Структура и функции нуклеиновых кислот

Структура и функции нуклеиновых кислот Выполнил: магистрант 1 года обучения Ренфельд Ж. В. Проверил: к. б. н. доц. Поцелуева М. М.

Нуклеиновые кислоты - высокомолекулярные гетерополимеры, мономерами которых являются нуклеотиды. Они играют главную роль в передаче наследственных признаков (генетической информации) и управлении процессом биосинтеза белка. Различают 2 типа нуклеиновых кислот : дезоксирибонуклеиновые (ДНК) и рибонуклеиновые (РНК). Фридрих Иоганн Мишер (1844 -1895) ‒ швейцарский физиолог, гистолог и биолог, открыл нуклеиновые кислоты. 2

Локализация ДНК в клетке • 1) в прокариотической клетке ДНК находится в цитоплазме и представлена нуклеоидом. Единственная крупная кольцевая (у некоторых видов — линейная) двухцепочечная молекула ДНК, в которой содержится основная часть генетического материала клетки (так называемый нуклеоид) не образует комплекса с белками-гистонами. Кроме хромосомы в клетке прокариот могут присутствовать плазмиды и эписомы. • 2) в эукариотической клетке ДНК находится преимущественно в хромосомах клеточного ядра (99% всей ДНК клетки), а также в митохондриях и хлоропластах. Эукариотические ДНК имеют линейную двухцепочечную структуру. Кроме того, третичная структура ДНК у эукариотических клеток отличается тем, что многократная спирализация ДНК сопровождается образованием комплексов с белками гистонами. Митохондриальные ДНК – это двухцепочечные кольцевые молекулы малого размера. Молекулы ДНК в хлоропластах значительно больше, чем в митохондриях. ДНК митохондрий и хлоропластов не связана с гистонами. 3

Митохондриальная ДНК Митохондриальная ДНК (мт. ДНК) — ДНК, находящаяся (в отличие от ядерной ДНК) в митохондриях, органоидах эукариотических клеток. У млекопитающих каждая молекула мт. ДНК содержит 15000 -17000 пар и содержит 37 генов — 13 кодируют белки, 22 — гены т. РНК, 2 — р. РНК (по одному гену для 12 S и 16 S р. РНК). Особенности митохондриальной ДНК: • кодон AUA кодирует в митохондриальном геноме метионин (вместо изолейцина в ядерной ДНК), кодоны AGA и AGG — терминаторные кодоны (в ядерной ДНК кодируют аргинин), кодон UGA в митохондриальном геноме кодирует триптофан • Количество генов т. РНК (22 гена) меньше, чем в ядерном геноме с его 32 генами т. РНК • В человеческом митохондриальном геноме информация настолько сконцентрирована, что в последовательностях кодирующих м. РНК, как правило, частично удалены нуклеотиды, соответствующие 3'-концевым терминаторным кодонам. 4

Структурные элементы нуклеиновых кислот Нуклеиновые кислоты состоят из последовательности химически связанных структурных единиц ‒ нуклеотидов. Каждый нуклеотид построен из трёх компонентов: • Моносахарид пентоза (рибоза или дезоксирибоза); • Азотистое основание ( производное пурина или пиримидина); • остаток фосфорной кислоты. 5

6

Моносахарид пентоза фосфатные группы: 7

Нуклеозиды – это N-гликозиды, образованные нуклеиновыми основаниями и рибозой или дезоксирибозой. 8

Нуклеотиды Нуклеотиды– это эфиры нуклеозидов и фосфорной кислоты (нуклеозидфосфаты). Сложноэфирную связь с фосфорной кислотой образует ОН группа в положении 5/ или 3/ моносахарида. В зависимости от природы моносахаридного остатка нуклеотиды делят на рибонуклеотиды(структ урные элементы РНК) и дезоксирибонуклеотиды (структурные элементы ДНК). 9

Первичная структура нуклеиновых кислот Под первичной структурой нуклеиновых кислот понимают порядок, последовательность расположения мононуклеотидов в полинуклеотидной цепи ДНК или РНК. Такая цепь стабилизируется 3', 5'- фосфодиэфирными связями. 10

Правило Э. Чаргаффа § Количество аденина равно количеству тимина, а гуанина — цитозину: А=Т, Г=Ц. § Количество пуринов равно количеству пиримидинов: А+Г=Т+Ц. § Количество оснований, содержащих аминогруппу в положении 4 пиримидинового и 6 пуринового ядер, равно количеству оснований, содержащих в этом же положении оксогруппу: Эрвин Чаргафф А+Ц=Г+Т. 11

Модель структуры ДНК Уотсона-Крика Основные черты этой модели: • Молекула ДНК построена из двух полинуклеотидных цепей, ориентированных антипараллельно и связанных друг с другом водородными связями. • Водородные связи между цепями образуются за счёт специфического взаимодействия между комплементарными основаниями противоположных цепей. • Первичная структура одной цепи молекулы ДНК комплементарна первичной структуре другой цепи. Это легко понять, рассматривая следующую схему: • Обе цепи закручены в спираль, имеющую общую ось; цепи могут быть разделены только путем раскручивания. 12

Вторичная структура ДНК Структура ДНК стабилизируется следующими связями: 1) Нуклеотиды в молекулах нуклеиновых кислот соединены между собой посредством 3’, 5’-фосфодиэфирной связи. 2) Навитые одна на другую полинуклеотидные цепи удерживаются вместе водородными связями, образующимися между комплементарными основаниями противоположных цепей. 3) Гидрофобные взаимодействия между основаниями (стэкинг взаимодействия). 13

Формы двойных спиралей и их характеристики ДНК может формировать несколько типов двойных спиралей. Формы спирали Свойства А В С Z Направление напр Нале скрученности аво аво во Расстояние между 0, 23 0, 34 0, 38 соседними парами оснований (нм) Число пар 10, 7 10, 0 9, 3 12 оснований в одном витке спирали Диаметр спирали 2, 3 2, 0 1, 9 1, 8 (нм) Угол наклона +19 -1, 2 -6 -9 Рис. 1 Формы организации двухцепочечной ДНК. оснований к оси I ‒ вид с торца, II ‒ вид сбоку, чёрно-белая спираль ‒ спирали (градусы) упрощённая схема. 14

Типы и структура РНК Рибосомальная РНК – одна из самых крупных молекул РНК, содержит от 3 тыс. до 5 тыс. нуклеотидов. Синтезируется в ядрышке. Затем она, объединяясь с белками, образует большую и малую субъединицы рибосом. В составе рибосом РНК выполняет структурную функцию, а также участвует в синтезе полипептидов. На долю р-РНК приходится 85% всей РНК клетки. Матричная, или информационная, РНК – служит матрицей для синтеза полипептида во время трансляции. Содержится в ядре, цитоплазме, а также в митохондриях и пластидах. Молекулы м-РНК содержат от 100 -10000 нуклеотидов и имеют линейную структуру. На ее долю приходится 5%общего содержания РНК в клетке. Транспортная РНК– имеет наиболее короткие цепи, состоящие из 70 -100 нуклеотидов. Содержится в цитоплазме клеток, в митохондриях и пластидах. Все т- РНК вследствие образования водородных связей между комплементарными азотистыми основаниями разных участков цепи, приобретают вторичную структуру, в двухмерном изображении напоминающую клеверный лист. В т-РНК два активных центра: аминоацильный на 3’-конце и антикодон на антикодоновой петле. Максимальное число т-РНК в клетке – 61, но обычное их количество колеблется от 20 до 40. Основная функция т-РНК состоит в переносе аминокислот к месту синтеза белка в рибосомах. На долю т-РНК приходится примерно 15% всей РНК, содержащейся в клетке. 15

Функции нуклеиновых кислот Хранение (носители) генетической информации Генетическая информация записана в генах. В них закодирована первичная структура белков. Передача генетической информации дочерним клеткам при делении и организмам при их размножении Передача осуществляется посредством репликации. Участие в реализации генетической информации (синтез белка) реализация наследственной информации в клетке осуществляется в два этапа: сначала информация о структуре белка копируется с ДНК на и. РНК (транскрипция), а затем реализуется на рибосоме в виде конечного продукта — белка (трансляция). ДНК → РНК → белок 16