Acizi nucleici. B
Într-un organism viu, există trei macromolecule principale: proteine și acizi nucleici de două tipuri. Datorită acestora, sunt susținute activitatea vitală și funcționarea corectă a întregului organism. Ce sunt acizii nucleici? Pentru ce sunt? Mai multe despre acest lucru mai târziu în articol.
Informații generale
Acidul nucleic este un biopolimer, un compus organic cu greutate moleculară mare care este format din reziduuri de nucleotide. Transmiterea din generație în generație a tuturor informațiilor genetice este principala sarcină pe care o îndeplinesc acizii nucleici. Prezentarea de mai jos va acoperi acest concept mai detaliat.
Istoria cercetării
Prima nucleotidă studiată a fost izolată din mușchiul bovin în 1847 și denumită „acid inosinic”. Ca rezultat al studiului structurii chimice, s-a descoperit că este o ribozidă-5'-fosfat și stochează o legătură N-glicozidică. În 1868, a fost descoperită o substanță numită „nucleină”. A fost descoperit de chimistul elvețian Friedrich Miescher în timpul cercetării unor substanțe biologice. Compoziția acestei substanțe a inclus fosfor. Compusul avea proprietăți acide și nu a fost degradat de enzimele proteolitice.
Substanța a primit formula C29H49N9O22P3. Ipoteza despre participarea nucleinei la procesul de transmitere a informațiilor ereditare a fost prezentată ca urmare a descoperirii asemănării compoziției sale chimice cu cromatina. Acest element este componenta principală a cromozomilor.Termenul „acid nucleic” a fost introdus pentru prima dată în 1889 de Richard Altmann. El a devenit autorul unei metode pentru obținerea acestor substanțe fără impurități proteice.În timpul studiului hidrolizei alcaline a acizilor nucleici, Levin și Jacob au identificat principalele componente ale produselor acestui proces. S-au dovedit a fi nucleotide și nucleozide. În 1921, Levin a sugerat că ADN-ul are o structură tetranucleotidică. Cu toate acestea, această ipoteză nu a fost confirmată și sa dovedit a fi eronată.
Clasificare
Acizii nucleici sunt de două tipuri: ADN și ARN. Prezența lor se găsește în celulele tuturor organismelor vii. ADN-ul se găsește în principal în nucleul celulei. ARN se găsește în citoplasmă. În 1935, în timpul fragmentării moi a ADN-ului, s-au obținut 4 nucleotide care formează ADN. Aceste componente sunt prezentate în starea cristalelor. În 1953, Watston și Crick au stabilit că ADN-ul are o dublă helix.
Metode de selecție
Au fost dezvoltate diverse metode pentru prepararea compușilor din surse naturale. Principalele condiții ale acestor metode sunt separarea efectivă a acizilor nucleici și a proteinelor, cea mai mică fragmentare a substanțelor obținute în timpul procesului. Astăzi metoda clasică este utilizată pe scară largă. Esența acestei metode constă în distrugerea pereților materialului biologic și tratarea lor ulterioară cu un detergent anionic. Rezultatul este un precipitat proteic, în timp ce acizii nucleici rămân în soluție. Se utilizează o altă metodă. În acest caz, acizii nucleici pot fi depuși într-o stare de gel folosind etanol și soluție salină. Procedând astfel, ar trebui să se facă o anumită precauție. În special, etanolul trebuie adăugat cu mare atenție la soluția salină pentru a obține un precipitat gelatinos. La ce concentrație a fost eliberat acidul nucleic, ce impurități sunt prezente în el, puteți determina metoda spectrofotometrică. Acizii nucleici sunt ușor de degradat de nuclează, care este o clasă specială de enzime. Cu o astfel de eliberare, este necesar ca echipamentele de laborator să fie supuse prelucrării obligatorii cu inhibitori. Acestea includ, de exemplu, inhibitorul DEPC, care este utilizat în izolarea ARN-ului.
Proprietăți fizice
Acizii nucleici sunt foarte solubili în apă și aproape insolubili în compuși organici. În plus, acestea sunt deosebit de sensibile la citirile de temperatură și pH. Moleculele de acid nucleic cu greutate moleculară mare pot fi fragmentate prin nuclează sub influența forțelor mecanice. Acestea includ agitarea soluției, agitarea acesteia.
Acizi nucleici. Structura și funcția
Formele polimerice și monomerice ale compușilor în cauză se găsesc în celule. Formele polimerice se numesc polinucleotide. În această formă, lanțurile de nucleotide sunt legate de un reziduu de acid fosforic. Datorită conținutului a două tipuri de molecule heterociclice numite riboză și deoxoriboză, respectiv acizii sunt ribonucleici și dezoxiribonucleici. Cu ajutorul lor, are loc stocarea, transmiterea și implementarea informațiilor ereditare. Dintre formele monomerice ale acizilor nucleici, cel mai popular este acidul adenozin trifosforic. Este implicat în transmiterea semnalelor și furnizarea de rezerve de energie în celulă.
ADN
Acidul dezoxiribonucleic este o macromoleculă. Cu ajutorul său, are loc procesul de transmitere și implementare a informațiilor genetice. Aceste informații sunt necesare pentru programul de dezvoltare și funcționare a unui organism viu. La animale, plante, ciuperci, ADN-ul face parte din cromozomii din nucleul celulei și se găsește și în mitocondrii și plastide. La bacterii și arhee, molecula acidului dezoxiribonucleic se agață de membrana celulară din interior. Astfel de organisme conțin în principal molecule de ADN circulare. Sunt numite „plasmide”. În ceea ce privește structura chimică, acidul dezoxiribonucleic este o moleculă de polimer compusă din nucleotide. Aceste componente, la rândul lor, conțin o bază azotată, zahăr și o grupare fosfat. Datorită ultimelor două elemente se formează o legătură între nucleotide, creând lanțuri. Practic, macromolecula ADN este prezentată sub forma unei spirale de două fire.
ARN
Acidul ribonucleic este un lanț lung de nucleotide. Acestea conțin o bază azotată, zahăr riboză și o grupare fosfat. Informațiile genetice sunt codificate folosind o secvență de nucleotide. ARN-ul este utilizat pentru a programa sinteza proteinelor. Acidul ribonucleic este creat în timpul transcrierii. Este procesul de sintetizare a ARN-ului pe un șablon de ADN. Apare cu participarea unor enzime speciale. Se numesc ARN polimeraze. După aceea, acizii ribonucleici șablon sunt implicați în procesul de traducere. Așa se realizează sinteza proteinelor pe matricea ARN. Ribozomii participă activ la acest proces. Restul ARN-urilor suferă transformări chimice la sfârșitul transcripției. Ca urmare a modificărilor care apar, se formează structuri secundare și terțiare ale acidului ribonucleic. Acestea funcționează în funcție de tipul de ARN.
Ministerul Educației și Științei din Federația Rusă
Instituția de învățământ autonomă a statului federal
Educatie inalta
"UNIVERSITATEA TEHNOLOGICĂ NAȚIONALĂ DE CERCETARE KAZAN"
INSTITUTUL DE INGINERIE ALIMENTARĂ
DEPARTAMENTUL DE BIOTECNOLOGIE ALIMENTARĂ
REZUMAT PE TEMA
ACIZI NUCLEICI. ADN și ARN
Completat de: V. Radenko
Grupa 625 M-52
Acizi nucleici - compuși organici naturali cu molecule ridicate care asigură stocarea și transmiterea informațiilor ereditare (genetice) în organismele vii. Există 2 tipuri de acizi nucleici în fiecare organism viu: acid ribonucleic (ARN) și acid dezoxiribonucleic (ADN). Greutatea moleculară a celui mai mic acid nucleic cunoscut, ARN de transport (ARNt), este de aproximativ 25 kDa. ADN-ul este cea mai mare moleculă de polimer; greutatea lor moleculară variază de la 1.000 la 1.000.000 kDa. ADN-ul și ARN-ul sunt compuse din unități monomerice - nucleotide, prin urmare acizii nucleici sunt numiți polinucleotide.
Structura nucleotidică
Fiecare nucleotidă conține 3 componente chimic diferite: o bază azotată heterociclică, o monozaharidă (pentoză) și un reziduu de acid fosforic. În funcție de numărul de reziduuri de acid fosforic din moleculă, se disting monofosfații nucleozidici (NMP), difosfații nucleozidici (NDP) și trifosfații nucleozidici (NTP) (Fig. 4-1). Compoziția acizilor nucleici include baze azotate de două tipuri: purină - adenină(A), guanină(G) și pirimidină - citozină(CU), timina(T) și uracil(U). Numerotarea atomilor din baze este scrisă în cadrul ciclului (Figura 4-2). Pentozele din nucleotide sunt reprezentate fie de riboză (ca parte a ARN), fie de deoxiriboză (ca parte a ADN-ului). Pentru a distinge numărul atomilor din pentoze de numerotarea atomilor din baze, înregistrarea se face din exteriorul ciclului și se adaugă o cursă (") - 1", 2 ", 3", 4 "și 5" la număr (Fig. 4-3). Pentose se conectează la bază Legătura N-glicozidică, format din atomul C1 al pentozei (riboză sau dezoxiriboză) și atomul N1 al pirimidinei sau N9 -atomul purinei (Fig. 4-4). Nucleotidele în care pentozele sunt reprezentate de riboză se numesc ribonucleotide, iar acizii nucleici construiți din ribonucleotide se numesc acizi ribonucleici sau ARN. Acizii nucleici, ai căror monomeri includ dezoxiriboză, se numesc acizi dezoxiribonucleici sau ADN. Acizii nucleici din structura lor sunt clasificați ca
Orez. 4-1. Mono-, di- și trifosfați nucleozidici ai adenozinei. Nucleotidele sunt esteri de fosfor ai nucleozidelor. Restul acidului fosforic este atașat la atomul de 5 "-carbon de pentoză (legătura 5" -fosfoeter).
Orez. 4-2. Bazele de purină și pirimidină.
Orez. 4-3. Pentose. Există 2 tipuri - β-D-riboză ca parte a nucleotidelor ARN și β-D-2-deoxiriboză ca parte a nucleotidelor ADN.
o clasă de polimeri liniari. Coloana vertebrală a acidului nucleic are aceeași structură de-a lungul întregii lungimi a moleculei și este formată din grupuri alternative - pentoză-fosfat-pentoză - (Fig. 4-5). Grupurile variabile din lanțurile polinucleotidice sunt baze azotate - purine și pirimidine. Moleculele de ARN includ adenină (A), uracil (U), guanină (G) și citozină (C), ADN-adenină (A), timină (T), guanină (G) și citozină (C). Unicitatea structurii și individualitatea funcțională a moleculelor de ADN și ARN sunt determinate de structura lor primară - secvența bazelor azotate din lanțul polinucleotidic.
Orez. 4-4. Nucleotide purinice și pirimidinice.
Orez. 4-5. Fragment al unui lanț ADN.
B. Structura acidului dezoxiribonucleic (ADN)
Structura primară a ADN - ordinea alternanței monofosfaților deoxiribonucleozidici (dNMP) în lanțul polinucleotidic. Fiecare grupă fosfat din lanțul polinucleotidic, cu excepția reziduului de fosfor de la capătul de 5 "al moleculei, participă la formarea a două legături eterice cu participarea a 3" - și 5 "atomi de carbon a două dezoxiriboze vecine, prin urmare legătura dintre monomeri este desemnată 3 ", 5" - nucleotidele terminale ale ADN se disting prin structura lor: există o grupare fosfat la capătul 5 "al lanțului și o grupare OH liberă la capătul 3" al lanțului Aceste capete sunt numite capetele 5 "- și 3". Secvența liniară a dezoxiribonucleotidelor din lanțul ADN polimeric abreviat de obicei folosind un cod dintr-o literă, de exemplu -AGCTTACA- de la 5 "- la 3" -end.
Fiecare monomer de acid nucleic conține un reziduu de acid fosforic. Prin urmare, la pH 7, gruparea fosfat este complet ionizată in vivo acizii nucleici există ca polianioni (au multiple sarcini negative). Reziduurile de pentoză prezintă, de asemenea, proprietăți hidrofile. Bazele azotate sunt aproape insolubile în apă, dar unii atomi ai inelelor de purină și pirimidină sunt capabili să se formeze legături de hidrogen.
Structura secundară a ADN-ului.În 1953, J. Watson și F. Crick au propus un model al structurii spațiale a ADN-ului. Conform acestui model, o moleculă de ADN are forma unei spirale formată din două lanțuri polinucleotidice răsucite una față de cealaltă și în jurul unei axe comune. Elice duble dreptaci, lanț polinucleotidic în acesta antiparalel(Figura 4-6), adică dacă una dintre ele este orientată în direcția 3 "→ 5", atunci cealaltă - în direcția 5 "→ 3". Prin urmare, la fiecare capăt
Orez. 4-6. Dubla helix de ADN.
Moleculele ADN sunt formate din două catene antiparalele cu o secvență complementară de nucleotide. Lanțurile sunt răsucite unele față de altele într-o helică dreaptă, astfel încât să existe aproximativ 10 perechi de nucleotide pe tură. Toate bazele lanțurilor ADN sunt situate în interiorul dublei spirale, iar coloana vertebrală a pentozei fosfat este în exterior. Lanțurile polinucleotidice sunt ținute unul față de celălalt datorită legăturilor de hidrogen între bazele azotate A purificate și pirimidinice A și T (două legături) și între G și C (trei legături) (Fig. 4-7). Cu această combinație, fiecare pereche conține trei inele, astfel încât dimensiunea totală a acestor perechi de baze este aceeași pe toată lungimea moleculei.
Orez. 4-7. Perechi de baze purină-pirimidină în ADN.
Sunt posibile legături de hidrogen pentru alte combinații de baze într-o pereche, dar sunt mult mai slabe. Secvența nucleotidică a unei catene este complet complementară cu secvența nucleotidică a celei de-a doua catene. Prin urmare, conform regulii lui Chargaff (Erwin Chargaff în 1951 a stabilit modele în raportul bazelor de purină și pirimidină într-o moleculă de ADN), numărul bazelor de purină (A + G) este egal cu numărul bazelor de pirimidină (T + C) . Bazele complementare sunt stivuite în miezul spiralei. Între bazele unei molecule bicatenare din stivă, interacțiuni hidrofobe, stabilizând dubla helix.
Această structură exclude contactul reziduurilor azotate cu apa, dar teancul de baze nu poate fi absolut vertical. Perechile de baze sunt ușor decalate una de cealaltă. În structura formată, se disting două caneluri - unul mare, 2,2 nm lățime și unul mic, 1,2 nm lățime. Bazele azotate din regiunea canelurilor majore și minore interacționează cu proteinele specifice implicate în organizarea structurii cromatinei.
Structura terțiară a ADN-ului (supraîncărcarea ADN-ului) Fiecare moleculă de ADN este ambalată într-un cromozom separat. Celulele diploide umane conțin 46 de cromozomi. Lungimea totală a ADN-ului tuturor cromozomilor unei celule este de 1,74 m, dar este ambalată într-un nucleu, al cărui diametru este de milioane de ori mai mic. Pentru a poziționa ADN-ul în nucleul unei celule, trebuie să se formeze o structură foarte compactă. Compactarea ADN și supraîncărcarea se efectuează folosind o varietate de proteine care interacționează cu secvențe specifice din structura ADN-ului. Toate proteinele care se leagă de ADN-ul eucariot pot fi împărțite în 2 grupe: hisgon și non-histone protein. Complexul de proteine cu ADN-ul nuclear al celulelor se numește cromatină.
Histone- proteine cu o greutate moleculară de 11-21 kDa, conținând multe reziduuri de arginină și lizină. Datorită încărcăturii lor pozitive, histonele formează legături ionice cu grupări fosfat încărcate negativ situate în exteriorul dublei spirale ADN. Există 5 tipuri de histone. Patru histone Н2А, Н2В, НЗ și Н4 formează un complex proteic octameric (Н2А, Н2В, НЗ, Н4) 2, care se numește nucleosom nucleu(din engleză. nucleosom nucleu). Molecula ADN este „înfășurată” pe suprafața histonei octamer, făcând 1,75 rotații (aproximativ 146 perechi de baze). Un astfel de complex de proteine histonice cu ADN servește ca unitate structurală principală a cromatinei, se numește „nucleozom”. ADN-ul care leagă particulele nucleozomale se numește ADN linker. ADN-ul mediu linker este de 60 de perechi de baze. Moleculele de histonă H1 se leagă de ADN în regiunile internucleozomale (secvențe linker) și protejează aceste regiuni de nucleaze (Fig. 4-8).
Orez. 4-8. Structura nucleozomilor.
Opt molecule de histone (Н2А, Н2В, НЗ, Н4) 2 alcătuiesc nucleul nucleozomic, în jurul căruia ADN-ul formează aproximativ 1,75 rotații. ADN. Reziduurile de aminoacizi ale lizinei, argininei și ale grupelor amino terminale ale histonelor pot fi modificate: acetilate, fosforilate, metilate sau pot interacționa cu proteina ubiquitină (proteină non-histonică). Modificările sunt reversibile și ireversibile, schimbă sarcina și conformația histonelor și acest lucru afectează interacțiunea histonelor între ele și cu ADN-ul. Activitatea enzimelor responsabile de modificare este reglată și depinde de stadiul ciclului celular. Modificările fac posibile rearanjări conformaționale ale cromatinei.
Proteine cromatine non-histonice. Nucleul unei celule eucariote conține sute dintr-o mare varietate de proteine non-histonice care se leagă de ADN. Fiecare proteină este complementară unei secvențe specifice de nucleotide ADN (Situl ADN). Acest grup include o familie de proteine site-specific de tipul „degetului de zinc” (vezi secțiunea 1). Fiecare deget de zinc recunoaște un site specific format din 5 perechi de nucleotide. O altă familie de proteine site-specific este homodimerii. Un fragment dintr-o astfel de proteină în contact cu ADN-ul are o structură elicoidală-elicoidală (a se vedea secțiunea 1). Grupul de proteine structurale și de reglare care sunt în mod constant asociate cu cromatina includ proteine cu mobilitate ridicată ( Proteine HMG- din engleza, proteine de gel cu mobilitate ridicată). Au o greutate moleculară mai mică de 30 kDa și se caracterizează printr-un conținut ridicat de aminoacizi încărcați. Datorită greutății lor moleculare mici, proteinele HMG sunt extrem de mobile în timpul electroforezei pe gel de poliacrilamidă. Enzimele de replicare, transcriere și reparare aparțin, de asemenea, proteinelor non-histonice. Cu participarea proteinelor structurale, de reglare și a enzimelor implicate în sinteza ADN-ului și ARN-ului, catenele nucleozomice sunt transformate într-un complex extrem de condensat de proteine și ADN. Structura rezultată este de 10.000 de ori mai scurtă decât molecula originală de ADN.
Conținutul articolului
ACIZI NUCLEICI- molecule biologice de polimer care stochează toate informațiile despre un organism viu individual, care determină creșterea și dezvoltarea acestuia, precum și trăsăturile ereditare care sunt transmise generației următoare. Acizii nucleici se găsesc în nucleele celulelor tuturor organismelor vegetale și animale, care au determinat numele lor (lat . nucleu - nucleu).
Compoziția lanțului polimeric al acizilor nucleici.
Lanțul polimeric al acizilor nucleici este asamblat din fragmente de acid fosforic H 3 PO 3 și fragmente de molecule heterociclice care sunt derivați furani. Există doar două tipuri de acizi nucleici, fiecare construit pe baza unuia dintre cele două tipuri de astfel de heterocicluri - riboză sau dezoxiriboză (Fig. 1).
Orez. 1. STRUCTURA RIBOSULUI ȘI DEOXIRIBOSULUI.
Numele de riboză (din lat . Coaste - coaste, agrafă) are finalul - oza, care indică faptul că aparține clasei de zaharuri (de exemplu, glucoză, fructoză). Al doilea compus nu are o grupare OH (grupa oxi), care este marcată cu roșu în riboză. În acest sens, compusul triplu se numește dezoxiriboză, adică riboză lipsită de o grupare oxi.
Lanțul polimeric, construit din fragmente de riboză și acid fosforic, stă la baza unuia dintre acizii nucleici, acidul ribonucleic (ARN). Termenul „acid” din denumirea acestui compus este utilizat deoarece una dintre grupările OH acide ale acidului fosforic rămâne nesubstituită, ceea ce conferă întregului compus un caracter slab acid. Dacă, în loc de riboză, dezoxiriboză participă la formarea lanțului polimeric, atunci se formează acid dezoxiribonucleic, pentru care binecunoscuta prescurtare ADN este larg acceptată.
Structura ADN-ului.
Molecula de ADN servește ca punct de plecare în creșterea și dezvoltarea unui organism. În fig. 2 arată cum două tipuri de compuși de pornire alternativi sunt combinați într-un lanț polimeric; nu este prezentată o metodă de sinteză, ci o diagramă schematică a ansamblului unei molecule de ADN.
În versiunea finală, molecula de ADN polimeric conține heterocicluri care conțin azot în cadrul lateral. Patru tipuri de astfel de compuși sunt implicați în formarea ADN-ului, două dintre ele sunt inele cu șase membri și două sunt inele condensate, unde inelul cu șase membri este lipit cu cel cu cinci membri (Fig. 3).
Orez. 3. STRUCTURA HETEROCICLILOR CU CONȚINUT DE AZOT care alcătuiesc ADN-ul
La a doua etapă de asamblare, compușii heterociclici care conțin azot arătați mai sus sunt atașați la grupurile OH libere de dezoxiriboză, formând pandantive laterale pe lanțul polimeric (Fig. 4).
Moleculele de adenină, timină, guanină și citozină atașate lanțului polimeric sunt notate cu primele litere ale denumirilor compușilor de pornire, adică A, T, Gși C.
Lanțul ADN polimeric în sine are o anumită direcție - atunci când se deplasează mental de-a lungul moleculei în direcțiile înainte și înapoi, aceleași grupări care alcătuiesc lanțul se întâlnesc pe drum într-o secvență diferită. Când se deplasează într-o direcție de la un atom de fosfor la altul, mai întâi grupul CH 2 merge de-a lungul căii, apoi două grupuri CH (atomii de oxigen pot fi ignorați), atunci când se deplasează în direcția opusă, secvența acestor grupuri va fi inversată (Fig. 5) ...
Orez. 5. DIRECȚIONALITATEA LANȚULUI DE POLIMER ADN... Când se descrie ordinea în care se alternează heterociclurile atașate, este obișnuit să se utilizeze direcția înainte, adică de la grupul CH 2 la grupurile CH.
Însuși conceptul de „direcție a lanțului” ajută la înțelegerea modului în care două catene de ADN sunt localizate atunci când sunt combinate și are, de asemenea, o influență directă asupra sintezei proteinelor.
În etapa următoare, două molecule de ADN se combină, poziționându-se astfel încât începutul și sfârșitul firelor să fie direcționate în direcții opuse. În acest caz, heterociclii celor două lanțuri sunt direcționați unul către celălalt și sunt localizați într-un anumit mod optim, ceea ce înseamnă că legăturile de hidrogen apar între perechile grupelor C = O și NH2, precum și între є N și NH = , care fac parte din heterocicluri ( cm... LEGĂTURĂ DE HIDROGEN). În fig. 6 prezintă modul în care cele două lanțuri sunt situate unul față de celălalt și cum apar legături de hidrogen între heterocicluri. Cel mai important detaliu este că perechile legate de hidrogen sunt definite rigid: un fragment A interacționează întotdeauna cu T iar fragmentul G- mereu cu C... Geometria strict definită a acestor grupuri duce la faptul că aceste perechi sunt extrem de precise între ele (cum ar fi o cheie pentru o încuietoare), o pereche LA legat de două legături de hidrogen și de perechea G-C- trei link-uri.
Legăturile de hidrogen sunt vizibil mai slabe decât legăturile obișnuite de valență, dar datorită numărului lor mare de-a lungul întregii molecule de polimer, conexiunea celor două lanțuri devine destul de puternică. Molecula ADN conține zeci de mii de grupuri A, T, Gși C iar ordinea alternanței lor într-o moleculă de polimer poate fi diferită, de exemplu, într-o anumită parte a lanțului, secvența poate fi de forma: - A-A-T-G-C-G-A-T-. Deoarece grupurile care interacționează sunt strict definite, atunci pe locul opus celei de-a doua molecule de polimer va exista în mod necesar o secvență - T-T-A-C-G-C-T-A-. Astfel, cunoscând ordinea heterociclurilor dintr-un lanț, se poate indica plasarea lor în celălalt lanț. Din această corespondență rezultă că numărul total de grupuri din molecula de ADN dublat este A egal cu numărul de grupuri Tși numărul de grupuri G- cantitate C(Regula lui E. Chargaff).
Două molecule de ADN legate de hidrogen sunt prezentate în Fig. 5 sub forma a două lanțuri plate, dar în realitate acestea sunt aranjate într-un mod diferit. Adevărata direcție în spațiul tuturor legăturilor, determinată de unghiurile de legătură și de contracția interacțiunilor de hidrogen, duce la anumite îndoiri ale lanțurilor polimerice și la o rotație a planului heterociclurilor, ceea ce este prezentat aproximativ în primul fragment video din Fig. 7 folosind formula structurală. Mult mai precis, întreaga structură spațială poate fi transmisă numai cu ajutorul modelelor volumetrice (Fig. 7, al doilea fragment video). În acest caz, apare o imagine complexă, prin urmare, este obișnuit să se utilizeze imagini simplificate, care sunt utilizate în mod special pe scară largă atunci când se descrie structura acizilor nucleici sau proteine... În cazul acizilor nucleici, lanțurile polimerice sunt reprezentate sub formă de panglici plate și grupări heterociclice A, T, Gși C- sub formă de tije laterale sau linii simple de valență cu culori diferite sau care conțin denumiri de litere ale heterociclurilor corespunzătoare la sfârșit (Fig. 7, al treilea fragment video).
În timpul rotației întregii structuri în jurul axei verticale (Fig. 8), este clar vizibilă forma spirală a două molecule de polimer, care, așa cum ar fi, sunt înfășurate pe suprafața cilindrului, acesta este binecunoscutul dublu helix de ADN.
Cu o imagine atât de simplificată, informațiile principale nu dispar - ordinea alternării grupării A, T, Gși C, care determină individualitatea fiecărui organism viu, toate informațiile sunt înregistrate într-un cod format din patru litere.
Structura lanțului polimeric și prezența obligatorie a patru tipuri de heterocicluri sunt aceleași pentru toți reprezentanții lumii vii. Toate animalele și plantele superioare au numărul de perechi A – Tîntotdeauna puțin mai mult decât perechi G – C... Diferența dintre ADN-ul mamiferelor și ADN-ul plantelor este că mamiferele au o pereche A – T de-a lungul întregii lungimi a lanțului apare puțin mai des (de aproximativ 1,2 ori) decât o pereche G – C... În cazul plantelor, preferința pentru prima pereche este mult mai vizibilă (de aproximativ 1,6 ori).
ADN-ul este una dintre cele mai mari molecule de polimer cunoscute în prezent; în unele organisme, lanțul său de polimeri este format din sute de milioane de verigi. Lungimea unei astfel de molecule ajunge la câțiva centimetri, ceea ce reprezintă o valoare foarte mare pentru obiectele moleculare. pentru că secțiunea transversală a moleculei este de numai 2 nm (1 nm = 10 –9 m), atunci proporțiile sale pot fi comparate cu o cale ferată lungă de zeci de kilometri.
Proprietățile chimice ale ADN-ului.
În apă, ADN-ul formează soluții vâscoase; atunci când astfel de soluții sunt încălzite la 60 ° C sau sub acțiunea alcalinilor, helica dublă se descompune în două lanțuri constitutive, care se pot contopi din nou dacă reveniți la condițiile inițiale. În condiții slab acide, apare hidroliza, ca urmare, fragmentele -PO-CH2 - sunt parțial clivate cu formarea fragmentelor -P-OH și respectiv HO-CH2, ca urmare, monomerice, dimerice (dublate) sau se formează acizi trimerici (triplu), care sunt legături din care a fost asamblat firul ADN (Fig. 9).
Orez. nouă. FRAGMENTE OBȚINUTE DE DIGESTAREA ADN-ului.
Hidroliza mai profundă permite separarea siturilor de dezoxiriboză de acidul fosforic, precum și gruparea G de la dezoxiriboză, adică pentru a dezasambla molecula de ADN mai detaliat în componentele sale constitutive. Sub acțiunea acizilor puternici (pe lângă dezintegrarea fragmentelor -P (O) -O-CH 2), grupurile Ași G... Acțiunea altor reactivi (de exemplu, hidrazina) face posibilă separarea grupurilor Tși C... O scindare mai delicată a ADN-ului în componente se realizează folosind un preparat biologic - dezoxiribonucleaza secretată din pancreas (terminând - aza indică întotdeauna că această substanță este un catalizator de origine biologică - o enzimă). Partea inițială a titlului - dezoxiribonuclează- indică ce compus este scindat de această enzimă. Toate aceste metode de scindare a ADN-ului sunt axate, în primul rând, pe o analiză detaliată a compoziției sale.
Cea mai importantă informație conținută într-o moleculă de ADN este secvența grupurilor A, T, Gși C, se obține folosind tehnici special dezvoltate. Pentru aceasta, au fost create o gamă largă de enzime care găsesc o secvență strict definită în molecula ADN, de exemplu, C-T-G-C-A-G(precum și secvența corespunzătoare pe lanțul opus G-A-C-G-T-C) și izolați-l de lanț. Această proprietate este posedată de enzima Pst I (denumire comercială, este formată din numele acelui microorganism P rovidencia Sf uartii, din care se obține această enzimă). Când utilizați o altă enzimă Pal I, este posibil să găsiți secvența G-G-C-C... Mai mult, rezultatele obținute sub acțiunea unei game largi de enzime diferite în conformitate cu o schemă dezvoltată anterior sunt comparate, ca urmare, este posibil să se determine secvența unor astfel de grupuri pe un anumit situs de ADN. Acum, astfel de tehnici au fost aduse la stadiul utilizării pe scară largă; sunt utilizate într-o mare varietate de domenii care sunt departe de cercetarea biochimică științifică, de exemplu, în identificarea rămășițelor organismelor vii sau stabilirea gradului de rudenie.
Structura ARN
în multe feluri seamănă cu ADN-ul, diferența este că în lanțul principal, fragmente de acid fosforic alternează cu riboză și nu cu dezoxiriboză (Fig.). A doua diferență este că uracilul heterociclu ( Avea) în loc de timină ( T), alți heterocicluri A, Gși C la fel ca ADN-ul. Uracil diferă de timină în absența unei grupări metil atașate la inel în Fig. 10 această grupare metil este evidențiată cu roșu.
Orez. zece. DIFERENȚA TIMINEI DE URACIL- absența celui de-al doilea compus al grupării metil evidențiat cu roșu în timină.
Un fragment al moleculei de ARN este prezentat în Fig. 11, ordinea grupărilor A, Avea, Gși C, precum și raportul lor cantitativ pot fi diferite.
Fig. 11. FRAGMENT DE MOLECULĂ ARN... Principala diferență față de ADN este prezența grupelor OH în riboză (roșu) și un fragment uracil (albastru).
Lanțul polimeric al ARN-ului este de aproximativ zece ori mai scurt decât cel al ADN-ului. O diferență suplimentară constă în faptul că moleculele de ARN nu se combină în spirale duble, formate din două molecule, ci există de obicei sub forma unei singure molecule, care în unele regiuni pot forma fragmente elicoidale dublu catenare cu sine, alternând cu regiuni liniare. În secțiunile spiralate, interacțiunea perechilor este observată la fel de strict ca în ADN. Perechi conectate prin legături de hidrogen și formând o spirală ( A-Aveași G-C), apar în acele zone în care dispunerea grupurilor se dovedește a fi favorabilă pentru o astfel de interacțiune (Fig. 12).
Pentru marea majoritate a organismelor vii, conținutul cantitativ al perechilor A-Avea mai mult decât G-C, la mamifere de 1,5-1,6 ori, la plante - de 1,2 ori. Există mai multe tipuri de ARN, ale căror roluri într-un organism viu sunt diferite.
Proprietățile chimice ale ARN-ului
seamănă cu proprietățile ADN-ului, cu toate acestea, prezența grupurilor OH suplimentare în riboză și conținutul mai mic (în comparație cu ADN) din regiunile elicoidale stabilizate face ca moleculele de ARN să fie mai vulnerabile din punct de vedere chimic. Sub acțiunea acizilor sau a alcalinilor, principalele fragmente ale lanțului polimeric P (O) -O-CH 2 sunt ușor hidrolizate, grupurile A, Avea, Gși C desparte mai ușor. Dacă este necesar să se obțină fragmente monomerice (similare cu cele din Fig. 9), în timp ce se păstrează heterocicluri legate chimic, se folosesc enzime cu acțiune delicată numite ribonculeaze.
Participarea ADN-ului și ARN-ului la sinteza proteinelor
Este una dintre principalele funcții ale acizilor nucleici. Proteinele sunt componente esențiale ale fiecărui organism viu. Mușchii, organele interne, țesutul osos, pielea și părul mamiferelor sunt compuse din proteine... Aceștia sunt compuși polimerici care sunt colectați într-un organism viu din diverși aminoacizi. Într-un astfel de ansamblu, acizii nucleici joacă un rol de control; procesul are loc în două etape, iar la fiecare dintre ele factorul determinant este orientarea reciprocă a heterociclurilor ADN și ARN care conțin azot.
Sarcina principală a ADN-ului este stocarea informațiilor înregistrate și furnizarea acestora în momentul în care începe sinteza proteinelor. În această privință, stabilitatea chimică crescută a ADN în comparație cu ARN este de înțeles. Natura a avut mare grijă să păstreze informațiile de bază cât mai intacte posibil.
În prima etapă, se deschide o parte a helixului dublu, ramurile eliberate diverg și în grupuri A, T, Gși C care au devenit disponibile, începe sinteza ARN, numită ARN mesager, deoarece acesta, ca o copie din matrice, reproduce cu exactitate informațiile înregistrate pe segmentul ADN dezvăluit. Vizavi de grup A aparținând moleculei de ADN, există un fragment din viitorul ARN mesager care conține grupul Avea, toate celelalte grupuri sunt situate unul față de celălalt în corespondență exactă cu modul în care apare în timpul formării unei duble spirale ADN (Fig. 13).
Conform acestei scheme, se formează o moleculă de ARN mesager polimeric care conține câteva mii de unități monomerice.
În a doua etapă, ADN-ul matricei se deplasează din nucleul celulei în spațiul perinuclear - citoplasma. Așa-numitele ARN-uri de transport, care transportă (transportă) diferiți aminoacizi, sunt potrivite pentru ARN-ul mesager rezultat. Fiecare ARN de transport, încărcat cu un anumit aminoacid, se apropie de o regiune strict determinată de ARN mesager, locul dorit se găsește folosind același principiu de corespondență de grup A
Un detaliu important este că interacțiunea temporală a ARN-ului de mesagerie și de transport trece prin doar trei grupuri, de exemplu, către triada C-C-Avea acid matricial, doar tripletul corespunzător G-G-A ARN de transport, care transportă cu siguranță aminoacidul glicină (Fig. 14). La fel și pentru triada G-A-Avea numai un set se poate apropia C-Avea-A transportând doar aminoacidul leucina. Astfel, secvența grupurilor din ARN mesager indică în ce ordine ar trebui să se lege aminoacizii. În plus, sistemul conține reguli de reglementare suplimentare codificate; unele secvențe din trei grupuri de ARN mesager indică faptul că sinteza proteinelor ar trebui să se oprească în acest moment, adică molecula a atins lungimea necesară.
Afișat în fig. 14 sinteza proteinelor are loc cu participarea a încă unul - al treilea tip de acizi ARN, fac parte din ribozomi și, prin urmare, sunt numiți ribozomali. Ribozomul, care este un ansamblu de proteine specifice ARN ribozomal, asigură interacțiunea dintre ARN mesager și ARN de transport, jucând rolul unei benzi transportoare care mișcă ARN mesager la un pas după ce s-a produs conexiunea a doi aminoacizi.
Punctul principal al schemei în două etape prezentat în Fig. 13 și 14, constă în faptul că lanțul polimeric al unei molecule proteice este asamblat din diverși aminoacizi într-o ordine planificată și strict conform planului care a fost înregistrat într-o formă codificată pe un anumit segment de ADN. Astfel, ADN-ul este punctul de plecare pentru întregul proces programat.
În procesul activității vitale, proteinele sunt consumate în mod constant și, prin urmare, sunt reproduse în mod regulat conform schemei descrise, întreaga sinteză a unei molecule de proteine, formată din sute de aminoacizi, are loc într-un organism viu în aproximativ un minut.
Primele studii ale acizilor nucleici au fost efectuate în a doua jumătate a secolului al XIX-lea, înțelegând că toate informațiile despre un organism viu au fost criptate în ADN au venit la mijlocul secolului al XX-lea, structura dublei spirale a ADN-ului a fost stabilită în 1953 de J. Watson și F. Crick pe baza analizei structurale a datelor cu raze X, care este recunoscută ca fiind cea mai mare realizare științifică a secolului XX. La mijlocul anilor '70 ai secolului XX. au apărut metode de decodificare a structurii detaliate a acizilor nucleici și apoi au fost dezvoltate metode pentru sinteza lor dirijată. Astăzi, departe de toate procesele care apar în organismele vii cu participarea acizilor nucleici sunt clare, iar astăzi este una dintre cele mai dezvoltate domenii ale științei.
Mikhail Levitsky
