АкушерствоАнатомияАнестезиологияВакцинопрофилактикаВалеологияВетеринарияГигиенаЗаболеванияИммунологияКардиологияНеврологияНефрологияОнкологияОториноларингологияОфтальмологияПаразитологияПедиатрияПервая помощьПсихиатрияПульмонологияРеанимацияРевматологияСтоматологияТерапияТоксикологияТравматологияУрологияФармакологияФармацевтикаФизиотерапияФтизиатрияХирургияЭндокринологияЭпидемиология

Азотистое основание Углеводный компонент Фосфорная кислота

Нуклеиновые кислоты

Роль нуклеиновых кислот в формировании и свойствах живой материи. Основной постулат молекулярной биологии. Строение нуклеиновых кислот. Пуриновые и пиримидиновые основания. Углеводные компоненты. Нуклеозиды и нуклеотиды. Нуклеотидный состав ДНК. Правила Чаргаффа. Первичная, вторичная и третичная структура ДНК. Функциональная организация ДНК.

Нуклеиновые кислоты (НК) – высокомолекулярные соединения со строго определенной линейной последовательностью мономеров. Структура ДНК и РНК – способ «записи информации», обеспечивающий формирование в организме двух информационных потоков. Один из потоков осуществляет воспроизведение информации, заключенной в молекулах ДНК. Репликация – удвоение молекул ДНК. В результате этого процесса и последующего деления дочерние клетки наследуют геном родительской клетки. Второй поток информации реализуется в процессе жизнедеятельности клетки. Происходит «считывание», или транскрипция, генов в форме полинуклеотидных последовательностей м-РНК и использование их в качестве матриц для синтеза соответствующих белков. При этом осуществляется «перевод» (трансляция) информации, заключенной в м-РНК, на «язык» аминокислот. Этот поток информации от ДНК через РНК на белок получил название «центральная догма биологии». Он характерен для всех живых организмов. Основная схема передачи генетической информации

ДНК РНК..................... белок

репликация транскрипция трансляция

В каждом живом организме присутствуют 2 типа нуклеиновых кислот: РНК и ДНК. ДНК расположена в ядре клеток, а РНК находятся в ядре, ядрышке и цитоплазме. ДНК и РНК состоят из мономерных единиц – нуклеотидов, поэтому нуклеиновые кислоты называют полинуклеотидами. При полном гидролизе нуклеиновых кислот выделены:
а) пуриновые и пиримидиновые основания;
б) моносахариды D-рибоза или 2-дезокси-D-рибоза;
в) фосфорная кислота.

Нуклеиновые кислоты

Нуклеотид

Азотистое основание Углеводный компонент Фосфорная кислота

Пуриновые Пиримидиновые Рибоза Дезоксирибоза

Строение моносахаридов:

Нуклеиновые кислоты имеют различающийся состав. В частности, дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК) содержат дезоксирибозу, а рибонуклеиновые кислоты (РНК)- рибозу. Эти и другие отличия в составе нуклеиновых кислот приведены в таблице:

Нуклеозиды- соединения азотистого основания и углеводов (рибозы и дезоксирибозы). Нуклеозиды образуются за счет N-гликозидной связи между девыятым атомом азота у пуриновых (первым атомом азота - у пиримидиновых) оснований и гидроксилом первого атома углерода рибозы или дезоксирибозы. Во избежание путаницы, нумерация атомов азотистых оснований осуществляется арабскими цифрами, а у атомов углерода рибоз арабскими цифрами со “штрихом”.

Нуклеотиды отличаются от нуклеозидов наличием остатков фосфорной кислоты (от одного до трех), связанных простой эфирной связью с гидроксилом 5’ атома углерода рибоз. Остатки фосфорных кислот между собой также связаны простой эфирной связью. В зависимости от числа остатков фосфорной кислоты в нуклеотидах различают моно-, ди- и трифосфонуклеотиды. Их номенклатура приведена в таблице:

Собственно нуклеиновые кислоты представляют собой полинуклеотидмоно- фосфаты. В основе нуклеиновых кислот лежит каркас, образованный фосфорной кислотой, связанный диэфирными связями с молекулами дезоксирибозы (ДНК) или рибозы (РНК). Полимерная цепь образуется за счет фосфодиэфирной связи между 3’- гидроксилом одного нуклеотида и 5’- гидроксилом другого. Таким образом, первичная структура нуклеиновых кислот представляет собой порядок чередования нуклеотидов в полинуклеотидной цепи. Полинуклеотиды, составленные из рибонуклеотидных звеньев, называются РНК, из дезоксирибонуклеотидных мономеров – ДНК. Один из концов этой цепи имеет свободный гидроксил при 5’- атоме углерода, а другой - свободный гидроксил при 3’- атоме углерода рибоз. Согласно принятому соглашению, последовательность нуклеотидов в цепочках нуклеиновых кислот читается в направлении 5’ 3’. Поскольку основой нуклеиновых кислот является сахарофосфатный остов, в сокращенных написаниях участков цепи используют лишь однобуквенные символы соответствующего азотистого основания: A,G,T,C,U. Полное и схематичное обозначение участка полинуклеотидной цепи приведены ниже:

5’-НО-G-A-A-T-C-T-A-C-A-…3' или pGpApApTpCpTpApCpA

Концевые нуклеотиды ДНК различают по структуре: на 5’-конце находится фосфатная группа, а на 3'-конце цепи – свободная ОН-группа. Эти концы называют 3'-концами. Линейная последовательность дезоксирибонуклеотидов в полимерной цепи ДНК обычно сокращенно записывают с помощью однобуквенного кода от 5’- к3'-концу.

Вследствие наличия сильно диссоциирующих фосфатных групп (при рН 7 фосфатная группа полностью ионизирована) нуклеиновые кислоты in vivo существуют в виде полианионов. Поэтому они легко образуют связи с основными белками (высокое значение pI) с образованием нуклеопротеинов. Протеины отделяются от нуклеиновых кислот детергентами или после расщепления белков протеиназами нуклеиновые кислоты осаждаются спиртом. Подобно белкам, ДНК имеют первичную, вторичную и третичную структуру. Первичная структура есть последовательность чередования нуклеотидов в цепи ДНК и РНК. Сложность расшифровки структуры связана с наличием всего 4-х видов нуклеотидов при их огромном числе в молекуле. При исследовании первичной структуры с использованием нуклеаз и высокоспецифичных рестриктаз получают смесь олигонук- леотидов. Их разделяют, анализируют нуклеотидную последовательность и реконстрируют последовательность нуклеотидов в анализируемом фрагменте нуклеиновой кислоты. Вторичная структура ДНК характеризуется правилом Э. Чаргаффа (закономерность количественного содержания азотистых оснований):

1) У ДНК молярные доли пуриновых и пиримидиновых оснований равны: А+ Г = Ц + Т или (А + Г)/(Ц + Т)=1.

2) Количество А и Ц равно количеству Г и Т: А+Т=Г+Ц или (А + Ц)/(Г + Т)=1.

3) Количество А равно количеству Т, а количество Г равно количеству Ц: А=Т, Г=Ц или А/Т= 1 и Г/Ц=1;

Нуклеотидный состав ДНК у организмов различных групп специфичен и характеризу- ется коэффициентом специфичности: (Г+Ц)/(А+Т). У высших растений и животных он меньше 1, колеблется незначительно: от 0,54 до 0,98 (АТ-тип ДНК), у микроорганизмов он больше 1 (ГЦ-тип ДНК). На основании данных рентгеноструктурного анализа и правил Чаргаффа, в 1953 г. Дж. Уотсоном и Ф.Криком предложена модель вторичной структуры ДНК в виде двойной спирали. Вторичная структура ДНК представляет собой свернутые в спираль две комплементарно взаимодействующие и антипараллельные полинуклеотидные цепи. Двойная спираль правозакрученная, полинуклеотидные цепи в ней антипараллельны, т.е. если одна из них ориентирована в направлении , то вторая – в направлении . Все основания цепей ДНК расположены внутри двойной спирали, а пентозофосфатный остов – снаружи. Полинуклеотидные цепи удерживаются относительно друг друга за счет водородных связей между комплементарными пуриновыми и пиримидиновыми азотистыми основаниями А и Т (две связи) и между G и С (три связи). При таком сочетании каждая пара содержит по три кольца, поэтому общий размер этих пар оснований одинаков по всей длине молекулы. Образование вторичной структуры нуклеиновых кислот возможно вследствие проявления эффектов комплементарности и стэкинг-взаимодействий. Вдоль оси отдельной цепи на каждые 0,34 нм приходится один мононуклеотид, шаг спирали 3,4 нм, в один виток укладывается 10 нуклеотидных остатков. Отрицательно заряженные фосфатные группы образуют два спиральных желобка – малый и большой; отталкиваются и стремятся вытянуть цепь ДНК. Именно поэтому в клетке ДНК связана с положительно заряженными белками (протамины и гистоны) и полиаминами (спермин, спермидин). Очень часто наблюдаются двунитевые спирализованные молекулы ДНК, замкнутые в кольцо с ковалентно связанными концами. Они не имеют разрывов у каждой в отдельности полинуклеотидной цепи. Подобные кольцевые ДНК, как правило, суперспирализованы, то есть кольцо дополнительно закручено в спираль. Суперспирализация - правило, а не исключение, при условии отсутствия разрывов в фосфодиэфирных связях полинуклео- тидной цепи.Комплементарность - последовательность нуклеотидов в одной цепи автоматически определяет строго соответствующую ей последовательность нуклеотидов в комплементарной ей цепи. Так, азотистое основание аденин (А) всегда взаимодействует только с комплементарным ему азотистым основанием тимин (Т) в молекулах ДНК.
Одновременно азотистые основания гуанин (Г) одной цепи взаимодействует только с комплементарними им азотистыми основаниями цитозин (Ц) другой цепи (как в ДНК, так и в РНК). Комплементарность оснований обеспечивается системой водородных связей. В молекулах РНК, имеющих, в основном, однонитевую структуру, на отдельных участках, азотистые основания аденин (А) взаимодействуют с комплементарными им азотистыми основаниями урацил (У).

Аналогично происходит взаимодействие в процессах транскрипции, когда на матрице ДНК синтезируется молекула РНК (матричная, транспортная и т.д.), и наоборот, когда при участии реверс-транскриптазы происходит синтез кДНК на матрице РНК. Стэкинг-взаимодействия - особого рода (Ван-дер-Ваальсовы) взаимодействия между выложенными в стопку (как монеты) друг над другом азотистых оснований. Имеются А, В, С и Z-формы двунитевых участков ДНК, отличающиеся наклонами плоскостей азотистых оснований друг относительно друга (у А- 20^о, В- 0^о, С- 5^о, Z- особая ломанная форма). Основные функции ДНК: хранение запаса генетической информации, необходимой для кодирования структуры всех белков и РНК каждого вида организма; регуляция во времени и пространстве биосинтез компонентов клеток и тканей; определение деятельности организма в течение его жизненного цикла; обеспечение индивидуальности данного организма.

SBS (side-by-side) - форма (бок о бок). Две цепи расположены прямо и незакручены.

Третичная структура ДНК образуется в результате дополнительного скручивания в пространстве двуспиральной молекулы. У высших организмов ДНК находится в хромосомах. В каждой хромосоме содержится гигантская молекула ДНК, которая составляет основу хроматина. ДНК имеют формы линейная, кольцевая двух - и

одноцепочечная. Двуцепочечные ДНК с "липкими" концами могут образовывать кольцо, которое далее ковалентно сшивается по сахарофосфатной цепи при помощи ДНК-лигазы. Третичная структура ДНК у эукариотических клеток отличается тем, что многократная спирализация ДНК сопровождается образованием комплексов с белками. Все связывающиеся с ДНК эукариотов белки можно разделить на 2 группы: гистоновые и негистоновые белки. Гистоны – это небольшие белки с молекулярной массой от 11-21 кД. Они имеют ярко выраженный основной характер из-за высокого содержания в них основных аминокислот аргинина и лизина, которые могут составлять 23-30% всех аминокислот. Существуют они всегда в комплексе с ДНК. Такие комплексы называются нуклеопротеидами. Гистоны делятся на пять групп в соответствии с размером, зарядом (всегда положительным) и аминокислотным составом. Их функция заключаются в превращении длинных нитей ДНК в более компактную структуру (сверхспираль). Молекула ДНК «накручивается» на поверхность гистонового октамера, совершая 1,75 оборота. Такой комплекс гистоновых белков с ДНК служит основной структурной единицей хроматина, ее называют «нуклеосома». Комплекс белков с ядерной ДНК клеток называют хроматином. В диплоидных клетках человека содержится 46 хромосом (хроматид), которые организованы в 23 пары. Средняя длина хромосомы составляет 130 млн. пар оснований и имеет длину 5 см. Хромосома №1- 263 млн. пар оснований, хромосома № 46 –меньше 50 млн. пар оснований. Если проложить все ДНК в В-конформации в линию, то их общая длина превысит 2 метра. Человеческая хромосома 16 имеет 2,5 мкм в длину, а длина самой ДНК- 3,7 см.

Материал хромосом - хроматин содержит кроме самой ДНК также гистоны, негистоновые белки, небольшое количество РНК. Нуклеосомный кор содержит октамер гистонов [2 х (Н2а+Н2b+H3+H4)]. Гистон- простой белок (примерно 50% хроматина). Нуклеосомный кор образуется при оборачивании октамера гистонов двунитевой спирализованной ДНК на 1,5 оборота, отдельно включается дополнительный белок- гистон Н1. Все вместе называется хроматсомом. Н1- очень богат ЛИЗ, Н2а, Н2b- умеренное количество ЛИЗ, Н3- есть ЦИС, умеренно- АРГ, Н4- богат АРГ и ГЛИ.

Понятно, что уместить такой длины ДНК в ядре возможно только путем ее определенной упаковки. При образовании третичной структуры ДНК человека происходит в среднем уменьшение ее размеров в 100 тысяч раз. Хроматосомы образуются на двунитевой спирали ДНК на дистанциях (называемых линкерами) от 20 до 90 пар нуклеотидов и напоминают нанизанные на нитку бусины. Следующий этап- сворачивание в спираль очень длинной последовательности “бус”. Эта спираль, в свою очередь, претерпевает сворачивание в двужильные канаты, из которых образуются гроздья, являющиеся небольшой частью хромосомы:

Физико-химические свойства ДНК. Молекулярная масса ДНК определяется рядом методов, в том числе:
а) ультрацентрифугированием в градиенте CsCl (ММ от 200000 до 10⁹);
б) по вязкости растворов (ММ> 10⁹, поскольку при центрифугировании такие длинные молекулы разрываются под действием собственного веса). Денатурация ДНК заключается в разрыве Н-связей и стэкинг-взаимодействий, что приводит к расплетанию и разделению цепей (без разрыва ковалентных связей!) под действием температуры или рН. При медленном охлаждении ранее пеупорядоченные отдельные цепи благодаря спариванию оснований вновь образуют двойную спираль т.е. молекула ренатурирует. О степени денатурации судят по изменению интенсивности поглощения в ультрафиолете при l= 260 nm, поскольку дезэкранирование азотистых оснований в результате расплетания цепей устраняется, что вызывает увеличение степени поглощения раствором ДНК ультрафиолета указанной длины волны:

Денатурацию иначе называют плавлением, а температура плавления соответствует моменту 50%-ной денатурации молекулы. Температура плавления разная для каждой ДНК. Комплементарные цепи ДНК, разделенные при денатурации, при определенных условиях могут вновь соединиться в двойную спираль. Этот процесс называется ренатурацией. Если денатурация произошла не полностью и хотя бы несколько оснований не утратили взаимодействия водородными связями, ренатурация протекает очень быстро. Ренатурация возможна даже при полностью разделенных цепях. В таком случае ренатурация требует точного совмещения цепей ДНК, которое может привести к реассоциации, и этот процесс медленный, к тому же, зависит от концентрации цепей в растворе. Как правило, выдерживание раствора ДНК при температуре на 10-15⁰ С ниже температуры плавления в условиях средней ионной силы (0,15 М) обеспечивает наиболее благоприятные условия для ренатурации. При более низкой ионной силе ренатурации мешает взаимное отталкивание фосфатных групп. Реассоциация начинается со взаимодействия коротких комплементарных последовательностей нуклеотидов, время существования которых в ассоциированном состоянии может оказаться непродолжительным, если соседние участки ДНК окажутся некомплементарными. Процесс повторяется снова и снова, пока не ассоциируют "нужные" участки. Однако, как они провзаимодействуют, двойная спираль ДНК восстанавливается очень быстро. Ренатурация- двухстадийный процесс. На первом этапе должны встретиться два комплементарных участка

Дата добавления: 2015-09-27 | Просмотры: 1402 | Нарушение авторских прав