئیات این است که جفت های متصل به هیدروژن به طور دقیق تعریف شده اند: یک قطعه آهمیشه با تیو قطعه G- همیشه با ج... هندسه دقیق تعیین شده این گروه ها به این واقعیت منجر می شود که این جفت ها به یکدیگر بسیار نزدیک هستند (مانند کلید قفل) ، یک جفت در ATتوسط دو پیوند هیدروژنی و آن جفت متصل می شود G-C- سه پیوند
پیوندهای هیدروژنی بطور قابل ملاحظه ای ضعیف تر از پیوندهای ظرفیت معمولی هستند ، اما به دلیل تعداد زیاد آنها در سراسر مولکول پلیمری ، اتصال دو زنجیره کاملاً قوی می شود. مولکول DNA شامل ده ها هزار گروه است آ, تی, Gو جو ترتیب تغییر آنها در یک مولکول پلیمری می تواند متفاوت باشد ، به عنوان مثال ، در قسمت خاصی از زنجیره ، توالی می تواند به شکل زیر باشد: - آ-آ-تی-G-ج-G-آ-تی-. از آنجا که گروههای متقابل به طور دقیق تعریف شده اند ، پس در محل مقابل مولکول پلیمر دوم لزوماً دنباله ای وجود خواهد داشت - تی-تی-آ-ج-G-ج-تی-آ-. بنابراین ، با دانستن ترتیب هتروسیکل ها در یک زنجیره ، می توان محل آنها را در زنجیره دیگر نشان داد. از این مکاتبات نتیجه می گیرد که تعداد کل گروه ها در مولکول DNA دو برابر شده است آبرابر با تعداد گروه ها تی، و تعداد گروه ها G- تعداد ج(قانون E. Chargaff).
دو مولکول DNA متصل به هیدروژن در شکل نشان داده شده است. 5 به شکل دو زنجیر تخت ، اما در واقع آنها به گونه ای متفاوت مرتب شده اند. جهت واقعی در فضای همه پیوندها ، که توسط زوایای پیوند و انقباض فعل و انفعالات هیدروژنی تعیین می شود ، منجر به خمیدگی های خاصی از زنجیره های پلیمری و چرخش صفحه هتروسیکل ها می شود که تقریباً در اولین قطعه ویدئویی در شکل نشان داده شده است. 7 با استفاده از فرمول ساختاری به طور دقیق تر ، کل ساختار فضایی را می توان تنها با کمک مدل های حجمی منتقل کرد (شکل 7 ، قطعه ویدئویی دوم). در این مورد ، یک تصویر پیچیده بوجود می آید ، بنابراین مرسوم است که از تصاویر ساده شده استفاده کنید ، که مخصوصاً هنگام به تصویر کشیدن ساختار اسیدهای نوکلئیک یا پروتئین ها... در مورد اسیدهای نوکلئیک ، زنجیره های پلیمری به شکل نوارهای صاف و گروههای هتروسیکلیک به تصویر کشیده می شوند. آ, تی, Gو ج- به شکل میله های جانبی یا خطوط ظرفیت ساده با رنگ های مختلف ، یا حاوی نام حروف مربوط به هتروسیکل های مربوطه در انتها (شکل 7 ، قطعه ویدئوی سوم).
در طول چرخش کل ساختار حول محور عمودی (شکل 8) ، شکل مارپیچی دو مولکول پلیمری به وضوح قابل مشاهده است ، که ، همانطور که گفته شد ، روی سطح استوانه پیچ خورده است ، این دو برابر معروف است مارپیچ DNA
با چنین تصویر ساده شده ، اطلاعات اصلی ناپدید نمی شوند - ترتیب گروه بندی متناوب آ, تی, Gو ج، که فردیت هر موجود زنده را تعیین می کند ، تمام اطلاعات در یک کد چهار حرفی ثبت می شود.
ساختار زنجیره پلیمر و حضور اجباری چهار نوع هتروسیکل برای همه نمایندگان جهان زنده یکسان است. همه حیوانات و گیاهان بالاتر دارای تعداد جفت هستند آ – تیهمیشه کمی بیشتر از جفت G – ج... تفاوت DNA پستانداران و DNA گیاهان در این است که پستانداران دارای یک جفت هستند آ – تیدر تمام طول زنجیره کمی بیشتر (تقریبا 1.2 بار) از یک جفت اتفاق می افتد G – ج... در مورد گیاهان ، ترجیح اولین جفت بسیار بیشتر قابل توجه است (تقریبا 1.6 بار).
DNA امروزه یکی از بزرگترین مولکولهای پلیمری شناخته شده است ؛ در برخی از موجودات ، زنجیره پلیمری آن از صدها میلیون پیوند تشکیل شده است. طول چنین مولکولی به چندین سانتیمتر می رسد که برای اجرام مولکولی مقدار بسیار زیادی است. زیرا سطح مقطع مولکول فقط 2 نانومتر (1 نانومتر = 10-9 متر) است ، سپس نسبتهای آن را می توان با خط راه آهن دهها کیلومتر مقایسه کرد.
خواص شیمیایی DNA.
در آب ، DNA محلول های چسبناک را تشکیل می دهد ؛ وقتی چنین محلول هایی تا 60 درجه سانتی گراد یا تحت تأثیر قلیاها گرم شوند ، مارپیچ دوگانه به دو زنجیره تشکیل دهنده تجزیه می شود که اگر به شرایط اولیه بازگردیم ، می توانند دوباره ادغام شوند. تحت شرایط ضعیف اسیدی ، هیدرولیز اتفاق می افتد ، در نتیجه ، قطعات -PO -CH2 -تا حدی با تشکیل قطعات -به ترتیب P -OH و HO -CH2 بریده می شوند ، در نتیجه ، مونومر ، دو طرفه (دو برابر) یا اسیدهای سه گانه (سه گانه) تشکیل می شوند که پیوندهایی هستند که رشته DNA از آنها جمع آوری شده است (شکل 9).
برنج. نه. عطرهایی که با هضم DNA به دست می آیند.
هیدرولیز عمیق اجازه می دهد تا محل های دئوکسی ریبوز از اسید فسفریک و همچنین گروه بندی جدا شوند. Gاز دئوکسی ریبوز ، یعنی جدا کردن مولکول DNA با جزئیات بیشتر به اجزای تشکیل دهنده آن. تحت اثر اسیدهای قوی (علاوه بر تجزیه قطعات -P (O) -O -CH2 -) ، گروه ها آو G... عملکرد سایر معرفها (به عنوان مثال ، هیدرازین) امکان جداسازی گروه ها را فراهم می کند تیو ج... تجزیه ظریف تر DNA به اجزا با استفاده از یک آماده سازی بیولوژیکی انجام می شود - دئوکسی ریبونوکلئاز ترشح شده از پانکراس (پایان - azaهمیشه نشان می دهد که این ماده کاتالیزور منشا بیولوژیکی است - آنزیم). قسمت اولیه عنوان - دئوکسی ریبونوکلئاز- نشان می دهد که کدام ترکیب توسط این آنزیم جدا شده است. همه این روش های برش DNA ، قبل از هر چیز ، بر تجزیه و تحلیل دقیق ترکیب آن متمرکز شده است.
مهمترین اطلاعات موجود در مولکول DNA دنباله گروه ها است آ, تی, Gو ج، با استفاده از تکنیک های توسعه یافته به دست می آید. برای این منظور ، طیف وسیعی از آنزیم ها ایجاد شده اند که توالی دقیقاً مشخصی در مولکول DNA پیدا می کنند ، به عنوان مثال ، ج-تی-G-ج-آ-G(و همچنین ترتیب مربوطه در زنجیره مقابل G-آ-ج-G-تی-ج) و آن را از زنجیره جدا کنید. این ویژگی دارای آنزیم Pst I است (نام تجاری ، از نام آن میکروارگانیسم تشکیل شده است پ rovidencia خیابان uartii ، که این آنزیم از آن بدست می آید). هنگام استفاده از آنزیم دیگر Pal I ، می توان دنباله را پیدا کرد G-G-ج-ج... علاوه بر این ، نتایج بدست آمده تحت تأثیر طیف وسیعی از آنزیم های مختلف طبق یک طرح قبلی توسعه یافته مقایسه می شود ، در نتیجه ، تعیین توالی چنین گروه هایی در یک مکان خاص DNA امکان پذیر است. اکنون چنین تکنیک هایی به مرحله استفاده گسترده آورده شده است ؛ از آنها در زمینه های مختلف که از تحقیقات بیوشیمیایی علمی دور هستند ، استفاده می شود ، به عنوان مثال ، در شناسایی بقایای موجودات زنده یا تعیین درجه خویشاوندی.
ساختار RNA
از بسیاری جهات شبیه DNA است ، تفاوت در این است که در زنجیره اصلی ، قطعات اسید فسفریک با ریبوز و نه با دئوکسی ریبوز جایگزین می شوند (شکل). دومین تفاوت این است که هورتوسیکل اوراسیل ( دارند) به جای تیمین ( تی) ، سایر هتروسیکل ها آ, Gو جهمان DNA اوراسیل با تیمین در غیاب گروه متیل متصل به حلقه متفاوت است ، در شکل. 10 این گروه متیل با رنگ قرمز مشخص شده است.
برنج. ده تفاوت تیمین از اوراکیل- عدم وجود ترکیب دوم از گروه متیل با رنگ قرمز در تیمین.
قطعه ای از مولکول RNA در شکل نشان داده شده است. 11 ، ترتیب گروه بندی ها آ, دارند, Gو ج، و همچنین نسبت کمی آنها ممکن است متفاوت باشد.
شکل 11 پارامتر مولکول RNA... تفاوت اصلی با DNA وجود گروه های OH در ریبوز (قرمز) و قطعه اوراسیل (آبی) است.
زنجیره پلیمری RNA حدود ده برابر کوتاهتر از DNA است. یک تفاوت دیگر این است که مولکولهای RNA در مارپیچهای دوتایی متشکل از دو مولکول ترکیب نمی شوند ، اما معمولاً در قالب یک مولکول واحد وجود دارند ، که در برخی مناطق می توانند قطعات مارپیچ دو رشته ای را با خود تشکیل دهند و با نواحی خطی متناوب می شوند. در بخش های مارپیچی ، فعل و انفعال جفت ها به سختی مانند DNA مشاهده می شود. جفت هایی که با پیوندهای هیدروژنی به هم متصل شده و مارپیچ تشکیل می دهند ( آ-دارندو G-ج) ، در مناطقی بوجود می آید که ترتیب گروه ها برای چنین تعاملی مطلوب است (شکل 12).
برای اکثریت قریب به اتفاق موجودات زنده ، محتوای کمی جفت آ-دارندبیشتر از G-ج، در پستانداران 1.5-1.6 بار ، در گیاهان - 1.2 بار. چندین نوع RNA وجود دارد که نقش آنها در موجودات زنده متفاوت است.
خواص شیمیایی RNA
شباهت زیادی به خواص DNA دارد ، اما وجود گروههای OH اضافی در ریبوز و محتوای کمتر (در مقایسه با DNA) مناطق مارپیچ تثبیت شده ، مولکولهای RNA را از نظر شیمیایی آسیب پذیرتر می کند. تحت تأثیر اسیدها یا قلیاها ، قطعات اصلی زنجیره پلیمری P (O) -O -CH2 به راحتی هیدرولیز می شوند ، گروه ها آ, دارند, Gو ججدا شدن راحت تر در صورت لزوم به دست آوردن قطعات مونومر (مشابه آنهایی که در شکل 9 است) ، ضمن حفظ هتروسیکلهای شیمیایی ، از آنزیمهای با ظرافت به نام ریبونکولئازها استفاده می شود.
مشارکت DNA و RNA در سنتز پروتئین
یکی از وظایف اصلی اسیدهای نوکلئیک است. پروتئین ها اجزای ضروری هر موجود زنده هستند. ماهیچه ها ، اندام های داخلی ، بافت استخوانی ، پوست و موی پستانداران از آنها تشکیل شده است پروتئین ها... اینها ترکیبات پلیمری هستند که در یک موجود زنده از اسیدهای آمینه مختلف جمع آوری می شوند. در چنین مجموعه ای ، اسیدهای نوکلئیک نقش کنترل کننده را ایفا می کنند ؛ این فرایند در دو مرحله انجام می شود و در هر یک از آنها عامل تعیین کننده جهت متقابل DNA و RNA هتروسیکل های حاوی نیتروژن است.
وظیفه اصلی DNA ذخیره اطلاعات ثبت شده و ارائه آن در لحظه شروع سنتز پروتئین است. در این راستا ، افزایش پایداری شیمیایی DNA در مقایسه با RNA قابل درک است. طبیعت بسیار مراقبت کرده است تا اطلاعات اولیه را تا آنجا که ممکن است دست نخورده نگه دارد.
در مرحله اول ، قسمتی از مارپیچ دوگانه باز می شود ، شاخه های آزاد شده واگرا می شوند و به صورت گروهی قرار می گیرند آ, تی, Gو جکه در دسترس قرار گرفته است ، سنتز RNA آغاز می شود که RNA پیام رسان نامیده می شود ، زیرا مانند یک کپی از ماتریس ، اطلاعات ثبت شده در بخش DNA باز شده را به طور دقیق بازتولید می کند. روبروی گروه آمتعلق به مولکول DNA ، قطعه ای از RNA پیام رسان آینده حاوی این گروه وجود دارد دارند، همه گروه های دیگر در تناسب دقیق با نحوه وقوع آن در هنگام تشکیل مارپیچ دوگانه DNA قرار دارند (شکل 13).
طبق این طرح ، یک مولکول RNA پیام رسان پلیمری حاوی چندین هزار واحد مونومر تشکیل می شود.
در مرحله دوم ، DNA ماتریس از هسته سلول به سمت فضای بین هسته ای - سیتوپلاسم حرکت می کند. RNA های به اصطلاح حمل و نقل ، که اسیدهای آمینه مختلف را حمل (حمل) می کنند ، برای RNA پیام رسان مناسب مناسب هستند. هر RNA حمل و نقل ، مملو از یک اسید آمینه معین ، به یک منطقه دقیقاً تعیین شده از RNA پیام رسان نزدیک می شود ، محل مورد نظر با استفاده از همان اصل مکاتبات گروهی پیدا می شود. آ
جزئیات مهم این است که فعل و انفعال زمانی پیام رسان و RNA حمل و نقل تنها از سه گروه عبور می کند ، به عنوان مثال ، به سه گانه ج-ج-دارندماتریس اسید ، فقط سه قلو مربوطه G-G-آ RNA حمل و نقل ، که مطمئناً اسید آمینه گلیسین را با خود حمل می کند (شکل 14). همینطور برای سه گانه G-آ-دارندفقط یک مجموعه می تواند نزدیکتر شود ج-دارند-آفقط اسید آمینه لوسین را منتقل می کند. بنابراین ، توالی گروه ها در RNA پیام رسان نشان می دهد که اسیدهای آمینه به چه ترتیبی باید مرتبط شوند. علاوه بر این ، این سیستم شامل قوانین اضافی تنظیم شده است ؛ برخی توالی ها از سه گروه RNA پیام رسان نشان می دهد که سنتز پروتئین باید در این مرحله متوقف شود ، به عنوان مثال. طول مولکول به طول مورد نیاز رسیده است.
در شکل نشان داده شده است. سنتز پروتئین با مشارکت یک نفر دیگر - نوع سوم اسیدهای RNA انجام می شود ، آنها بخشی از ریبوزوم ها هستند و بنابراین آنها ریبوزومی نامیده می شوند. ریبوزوم ، که مجموعه ای از پروتئین های خاص RNA ریبوزومی است ، تعامل بین RNA پیام رسان و RNA منتقل کننده را ایجاد می کند و به عنوان یک نوار نقاله عمل می کند که RNA پیام رسان را یک مرحله پس از اتصال دو اسید آمینه به حرکت در می آورد.
نکته اصلی طرح دو مرحله ای که در شکل نشان داده شده است. 13 و 14 ، شامل این واقعیت است که زنجیره پلیمری یک مولکول پروتئین از اسیدهای آمینه مختلف به ترتیب برنامه ریزی شده و کاملاً مطابق برنامه ای که به صورت کد شده در بخش خاصی از DNA ثبت شده است ، جمع آوری می شود. بنابراین ، DNA نقطه شروع کل این فرآیند برنامه ریزی شده است.
در روند زندگی ، پروتئین ها دائماً مصرف می شوند و بنابراین طبق برنامه توصیف شده به طور منظم تکثیر می شوند ، کل سنتز یک مولکول پروتئین ، متشکل از صدها آمینو اسید ، تقریباً در یک دقیقه در یک موجود زنده انجام می شود.
اولین مطالعات در مورد اسیدهای نوکلئیک در نیمه دوم قرن 19 انجام شد ، این درک که تمام اطلاعات موجودات زنده در DNA رمزگذاری شده بود در اواسط قرن بیستم ، ساختار مارپیچ دوگانه DNA ایجاد شد در سال 1953 توسط J. Watson و F. Crick بر اساس داده های تجزیه و تحلیل ساختار اشعه X ، که به عنوان بزرگترین دستاورد علمی قرن 20 شناخته شده است. در اواسط دهه 70 قرن 20 م. روشهای رمزگشایی ساختار دقیق اسیدهای نوکلئیک ظاهر شد ، و سپس روشهایی برای سنتز مستقیم آنها توسعه داده شد. امروزه ، به دور از تمام فرایندهایی که در بدن موجودات زنده با مشارکت اسیدهای نوکلئیک اتفاق می افتد ، واضح است ، و امروزه یکی از شدیدترین مناطق در حال توسعه علم است.
میخائیل لویتسکی
