Нуклеїнові кислоти. Б
У живому організмі присутні три основні макромолекули: білки та нуклеїнові кислоти двох видів. Завдяки їм підтримується життєдіяльність та правильне функціонування всього організму. Що таке нуклеїнові кислоти? Навіщо вони необхідні? Про це далі в статті.
Загальна інформація
Нуклеїнова кислота - це біополімер, органічна сполука з високою молекулярністю, яка утворена залишками нуклеотидів. Передача від покоління до покоління всієї генетичної інформації – головне завдання, яке виконують нуклеїнові кислоти. Презентація, що представлена нижче, розкриє це поняття докладніше.
Історія дослідження
Перший вивчений нуклеотид був виділений з м'язів бика в 1847 році і названий «інозина кислота». В результаті вивчення хімічної будови було виявлено, що вона є рибозид-5′-фосфатом і зберігає в собі N-глікозидний зв'язок. У 1868 році було виявлено речовину під назвою «нуклеїн». Відкрив його швейцарський хімік Фрідріх Мішер, під час досліджень деяких біологічних субстанцій. До складу цієї речовини входив фосфор. З'єднання мало кислотними властивостями і не розкладалося під впливом протеолітичних ферментів.
Речовина одержала формулу C29H49N9O22P3.Припущення про участь нуклеїну у процесі передачі спадкової інформації було висунуто в результаті виявлення аналогічності його хімічного складу з хроматином. Цей елемент є основним компонентом хромосом. Термін «нуклеїнова кислота» вперше був запроваджений у 1889 році Ріхардом Альтманом. Саме він став автором способу одержання цих речовин без білкових домішок. У ході дослідження лужного гідролізу нуклеїнових кислот Левін та Жакоб виявили основні компоненти продуктів цього процесу. Ними виявилися нуклеотиди та нуклеозиди. У 1921 році Левін припустив, що ДНК має тетрануклеотидну будову. Однак ця гіпотеза не знайшла підтвердження і виявилася хибною.
Класифікація
Нуклеїнові кислоти бувають двох видів: ДНК та РНК. Їхня присутність виявляється у клітинах всіх живих організмів. ДНК переважно міститься в ядрі клітини. РНК знаходиться у цитоплазмі. У 1935 році, в ході м'якого фрагментування ДНК, були отримані 4 ДНК-утворювальні нуклеотиди. Ці компоненти представлені у стані кристалів. У 1953 році Уотстон і Крик визначили, що ДНК має подвійну спіраль.
Методи виділення
Розроблено різні способи отримання сполук із природних джерел. Головними умовами цих методик є результативний поділ нуклеїнових кислот та білків, найменша фрагментація речовин, отриманих у ході процесу. Сьогодні широко використовується класичний спосіб. Суть цього методу полягає у руйнуванні стінок біологічного матеріалу та подальшій їх обробці аніонним детергентом. В результаті виходить осад з білка, а нуклеїнові кислоти залишаються у розчині. Використовується інший метод. У цьому випадку нуклеїнові кислоти можуть осідати в гелевому стані за допомогою використання етанолу та сольового розчину. При цьому слід дотримуватися певної обережності. Зокрема, додавати етанол потрібно з великою акуратністю до сольового розчину для отримання гелевого осаду. У якій концентрації виділилася нуклеїнова кислота, які домішки у ній присутні, можна визначити спектрофотометричним методом. Нуклеїнові кислоти легко піддаються деградації за допомогою нуклеази, що представляє особливий клас ферментів. При цьому виділенні необхідно, щоб лабораторне обладнання пройшло обов'язкову обробку інгібіторами. До них відноситься, наприклад, інгібітор DEPC, який застосовується для виділення РНК.
Фізичні властивості
Нуклеїнові кислоти мають хорошу розчинність у воді, а в органічних сполуках майже не розчиняються. Крім того, вони особливо сприйнятливі до показників температури та рівня рН. Молекули нуклеїнових кислот, що мають високу молекулярну масу, можуть фрагментуватися нуклеазою під впливом механічних сил. До таких відносяться перемішування розчину, його збовтування.
Нуклеїнові кислоти. Будова та функції
У клітинах зустрічаються полімерні та мономерні форми розглянутих сполук. Полімерні форми називаються полінуклеотидами. У такому вигляді ланцюжки нуклеотидів зв'язуються залишком фосфорної кислоти. Через вміст двох видів гетероциклічних молекул, званих рибозою та дезоксорібозою, кислоти, відповідно, бувають рибонуклеїнові та дезоксирибонуклеїнові. З їхньою допомогою відбувається зберігання, передача і реалізація спадкової інформації. З мономерних форм нуклеїнових кислот найпопулярніша аденозинтрифосфорна кислота. Вона бере участь у передачі сигналів та забезпеченні запасів енергії у клітині.
ДНК
Дезоксирибонуклеїнова кислота є макромолекулою. З її допомогою відбувається процес передачі та реалізації генетичної інформації. Ці відомості потрібні для програми розвитку та функціонування живого організму. У тварин, рослин, грибів ДНК входить до складу хромосом, що знаходяться в ядрі клітини, а також знаходиться в мітохондріях та пластидах. У бактерій та архей молекула дезоксирибонуклеїнової кислоти чіпляється за клітинну мембрану з внутрішньої сторони. У таких організмах присутні переважно кільцеві молекули ДНК. Вони отримали назву "плазміди". За хімічною будовою дезоксирибонуклеїнова кислота є полімерною молекулою, що складається з нуклеотидів. Ці компоненти, у свою чергу, мають у своєму складі азотисту основу, цукор та фосфатну групу. Саме за рахунок двох останніх елементів утворюється зв'язок між нуклеотидами, утворюючи ланцюги. В основному макромолекула ДНК представлена у вигляді спіралі із двох ланцюгів.
РНК
Рибонуклеїнова кислота є довгим ланцюгом, що складається з нуклеотидів. У їхньому складі присутні азотна підстава, цукор рибози і фосфатна група. Генетична інформація кодується за допомогою послідовності нуклеотидів. РНК використовується для програмування синтезу білків. Рибонуклеїнова кислота створюється під час транскрипції. Це процес синтезу РНК на матриці ДНК. Він відбувається за участю спеціальних ферментів. Називаються вони РНК-полімеразами. Після цього матричні рибонуклеїнові кислоти беруть участь у процесі трансляції. Так відбувається здійснення синтезу білка на матриці РНК. Активну участь у цьому процесі беруть рибосоми. Інші РНК на завершення транскрипції проходять хімічні перетворення. В результаті змін, що відбуваються, утворюються вторинна і третинна структури рибонуклеїнової кислоти. Вони працюють залежно від типу РНК.
Міністерство освіти та науки РФ
Федеральний державний автономний освітній заклад
Вищої освіти
« КАЗАНСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ДОСЛІДНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ»
ІНСТИТУТ ХАРЧОВОЇ ІНЖЕНЕРІЇ
КАФЕДРА ХАРЧОВОЇ БІОТЕХНОЛОГІЇ
РЕФЕРАТ НА ТЕМУ
НУКЛЕЇНОВІ КИСЛОТИ. ДНК та РНК
Виконала: Раденко В.
Група 625 М-52
Нуклеїнові кислоти -природні високомолекулярні органічні сполуки, що забезпечують зберігання та передачу спадкової (генетичної) інформації у живих організмах. У кожному живому організмі присутні 2 типи нуклеїнових кислот: рибонуклеїнова кислота (РНК) та дезоксирибонуклеїнова кислота (ДНК). Молекулярна маса найменшої з відомих нуклеїнових кислот - транспортної РНК (тРНК) становить приблизно 25 кД. ДНК – найбільші полімерні молекули; їхня молекулярна маса варіює від 1 000 до 1 000 000 кД. ДНК та РНК складаються з мономерних одиниць – нуклеотидів, тому нуклеїнові кислоти називають полінуклеотидами.
Будова нуклеотидів
Кожен нуклеотид містить 3 хімічно різних компоненти: гетероциклічну азотисту основу, моносахарид (пентозу) та залишок фосфорної кислоти. Залежно від кількості залишків фосфорної кислоти, що є в молекулі, розрізняють нуклеозидмонофосфати (НМФ), нуклеозиддифосфати (НДФ), нуклео-зидтрифосфати (НТФ) (рис. 4-1). До складу нуклеїнових кислот входять азотисті основи двох типів: пуринові - аденін(А), гуанін(G) та піримідинові - цитозин(С), тимін(Т) та урацил(U). Нумерація атомів у основах записується всередині циклу (рис. 4-2). Пентози в нуклеотидах представлені або рибозою (у складі РНК), або дезоксирибозою (у складі ДНК). Щоб відрізнити номери атомів у пентозах від нумерації атомів у підставах, запис роблять із зовнішнього боку циклу і до цифри додають штрих (") - 1", 2", 3", 4" та 5" (рис. 4-3). Пентозу з'єднує з основою N-глікозидний зв'язок,утворена З 1 -атомом пентози (рибози або дезоксирибози) та N 1 -атомом піримідину або N 9 -атомом пурину (рис. 4-4). Нуклеотиди, в яких пентоза представлена рибозою, називають рибонуклеотидами, а нуклеїнові кислоти, побудовані з рибонуклеотидів, - рибонуклеїновими кислотами, або РНК. Нуклеїнові кислоти, мономери яких входить дезоксирибоза, називають дезоксири-бонуклеїновими кислотами, або ДНК. Нуклеїнові кислоти за своєю будовою відносять до
Рис. 4-1. Нуклеозидмоно-, ді-і трифосфати аденозину.Нуклеотиди – фосфорні ефіри нуклеозидів. Залишок фосфорної кислоти приєднаний до 5"-вуглецевого атома пентози (5"-фосфоефірний зв'язок).
Рис. 4-2. Пуринові та піримідинові основи.
Рис. 4-3. Пентози.Існують 2 види - β-D-рибоза у складі нуклеотидів РНК та β-D-2-дезоксирибоза у складі нуклеотидів ДНК.
класу лінійних полімерів Остов нуклеїнової кислоти має однакову будову по всій довжині молекули і складається з груп, що чергуються - пентоза-фосфат-пентоза- (рис. 4-5). Варіабельними групами в полінуклеотидних ланцюгах служать азотисті основи – пурини та піримідини. В молекули РНК входять аденін (А), урацил (U), гуанін (G) і цитозин (С), ДНК - аденін (А), тимін (Т), гуанін (G) і цитозин (С). Унікальність структури та функціональна індивідуальність молекул ДНК та РНК визначаються їх первинною структурою – послідовністю азотистих основ у полінуклеотидному ланцюгу.
Рис. 4-4. Пуриновий та піримідиновий нуклеотиди.
Рис. 4-5. Фрагмент ланцюга ДНК.
Б. Структура дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК)
Первинна структура ДНКпорядок чергування дезоксирибонуклеозидмонофосфатів (дНМФ) у полінукпеотидному ланцюзі. Кожна фосфатна група полінукпеотидного ланцюга, за винятком фосфорного залишку на 5"-кінці молекули, бере участь в утворенні двох ефірних зв'язків за участю 3"- і 5"-вуглецевих атомів двох сусідніх дезоксирибоз, тому зв'язок між мономерами позначають 3", 5"- Фосфодіефірної. Кінцеві нуклеотиди ДНК розрізняють за структурою: на 5"-кінці знаходиться фосфатна група, а на 3"-кінці ланцюга - вільна ОН-група. Ці кінці називають 5"- і 3"-кінцями. Лінійна послідовність дезоксирибонуклеотидів у полімерному ланцюгу ДНК зазвичай скорочено записують за допомогою однолітерного коду, наприклад -AGCTTACA- від 5"- до 3"-кінця.
У кожному мономері нуклеїнової кислоти є залишок фосфорної кислоти. При рН 7 фосфатна група повністю іонізована, тому in vivoнуклеїнові кислоти існують у вигляді поліаніонів (мають множинний негативний заряд). Залишки пентоз теж виявляють гідрофільні властивості. Азотисті основи майже нерозчинні у воді, але деякі атоми пуринового та піримідинового циклів здатні утворювати водневі зв'язки.
Вторинна структура ДНК.У 1953 р. Дж. Уотсоном та Ф. Криком була запропонована модель просторової структури ДНК. Згідно з цією моделлю, молекула ДНК має форму спіралі, утворену двома полінуклеотидними ланцюгами, закрученими відносно один одного і навколо загальної осі. Подвійна спіраль правозакручена,полінуклеотидні ланцюги в ній антипаралельні(Рис. 4-6), тобто. якщо одна з них орієнтована у напрямку 3"→5", друга - у напрямку 5"→3". Тому на кожному кінці
Рис. 4-6. Подвійний спіраль ДНК.
Молекули ДНК складаються з двох антипаралельних ланцюгів із комплементарною послідовністю нукпеотидів. Ланцюги закручені відносно один одного в правозакручені спіраль так, що на один виток припадає приблизно 10 пар нуклеотидів. молекули. Всі підстави ланцюгів ДНК розташовані всередині подвійної спіралі, а пентозофосфатний кістяк - зовні. Полінуклеотидні ланцюги утримуються відносно один одного за рахунок водневих зв'язків між комплементарними пуриновими та піримідиновими азотистими основами А та Т (два зв'язки) та між G та С (три зв'язки) (рис. 4-7). При такому поєднанні кожна пара містить три кільця, тому загальний розмір цих пар підстав однаковий по всій довжині молекули.
Рис. 4-7. Пурин-піримідинові пари основ у ДНК.
Водневі зв'язки при інших поєднаннях основ у парі можливі, але вони значно слабші. Послідовність нуклеотидів одного ланцюга повністю комплементарна послідовності нуклеотидів другого ланцюга. Тому, згідно з правилом Чаргаффа (Ервін Чаргафф в 1951 р. встановив закономірності у співвідношенні пуринових та піримідинових основ у молекулі ДНК), число пуринових основ (А+G) дорівнює числу піримідинових основ (Т+С). Комплементарні основи укладені в стопку в серцевині спіралі. Між основами дволанцюжкової молекули у стосі виникають гідрофобні взаємодії,що стабілізують подвійну спіраль.
Така структура виключає контакт азотистих залишків з водою, але стос основ не може бути абсолютно вертикальним. Пари підстав злегка зміщені щодо один одного. В освіченій структурі розрізняють дві борозенки - велику, шириною 2,2 нм, і малу, шириною 1,2 нм. Азотисті основи в області великої та малої борозенок взаємодіють зі специфічними білками, що беруть участь в організації структури хроматину.
Третинна структура ДНК (суперспіралізація ДНК)Кожна молекула ДНК упакована в окрему хромосому. У диплоїдних клітинах людини міститься 46 хромосом.Загальна довжина ДНК всіх хромосом клітини становить 1,74 м, але вона упакована в ядрі, діаметр якого в мільйони разів менший. Щоб розташувати ДНК у ядрі клітини, має бути сформована дуже компактна структура. Компактизація та суперспіралізація ДНК здійснюються за допомогою різноманітних білків, що взаємодіють з певними послідовностями у структурі ДНК. Всі білки, що зв'язуються з ДНК еукаріотів, можна розділити на 2 групи: гісгонові та негістонові білки.Комплекс білків із ядерною ДНК клітин називають хроматином.
Гістони- білки з молекулярною масою 11-21 кД, що містять багато залишків аргініну та лізину. Завдяки позитивному заряду гістони утворюють іонні зв'язки із негативно зарядженими фосфатними групами, розташованими на зовнішній стороні подвійної спіралі ДНК. Існує 5 типів гістонів. Чотири гістони Н2А, Н2В, НЗ та Н4 утворюють октамерний білковий комплекс (Н2А, Н2В, НЗ, Н4) 2 , який називають "нуклеосомний кор"(Від англ. nucleosome core). Молекула ДНК "накручується" на поверхню гістонового октамера, здійснюючи 1,75 обороту (близько 146 пар нуклеотидів). Такий комплекс гістонових білків із ДНК служить основною структурною одиницею хроматину, її називають "Нуклеосома".ДНК, що зв'язує нуклеосомні частинки, називають лінкерною ДНК. У середньому лінкерна ДНК становить 60 пар нуклеотидних залишків. Молекули гістону H1 зв'язуються з ДНК у міжнуклеосомних ділянках (лінкерних послідовностях) та захищають ці ділянки від дії нуклеаз (рис. 4-8).
Рис. 4-8. Структура Нуклеос.
Вісім молекул гістонів (Н2А, Н2В, НЗ, Н4) 2 складають ядро нуклеосоми, навколо якого ДНК утворює приблизно 1,75 витка. ДНК. Амінокислотні залишки лізину, аргініну та кінцеві аміногрупи гістонів можуть модифікуватися: ацетилюватися, фосфорилуватися, метилюватись або взаємодіяти з білком убіквітіном (негі-стоновий білок). Модифікації бувають оборотними та незворотними, вони змінюють заряд і конформацію гістонів, а це впливає на взаємодію гістонів між собою та з ДНК. Активність ферментів, відповідальних модифікації, регулюється і від стадії клітинного циклу. Модифікації уможливлюють конформаційні перебудови хроматину.
Негістонові білки хроматину.У ядрі еукаріотичної клітини присутні сотні найрізноманітніших ДНК-зв'язуючих негістонових білків. Кожен білок комплементарний певній послідовності нуклеотидів ДНК (Сайт ДНК).До цієї групи відносять сімейство сайт-специфічних білків типу "цинкові пальці" (див. розділ 1). Кожен "цинковий палець" дізнається певний сайт, що складається з 5 нуклеотидних пар. Інше сімейство сайт-специфічних білків – гомодімери. Фрагмент такого білка, який контактує з ДНК, має структуру "спіраль-поворот-спіраль" (див. розділ 1). До групи структурних і регуляторних білків, які асоційовані з хроматином, відносять білки високої рухливості ( HMG-білки- від англ. high mobility gel proteins). Вони мають молекулярну масу менше 30 кД та характеризуються високим вмістом заряджених амінокислот. Завдяки невеликій молекулярній масі HMG-білки мають високу рухливість при електрофорезі в поліакриламідному гелі. До негістонових білків належать також ферменти реплікації, транскрипції та репарації. За участю структурних, регуляторних білків і ферментів, що беруть участь у синтезі ДНК і РНК, нитка нуклеосом перетворюється на висококонденсований комплекс білків і ДНК. Утворена структура у 10 000 разів коротша за вихідну молекулу ДНК.
Зміст статті
НУКЛЕЇНОВІ КИСЛОТИ– біологічні полімерні молекули, що зберігають всю інформацію про окремий живий організм, що визначають його зростання та розвиток, а також спадкові ознаки, що передаються наступному поколінню. Нуклеїнові кислоти є ядрами клітин всіх рослинних та тваринних організмів, що визначило їх назву (лат . nucleus - Ядро).
Склад полімерного ланцюга нуклеїнових кислот.
Полімерний ланцюг нуклеїнових кислот зібраний із фрагментів фосфорної кислоти Н 3 РО 3 та фрагментів гетероциклічних молекул, що являють собою похідні фурану. Є лише два види нуклеїнових кислот, кожна побудована на основі одного з двох типів таких гетероциклів – рібози або дезоксирибози (рис. 1).
Рис. 1. БУДОВА РИБОЗИ ТА ДЕЗОКСИРИБОЗИ.
Назва рибоза (від лат . Rib – ребро, скріпка) має закінчення – оза, що свідчить про приналежність до класу цукрів (наприклад, глюкоза, фруктоза). У другої сполуки немає групи ВІН (окси-група), яка у рібозі відзначена червоним кольором. У зв'язку з цим утричі з'єднання називають дезоксирибозою, тобто рибоза, позбавлена окси-групи.
Полімерний ланцюг, побудований з фрагментів рибози та фосфорної кислоти, є основою однієї з нуклеїнових кислот –рибонуклеїнової кислоти (РНК). Термін «кислота» в назві цієї сполуки вжито тому, що одна з кислотних груп ВІН фосфорної кислоти залишається незаміщеною, що надає всієї сполуки слабокислого характеру. Якщо замість рибози в утворенні полімерного ланцюга бере участь дезоксирибоза, утворюється дезоксирибонуклеїнова кислота, для якої повсюдно прийнято широко відоме скорочення ДНК.
Структура ДНК.
Молекула ДНК служить відправною точкою у процесі зростання та розвитку організму. На рис. 2 показано, як об'єднуються в полімерний ланцюг два типи вихідних сполук, що чергуються, показаний не спосіб синтезу, а принципова схема складання молекули ДНК.
В остаточному варіанті полімерна молекула ДНК містить у бічному обрамленні азотовмісні гетероцикли. В освіті ДНК беруть участь чотири типи таких сполук, два з них є шестичленними циклами, а два – конденсованими циклами, де шестичленне кільце спаяно з п'ятичленним (рис. 3).
Рис. 3. БУДОВА АЗОТМІСНИХ ГЕТЕРОЦИКЛІВ, що входять до складу ДНК
На другому етапі складання до вільних груп ВІН дезоксирибози приєднуються показані вище азотовмісні гетероциклічні сполуки, утворюючи у полімерного ланцюга бічні підвіски (рис. 4).
Приєднані до полімерного ланцюга молекули аденіну, тиміну, гуаніну та цитозину позначають першими літерами назв вихідних сполук, тобто, А, Т, Гі Ц.
Сама полімерна ланцюг ДНК має певну спрямованість - при уявному просуванні вздовж молекули в прямому і зворотному напрямку одні й ті ж угруповання, що входять до складу ланцюга, зустрічаються по дорозі в різній послідовності. При русі в одному напрямку від одного атома фосфору до іншого спочатку по дорозі йде група СН 2 , а потім дві групи СН (атоми кисню можна не брати до уваги), при русі в протилежному напрямку послідовність цих груп буде зворотною (рис. 5) .
Рис. 5. НАПРЯМОК Полімерного ланцюга ДНК. При описі того, в якому порядку чергуються приєднані гетероцикли прийнято використовувати прямий напрямок, тобто від групи СН 2 до груп СН.
Саме поняття «напрямок ланцюга» допомагає зрозуміти те, як розташовані два ланцюги ДНК при їх об'єднанні, а також має пряме відношення до синтезу білка.
На наступній стадії дві молекули ДНК об'єднуються, розташовуючись таким чином, щоб початок та кінці ланцюгів були спрямовані у протилежні сторони. В цьому випадку гетероцикли двох ланцюгів звернені назустріч один одному і опиняються розташованими якимось оптимальним чином, мається на увазі, що між парами угруповань С=О і NH 2 , а також між є N і NH=, що входять до складу гетероциклів, виникають водневі зв'язки ( см. Водневий зв'язок). На рис. 6 показано, як розташовані два ланцюги щодо один одного і як при цьому виникають водневі зв'язки між гетероциклами. Найважливіша деталь – у тому, що пари, пов'язані водневими зв'язками, жорстко визначені: фрагмент Азавжди взаємодіє з Т, а фрагмент Г- Завжди з Ц. Строго певна геометрія цих груп призводить до того, що ці пари виключно точно підходять одна одній (як ключ до замку), пара А-Тпов'язана двома водневими зв'язками, а пара Г-Ц- трьома зв'язками.
Водневі зв'язки помітно слабші за звичайні валентні зв'язки, але з-за великої їх кількості вздовж усієї полімерної молекули з'єднання двох ланцюгів стає досить міцним. У молекулі ДНК міститься десятки тисяч груп А, Т, Гі Ці порядок їх чергування в межах однієї полімерної молекули може бути різним, наприклад, на певній ділянці ланцюга послідовність може мати вигляд: - А-А-Т-Г-Ц-Г-А-Т-. Оскільки взаємодіючі групи суворо визначені, то на ділянці другої полімерної молекули, що протилежить, обов'язково буде послідовність – Т-Т-А-Ц-Г-Ц-Т-А-. Таким чином, знаючи порядок розташування гетероциклів в одному ланцюзі, можна вказати їх розміщення в іншому ланцюзі. З цієї відповідності випливає, що сумарно у здвоєній молекулі ДНК кількість груп Аодно кількості груп Т, а кількість груп Г– кількості Ц(Правило Е. Чаргаффа).
Дві молекули ДНК, пов'язані водневими зв'язками, показано на рис. 5 у вигляді двох плоско лежачих ланцюгів, проте насправді вони розташовуються іншим чином. Справжній напрямок у просторі всіх зв'язків, що визначається валентними кутами та стягуючими водневими взаємодіями, призводить до певного вигину полімерних ланцюгів та повороту площини гетероциклів, що приблизно показано в першому відеофрагменті рис. 7 за допомогою структурної формули. Набагато точніше усю просторову конструкцію можна передати лише за допомогою об'ємних моделей (рис. 7, другий відеофрагмент). При цьому виникає складна картина, тому прийнято використовувати спрощені зображення, які особливо широко застосовують при зображенні структури нуклеїнових кислот білків. У разі нуклеїнових кислот полімерні ланцюги зображують у формі плоских стрічок, а гетероциклічні угруповання А, Т, Гі Ц– у вигляді бічних стрижнів або простих валентних штрихів, що мають різні кольори, або містять на кінці буквені позначення відповідних гетероциклів (рис. 7, третій відеофрагмент).
Під час повороту всієї конструкції навколо вертикальної осі (рис. 8) чітко видно спіральну форму двох полімерних молекул, які ніби навиті на поверхню циліндра, це широко відома подвійна спіраль ДНК.
За такого спрощеного зображення не зникає основна інформація – порядок чергування угруповання А, Т, Гі Ц, Який визначає індивідуальність кожного живого організму, вся інформація записана чотирилітерним кодом
Будова полімерного ланцюга та обов'язкова присутність чотирьох типів гетероциклів однотипна для всіх представників живого світу. У всіх тварин та вищих рослин кількість пар А – Тзавжди трохи більше, ніж пара Г – Ц. Відмінність ДНК ссавців від ДНК рослин у тому, що у ссавців пара А – Тна всьому протязі ланцюга зустрічається ненабагато частіше (приблизно в 1,2 рази), ніж пара Г – Ц. У разі рослин перевага першої пари набагато помітніша (приблизно в 1,6 раза).
ДНК – одна з найбільших відомих на сьогодні полімерних молекул, у деяких організмів її полімерний ланцюг складається із сотень мільйонів ланок. Довжина такої молекули досягає кількох сантиметрів, це дуже велика величина молекулярних об'єктів. Т.к. поперечний переріз молекули всього 2 нм (1нм = 10 -9 м), то її пропорції можна порівняти із залізничною рейкою завдовжки десятки кілометрів.
Хімічні властивості ДНК.
У воді ДНК утворює в'язкі розчини, при нагріванні таких розчинів до 60° С або при дії лугів подвійна спіраль розпадається на дві складові ланцюги, які можуть об'єднатися, якщо повернутися до вихідних умов. У слабокислих умовах відбувається гідроліз, в результаті частково розщеплюються фрагменти -Р-О-СН 2 - з утворенням фрагментів -Р-ОН і НО-СН 2 відповідно в результаті утворюються мономерні, димерні (здвоєні) або тривимірні (потроєні) кислоти, що являють собою ланки, з яких було зібрано ланцюг ДНК (рис. 9).
Рис. 9. ФРАГМЕНТИ, ЩО ОТРИМАЮТЬСЯ ПРИ РОЗЩЕПЛЕННІ ДНК.
Глибокіший гідроліз дозволяє відокремити ділянки дезоксирибози від фосфорної кислоти, а також угруповання. Гвід дезоксирибози, тобто більш детально розібрати молекулу ДНК на складові компоненти. При дії сильних кислот (крім розпаду фрагментів –Р(О)-О-СН 2 -) відщеплюються та угруповання Аі Г. Дія інших реагентів (наприклад, гідразину) дозволяє відокремити угруповання Ті Ц. Більш делікатне розщеплення ДНК на компоненти проводять за допомогою біологічного препарату – дезоксирибонуклеази, що виділяється з підшлункової залози. азазавжди вказує на те, що дана речовина є каталізатором біологічного походження – фермент). Початкова частина назви дезоксирибонуклеаза- Вказує, яке саме з'єднання розщеплює цей фермент. Всі зазначені способи розщеплення ДНК орієнтовані насамперед на детальний аналіз її складу.
Найважливіша інформація, що міститься в молекулі ДНК, - порядок чергування груп А, Т, Гі Ц, її одержують за допомогою спеціально розроблених методик. Для цього створено широкий набір ферментів, які знаходять у молекулі ДНК строго певну послідовність, наприклад, Ц-T-Г-Ц-A-Г(а також відповідну їй послідовність на протилежному ланцюзі Г-А-Ц-Г-Т-Ц) і вичленюють її зі складу ланцюга. Такою властивістю володіє фермент Pst I (торгове найменування, воно утворюється з назви того мікроорганізму P rovidencia st uartii, з якого одержують цей фермент). При використанні іншого ферменту Pal I вдається знайти послідовність Г-Г-Ц-Ц. Далі зіставляються результати, отримані при дії широкого набору різних ферментів за попередньо розробленою схемою, в результаті вдається визначити послідовність таких груп на певній ділянці ДНК. Зараз подібні методики доведені до стадії широкого застосування, вони використовуються в найрізноманітніших галузях, далеких від наукових біохімічних досліджень, наприклад, при ідентифікації останків живих організмів або встановленні ступеня спорідненості.
Структура РНК
багато в чому нагадує ДНК, відмінність у цьому, що у основної ланцюга фрагменти фосфорної кислоти чергуються з рибозою, а чи не з дезоксирибозой (рис.). Друга відмінність – до бокового обрамлення приєднується гетероцикл урацил ( У) замість тиміну ( Т), інші гетероцикли А, Гі Цті ж, що в ДНК. Урацил відрізняється від тиміну відсутністю метильної групи, приєднаної до циклу, на рис. 10 ця мітильна група виділена червоним кольором.
Рис. 10. ВІДМІННІСТЬ ТИМІНУ ВІД УРАЦИЛУ- Відсутність у другого з'єднання метильної групи, виділеної в тіміні червоним кольором.
Фрагмент молекули РНК показано на рис. 11, порядок прямування угруповань А, У, Гі Ц, і навіть їх кількісне співвідношення може бути різним.
Рис.11. ФРАГМЕНТ МОЛЕКУЛИ РНК. Основна відмінність від ДНК – наявність угруповань ВІН у рибозі (червоний колір) та фрагмента урацилу (синій колір).
Полімерний ланцюг РНК приблизно в десять разів коротший, ніж у ДНК. Додаткова відмінність у тому, що молекули РНК не поєднуються в подвійні спіралі, що складаються з двох молекул, а зазвичай існують у вигляді одиночної молекули, яка на деяких ділянках може утворювати сама собою дволанцюгові спіральні фрагменти, що чергуються з лінійними ділянками. На спіральних ділянках взаємодія пар дотримується так само, як у ДНК. Пари, пов'язані водневими зв'язками та формують спіраль ( А-Уі Г-Ц), виникають на тих ділянках, де розташування груп виявляється сприятливим для такої взаємодії (рис. 12).
Для переважної більшості живих організмів кількісний вміст пар А-Убільше ніж Г-Ц, у ссавців у 1,5-1,6 рази, у рослин – у 1,2 рази. Існує кілька типів РНК, ролі, що у живому організмі різні.
Хімічні властивості РНК
нагадують властивості ДНК, проте наявність додаткових груп ВІН у рибозі і менший (порівняно з ДНК) вміст стабілізованих спіральних ділянок робить молекули РНК хімічно вразливішими. При дії кислот або лугів основні фрагменти полімерного ланцюга Р(О)-О-СН 2 легко гідролізуються, угруповання А, У, Гі Цвідщеплюються легше. Якщо потрібно отримати мономерні фрагменти (подібні до тих, що на рис. 9), зберігши при цьому хімічно пов'язані гетероцикли, використовують делікатно діючі ферменти, звані рибонкулеазами.
Участь ДНК та РНК у синтезі білків
- Одна з основних функцій нуклеїнових кислот. Білки – найважливіші компоненти кожного живого організму. М'язи, внутрішні органи, кісткова тканина, шкірний та волосяний покрив ссавців складаються з білків. Це полімерні сполуки, які збираються у живому організмі з різних амінокислот. У такому складання керуючу роль грають нуклеїнові кислоти, процес проходить у дві стадії, причому на кожній з них визначальний фактор - взаємоорієнтація азотовмісних гетероциклів ДНК і РНК.
Основне завдання ДНК – зберігати записану інформацію та надавати у той момент, коли починається синтез білків. У зв'язку з цим зрозуміла підвищена хімічна стійкість ДНК проти РНК. Природа подбала про те, щоб зберегти якомога основну інформацію недоторканною.
На першій стадії частина подвійної спіралі розкривається, гілки, що звільнилися, розходяться, і на групах А, Т, Гі Ц, що виявилися доступними, починається синтез РНК, званої матричної РНК, оскільки вона як копія з матриці точно відтворює інформацію, записану на ділянці ДНК, що розкрилася. Навпроти групи А, Що належить молекулі ДНК, розташовується фрагмент майбутньої матричної РНК, що містить групу У, Решта групи розташовуються один навпроти одного в точній відповідності з тим, як це відбувається при утворенні подвійної спіралі ДНК (рис. 13).
За вказаною схемою утворюються полімерна молекула матричної РНК, що містить кілька тисяч мономерних ланок.
На другому етапі матрична ДНК переміщається з ядра клітини в навколоядерний простір – цитоплазму. До отриманої матричної РНК підходять звані транспортні РНК, які несуть із собою (транспортують) різні амінокислоти. Кожна транспортна РНК, навантажена певною амінокислотою, наближається до строго обумовленої ділянки матричної РНК, потрібне місце виявляється за допомогою того ж принципу взаємовідповідності груп А
Важлива деталь полягає в тому, що тимчасова взаємодія матричної та транспортної РНК проходить всього за трьома групами, наприклад, до тріади. Ц-Ц-Уматричної кислоти може підійти лише відповідна їй трійка Г-Г-Атранспортної РНК, яка неодмінно несе із собою амінокислоту глицин (рис. 14). Так само до тріади Г-А-Уможе наблизитись лише набір Ц-У-А, що транспортує тільки амінокислоту лейцин Таким чином, послідовність груп матричної РНК вказує, в якому порядку повинні з'єднуватися амінокислоти. Крім того, система містить в закодованому вигляді додаткові регулюючі правила, деякі послідовності трьох груп матричної РНК вказує на те, що в цьому місці синтез білка повинен зупинитися, тобто. молекула досягла необхідної довжини.
Показаний на рис. 14 синтез білка відбувається за участю ще одного – третього виду РНКислот, вони входять до складу рибосом і тому їх називають рибосомними. Рибосома, що є ансамблем певних білків рибосомних РНК, забезпечує взаємодію матричної та транспортної РНК, граючи роль конвеєрної стрічки, яка пересуває матричну РНК на один крок після того, як відбулося з'єднання двох амінокислот.
Основний сенс двостадійної схеми, показаної на рис. 13 і 14, полягає в тому, що полімерний ланцюг білкової молекули збирається з різних амінокислот в наміченому порядку і строго за планом, який був записаний в закодованому вигляді на певному ділянці ДНК. Таким чином, ДНК є відправною точкою всього цього запрограмованого процесу.
У процесі життєдіяльності білки постійно витрачаються, тому вони регулярно відтворюються за описаною схемою, весь синтез білкової молекули, що складається з сотень амінокислот, проходить в живому організмі приблизно протягом однієї хвилини.
Перші дослідження нуклеїнових кислот були проведені в другій половині 19 ст., розуміння того, що в ДНК зашифрована вся інформація про живий організм, прийшло в середині 20 ст., Структуру подвійної спіралі ДНК встановили в 1953 Дж.Уотсон і Ф.Крік на підставі даних рентгеноструктурного аналізу, що визнано найбільшим науковим досягненням 20-го століття. У 1970-х років 20 в. з'явилися методики розшифровки детальної структури нуклеїнових кислот, а потім були розроблені способи їх спрямованого синтезу. Сьогодні зрозумілі далеко не всі процеси, що відбуваються в живих організмах за участю нуклеїнових кислот, і сьогодні це одна з областей науки, що найбільш інтенсивно розвиваються.
Михайло Левицький
