Строение и функции молекул ДНК и РНК.
Биохимические основы наследственности.
Генетическая роль нуклеиновых кислот.
Нуклеиновые кислоты – биологические полимеры, находятся во всех клетках, от примитивных до сложноустроенных. Впервые обнаружены Иоганном Фридрихом Мишером в1868 г. в клетках, богатых ядерным материалом (лейкоцитах, сперматозоидах лосося). Термин «нуклеиновые кислоты» предложен в 1889 г.
Существует два типа нуклеиновых кислот: ДНК, РНК (АТФ – мононуклеотид). ДНК и РНК являются молекулами – матрицами. ДНК содержится около 6*10-12 г в соматических клетках: в ядре, митохондриях. РНК входит в состав рибосом, содержится в ядре и цитоплазме.
Изучение и доказательство ведущей роли нуклеиновых кислот в передаче наследственной информации проведено на вирусных частицах. Вирус табачной мозаики известен как вирулентный для табака и для подорожника. Состоит вирусная частица на 95% из белка и на 5% из нуклеиновой кислоты. В вирусных частицах поменяли местами белковый капсид, но через некоторое время белок в обоих штаммах трансформировался в прежнюю форму.
В бактериофагах, поражающих кишечную палочку, белки оболочки фага метили радиоактивной S, а ДНК фага метили радиоактивным Р. В бактериальной клетке, зараженной фагом, образовались частицы фага, в которых был лишь радиоактивный Р.
Строение и функции молекул ДНК и РНК.
Нуклеиновые кислоты – биополимеры нерегулярного строения, мономерами которых являются нуклеотиды. Нуклеотид состоит из остатков трёх веществ: фосфорной кислоты, углевода - пентозы, азотистого основания. В состав нуклеотидов ДНК входит углевод дезоксирибоза, в РНК – рибоза. Остатки пуриновых и пиримидиновых азотистых оснований, входящих в состав ДНК – это аденин, гуанин, цитозин, тимин. В составе молекул РНК – аденин, гуанин, цитозин, урацил.
Нуклеотиды соединяются между собой через остаток фосфорной кислоты одного нуклеотида и углевод другого прочной ковалентной эфирной связью, называемой «кислородный мостик». Связь идёт через 5-ый атом углерода углевода одного нуклеотида к 3-ему атому углерода углевода другого нуклеотида. Последовательность нуклеотидов представляет первичную структуру нуклеиновых кислот. РНК – одиночная полинуклеотидная цепь. ДНК по структуре двойная полинуклеотидная цепь, свёрнутая в спираль.
Вторичная структура ДНК формируется при возникновении второй цепи ДНК, выстраиваемой по принципу комплементарности относительно первой. Вторая цепь противонаправлена первой (антипараллельна). Азотистые основания лежат в плоскости, перпендикулярной плоскости молекулы – это напоминает винтовую лестницу. Перилами этой лестницы являются остатки фосфорной кислоты и углевод, а ступенями азотистые основания.
Азотистые основания, входящие в состав каждого нуклеотида в противонаправленных цепях, способны образовывать между собой комплементарные водородные связи (за счет имеющихся функциональных групп в строении каждого азотистого основания). Адениловый нуклеотид комплементарен тиминовому, гуаниловый – цитозиновому, и наоборот. Сами по себе эти связи непрочные, но «прошитая» многократно по всей длине такими связями молекула ДНК представляет очень прочное соединение.
Комплементарность – это пространственно-структурное и химическое соответствие азотистых оснований друг другу, они подходят друг к другу «как ключ к замку».
В одну молекулу ДНК могут входить 108 и более нуклеотидов.
Структура молекулы ДНК как двойной антипараллельной спирали была предложена в 1953 г. американским биологом Джемсом Уотсоном и английским физиком Френсисом Криком.
Молекула ДНК любого живого организма на планете состоит всего из четырёх типов нуклеотидов, отличающихся друг от друга входящими в них азотистыми основаниями: аденилового, гуанилового, тиминового и цитозинового. В этом универсальность ДНК. Их последовательность различна, а число бесконечно.
Для каждого вида живых организмов и для каждого организма отдельно эта последовательность индивидуальна и строго специфична.
Особенность структуры ДНК в том, что химически активные участки молекулы – азотистые основания, погружены в центр спирали и образуют между собой комплементарные связи, а остатки дезоксирибозы и фосфорной кислоты находятся на периферии и прикрывают доступ к азотистым основаниям – они химически неактивны. Такая структура долго может сохранять химическую стабильность. А что ещё нужно для хранения наследственной информации? Именно эти особенности структуры ДНК определяют её способность кодировать и воспроизводить генетическую информацию.
Прочную структуру ДНК разрушить достаточно трудно. Тем не менее это происходит в клетке регулярно – при синтезе РНК и удвоением молекулы самой ДНК перед делением клетки.
Удвоение, репликация ДНК начинается с того, что особый фермент – ДНК-полимераза – расплетает двойную спираль и разъединяет её на отдельные нити – формируется редупликационная вилка. Фермент при этом действует подобно замку в застёжке-молнии. На каждой однонитчатой цепи – липких концах редупликационной вилки - из находящихся в кариоплазме свободных нуклеотидов синтезируется новая цепь по принципу комплементарности. В новых двух молекулах ДНК одна цепь остаётся исходной материнской, а вторая – новой дочерней. В результате вместо одной молекулы ДНК возникают две молекулы такого же точно нуклеотидного состава, как и первоначальная.
В живых системах мы встречаемся с новым типом реакций, неизвестными в неживой природе. Они называются реакциями матричного синтеза. Матричный синтез напоминает отливку на матрице: новые молекулы синтезируются в точном соответствии с планом, заложенным в структуре уже существующих молекул. В этих реакциях обеспечивается точная последовательность мономерных звеньев в синтезируемых полимерах. Мономеры поступают в определённое место на молекулы, служащие матрицей, где реакция протекает. Если бы такие реакции происходили в результате случайного столкновения молекул, они протекали бы бесконечно медленно. Синтез сложных молекул на основе матричного принципа осуществляется быстро и точно с помощью ферментов. Матричный синтез лежит в основе важнейших реакций синтеза нуклеиновых кислот и белков. Роль матрицы в клетке играют молекулы нуклеиновых кислот ДНК или РНК. Мономерные молекулы, из которых синтезируется полимер, - нуклеотиды или аминокислоты – в соответствии с принципом комплементарности располагаются и фиксируются на матрице в строго определённом порядке. Затем происходит соединение мономерных звеньев в полимерную цепь, и готовый полимер сходит с матрицы. После этого матрица готова к сборке новой точно такой же полимерной молекулы.
Реакции матричного типа – специфическая особенность живой клетки. Они являются основой фундаментального свойства всего живого – способности к воспроизведению себе подобного.
Функции нуклеиновых кислот – хранение и передача наследственной информации. В молекулах ДНК закодирована информация о первичной структуре белка. На матрице ДНК идёт синтез молекул и-РНК. Этот процесс называется «транскрипция». И-РНК в процессе «трансляции» реализует информацию в виде последовательности аминокислот в молекуле белка.
ДНК каждой клетки несёт информацию не только о структурных белках, определяющих форму клетки, но и обо всех белках-ферментах, белках-гормонах и других белках, а также строении всех видов РНК.
Возможно, нуклеиновые кислоты обеспечивают различные виды биологической памяти – иммунологическую, нейрологическую и т. д., а также играют существенную роль в регуляции биосинтетических процессов.