СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ

СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ

• Существуют два вида нуклеиновых кислот (НК) – дезоксирибонуклеиновая (ДНК) и рибонуклеиновая (РНК) кислоты. • НК бывают одноцепочечными и двухцепочечными, линейными и кольцевыми: 2

НК по своей природе являются полимерами, достигающих огромных размеров. Например, молекула ДНК E. coli имеет относительную массу 2, 6*1010 и длину – 1, 4 мм. Длина ДНК эукариот может составлять несколько см, а относительная масса 1010 – 1011. НК являются обязательными компонентами всех живых существ. Они всегда присутствуют в клетках эукариот и прокариот, входят также в состав вирусов. ДНК в клетках эукариот сосредоточена главным образом в ядре клетки, кроме того, в меньших количествах эта НК содержится в митохондриях и хлоропластах. В клетках прокариот наряду с основной хромосомной ДНК существуют более мелкие молекулы ДНК – плазмиды. Многие вирусы в качестве генетической НК содержат в своем составе одноцепочечную (кольцевую или линейную) или двухцепочечную (кольцевую или линейную) ДНК. В состав других вирусов в качестве генетической НК входит одноцепочечная (кольцевая или 3 линейная) или двухцепочечная линейная РНК.

РНК в клетках эукариот и прокариот играет важнейшую роль в синтезе белка. В связи с этим различают информационные, или матричные, РНК (и. РНК или м. РНК) – в них записана информация о первичной структуре белка; рибосомные РНК (р. РНК) – входят в состав рибосом; транспортные РНК (т. РНК) – обеспечивают расшифровку генетической информации и доставку аминокислот к месту синтеза белка. Среди функций выполняемых НК выделяют три главные: 1) хранение генетической информации: 2) передача генетической информации; 3) реализация генетической информации. НК также выполняют и другие функции: катализируют некоторые химические реакции, осуществляют структурные, регуляторные и др. функции. 4

Генетическая информация передается от родителей к по томкам, от материнской клетки дочерним. Дочерние клетки по лучают генетическую информацию идентичную материнской. Это происходит вследствие того, что перед делением клетки осуществляется репликация ДНК, в результате этого образуются две идентичные молекулы ДНК, которые и передаются дочерним клеткам. Закодированная в ДНК генетическая информация в процессе ее реализации переписывается на и. РНК. Этот процесс носит название транскрипция. и. РНК используется в качестве матрицы для синтеза закодированного в ней белка. Существует поток информации и в направлении от РНК к ДНК, этот процесс называется обратная транскрипция. 5

Описанные информационные взаимоотношения получили название «основная догма молекулярной биологии» и могут быть представлены в виде схемы: 6

СОСТАВ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ В состав НК входят остатки азотистого основания, пенто зы и фосфорной кислоты. Среди азотистых оснований выделяют пиримидиновые и пуриновые основания, которые называют также пиримидины и пурины. Пиримидиновые основания пуриновые основания – являются производными пурина: пиримидина: 7

К пиримидинам относятся: к пуринам: В состав ДНК входят азотистые основания: тимин, цитозин, аденин и гуанин, в состав РНК – урацил, цитозин, аденин и гуанин. 8

9

Молекулярная биология возникла во второй половине XX в. Название этой науки чаще всего связывают с именем У. Эстбюри, который в 1939 г. назвал себя «молекулярным биологом» . Через два года он же получил первую рентгенограмму ДНК и тем самым положил начало изучению тонкой структуры «самой главной молекулы» , впервые выявленной Ф. Мишером еще в 1869 г. Первое официальное упоминание о молекулярной биологии, вероятно, принадлежит У. Уиверу, руководившему отделом естественных наук Рокфеллеровского фонда, который в 1938 г. написал: «В тех пограничных областях, где химия и физика пересекаются с биологией, постепенно возникает новый раздел науки — молекулярная биология, начинающая приоткрывать завесы над многими тайнами, окугывающим основные элементы живой клетки» . Таким образом было постулировано возникновение нового направления современной биологии, которое интегрировало усилия биологов, химиков и физиков в области изучения объектов живой природы. Центром молекулярно-биологических исследований стали работы в области изучения материальных основ наследственности, природы генов и механизмов передачи наследственных признаков из поколения в поколение.

В 1869 г. – Ф. Мишер из ядер лейкоцитов человека, а затем из спермы лосося выделил вещество, которое он назвал «нуклеином» . В конце ХIX века было установлено, что кислый компонент «нуклеина» является нуклеиновой кислотой, которая содержит азотистые основания (пурины и пиримидины), углевод и фосфорную кислоту (рис. 1).

Пиримидиновые основания Пуриновые основания Рис. 1. Компоненты нуклеиновых кислот: азотистое основание (аденин, гуанин, цитозин и тимин), дезоксирибоза и остаток фосфорной кислоты.

• К 30 м годам ХX века П. Ливен с сотрудниками установил, что азотистое основание, углевод и фосфорная кислота соединены в блоки – нуклеотиды расположенные вдоль линейной молекулы нуклеиновой кислоты. Нуклеотидов оказалось четыре: аденин, гуанин, цитозин и тимин. (рис. 1), Поскольку углеводный компонент оказался дезоксирибозой, кислота получила название дезоксирибонуклеиновой – ДНК. Вместе с ядерной была выделена цитоплазматическая нуклеиновая кислота, которая в качестве углевода содержала рибозу и поэтому получила название рибонуклеиновой – РНК. • В 40 50 гг. ХХ века Э. Чаргафф разработал точные методы определения количества азотистых оснований и устано вил, что в ДНК сумма пуринов равна сумме пиримидинов (А+Г=Т+Ц, ) и количество аденина равно количеству тимина (А=Т), а гуанина – цитозину (Г=Ц).

Рис. 2. Нуклеотиды аденин, гуанин, цитозин и тимин, каждый из которых состоит из дезоксирибозы, остатка фосфорной кислоты и соответствующего азотистого основания

Рис. 3 Строение одной цепочки ДНК

• На основе рентгеноструктурного анализа Р. Франклин и М. Уилкинс в 1953 г. получили данные, указывающие на то, что ДНК имеет двухцепочечную структуру в форме спирали.

• В 1953 г. Дж. Уотсон и Ф. Крик основываясь на данных Чаргаффа и Франклин построили пространственную модель молекулы ДНК и истолковали ее роль как носителя генетической инфор мации. Согласно их модели молекула ДНК состоит из двух полинуклеотидных комплементарных цепочек закрученных в двойную спираль (рис. 4). ЦГ ТА ГЦ АТ ГЦ ГЦ • Азотистые основания нуклеотидов обеих цепей ДНК заключены внутри между вит ками спирали и соединены водородными связями. В соответствии с правилами Чар гаффа аденин одной цепи связан только с тимином другой цепи, а гуанин – только с цитозином. Пара аденин-тимин соедине на двумя водородными связями, а пара гуанин-цитозин – тремя (рис. 5). Такой порядок соответствия азотистых основа Рис. 4. Модель двухцепо ний (А=Т и Г=Ц) называется комплеменчечной структуры ДНК по тарностью, и, следовательно, цепи в ДНК Уотсону и Крику комплементарны другу. ТА ТА ТА ЦГ ТА 3’ 5’

• В каждой из цепей ДНК нуклеотиды последовательно соединены друг с другом с помощью остатка фосфорной кислоты и молекулы дезоксирибозы. Дезоксирибоза связывается с одной молекулой фосфорной кислоты через углерод в положении 3', а с дру гой– через углерод 5', образуя сахаро фосфатный остов. • Следует отметить, что обе цепи в молекуле ДНК имеют противополож ную направленность. Межнуклеотид ная связь в одной цепи имеет направ ление 5' 3', а в другой 3' 5' (рис. 5). Рис. 5 Схема отрезка молекулы ДНК

Различные таутомерные формы гуанина и тимина, которые могут входить в состав ДНК. (Атомы водорода, способны изменять свое расположение, заштрихованы)

Пары аденин тимин и гуанин цитозин, вошедшие в состав модели двойной спирали (пунктиром показаны водородные связи).

3, 4 нм

В зависимости от концентрации ионов и нуклеотидного состава молекулы, двойная спираль ДНК существует в разных формах. На рисунке представлены формы A, B и Z

• С развитием физико-химических методов выделения ДНК из различных организмов модель, разработанная Уотсоном и Криком была подтверждена экспериментально. Однако предстояло установить, как ДНК копируется (реплицируется) и кодирует синтез белка.

• РНК отличается от ДНК тем, что у нее углеводом является рибоза вместо дезоксирибозы. Кроме того, вместо нуклеотида тимина у нее урацил (рис. 6). И наконец, в отличие от ДНК она имеет в основном одноцепочечное строение. Рис. 6. Нуклеотид урацил состоящий из рибозы, остатка фосфорной кислоты и азотистого основания урацил • В 1962 г. Э. Волкин и Л. Астрохан обнаружили, что при синтезе белка в клетках E. coli, зараженных фагом Т 2 резко усиливается синтез короткоживущих молекул РНК, которые были комплементарны одной из цепей фага Т 2, но не ДНК E. coli. Позднее в многочисленных экспериментах было показано, что наследственная информация, записанная в ДНК (гене), точно транскрибируется (переписывается) в нуклеотидную последова тельность короткоживущих и-РНК, которые определяют синтез конкретных белков у всех организмов.

Рис. 7. т. РНК с антикодоном ЦГУ, доставляющая к месту синтеза белка аминокислоту аланин Роль т. РНК заключается в том, что они переносят аминокислоты к рибосомам и участвуют в процессе синтеза белка. Транспортные РНК, которых насчитывается более 60 ти, состоят из 75 90 нуклеотидов и имеют структуру в виде клеверного листа (рис. 7). Каждая аминокислота присоединяется к определенной т. РНК. На одном конце т. РНК находится акцепторный триплет ЦЦА, к аденину которого присоединяется специфи ческая аминокислота. На другом конце (в антикодонной петле) каждой т. РНК находится антикодон – специфический триплет, с помо щью которого т. РНК «узнает» соответствую щий комплементарный кодон в и. РНК, и тем самым определяет место, куда должна быть поставлена данная аминокислота в синтези руемой молекуле белка. Боковые петли т. РНК, по видимому, используются для связывания с рибосомой и со специфической аминоацил т. РНК синтетазой.

• Рибосомные РНК. Размер рибосомных р. РНК составляет 120– 3100 нуклеотидов. Они служат каркасом рибосом и способствуют первоначальному связыванию и. РНК с рибосомой в ходе биосинтеза белка. • Рибосомы являются клеточными органеллами, на которых протекает процесс биосинтеза белка. Их число в клетке прокариот составляет примерно ≈ 104, а у эукариот ≈ 105. В период синтеза белка рибосомы могут объединяться в полисомы. Рибосомы состоят из двух субъединиц разного размера и формы. Размер эукариотической рибосомы составляет 80 S (S – ед. Сведберга, характеризующая скорость седиментации при центрифуги ровании). Большая субъединица величиной 60 S состоит из р. РНК трех типов 28 S, 5 S и 5, 8 S и 50 белков, а малая величиной 40 S из 18 S р. РНК и 33 белков. У прокариот рибосома имеет величину 70 S и состоит из боль шой(50 S) субъединицы, в состав которой входит 23 S и 5 S р. РНК, а также 34 белка и малой (30 S), состоящей из 16 S р. РНК и 21 белка.

Рис. 8. Схематическое изображение основных этапов трансляции на рибосомах (А инициация, Б элонгация, В

Лекция закончена! 30