Характеристика некоторых типов структур ДНК

Лекция 12.

Нуклеиновые кислоты: строение, свойства, функции.

Строение и свойства нуклеиновых кислот.

Функции нуклеиновых кислот.

Краткое содержание	Конспект
1. Строение и свойства нуклеиновых кислот
Нуклеиновые кислоты были впервые выделены швейцарским учёным Ф. Мишером в 1868 г. Нуклеиновые кислоты – высокомолекулярные полимерные соединения со строго определённой линейной последовательностью мономеров (нуклеотидов).   Центральный постулат молекулярной генетики (центральная догма биологии) В каждом живом организме присутствуют 2 типа нуклеиновых кислот: 1. Рибонуклеиновая кислота (РНК). 2. Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). Строение нуклеотидов Каждый нуклеотид содержит 3 химически различных компонента: • Гетероциклическое азотистое основание (пуриновой или пиримидиновой природы); • Моносахарид (пентозу); • Остаток фосфорной кислоты. В состав нуклеиновых кислот входят азотистые основания двух типов: 1.Пуриновые основания – аденин (А) и гуанин (Г); 2.Пиримидиновые основания – цитозин (Ц), тимин (Т) и урацил (У). Пентозы в нуклеотидах представлены либо рибозой (в составе РНК), либо дезоксирибозой (в составе ДНК).   Пуриновый и пиримидиновый нуклеотиды   Прямое доказательство того, что ДНК – носитель генетической информации, было получено в 1943 г. (Освальд Т.Эвери, Колин Мак-Леод, Маклин Мак-Карти).   В 1953 г. Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик предложили модель вторичной структуры ДНК, получившую название двойной спирали. Пурин-пиримидиновые пары оснований ДНК и вторичная структура ДНК (двойная спираль): При изучении модели ДНК можно обратить внимание на наличие в структуре ДНК большой и малой бороздок, закрученных вокруг оси молекулы параллельно фосфодиэфирному остову. В этих бороздках белки могут специфически взаимодействовать с определенными атомами нуклеиновых оснований, а значит, и «узнавать» конкретные нуклеотидные последовательности, не нарушая комплементарных взаимодействий в структуре двойной спирали.

Третичная структура ДНК

ДНК может формировать несколько типов двойных спиралей. В настоящее время уже известно шесть форм (от А до Е и Z-форма).

Характеристика некоторых типов структур ДНК

При физиологических условиях (низкая концентрация соли, высокая степень гидратации) доминирующим структурным типом ДНК является В-форма. Шаг спирали такой молекулы равен 3,4 нм. Виток ДНК можно представить в виде двух скрученных стопок «монет», по 10 в каждой. Стопки удерживаются водородными связями между двумя противолежащими «монетами» стопок, и «обмотаны» двумя лентами фосфодиэфирного остова, закрученными в правую спираль.

В условиях менее высокой гидратации и при более высоком содержании ионов Na⁺ или К⁺ возникает несколько иная структура – т.н. А-форма. Эта правоспиральная конформация имеет бóльший диаметр спирали, чем В-форма, и бóльшее число пар оснований на виток. Она сходна со структурой, характерной для двухцепочечной РНК или для РНК-ДНК-дуплексов. Формы С-Е также правоспиральные, их образование можно наблюдать только в специальных экспериментах, и, по-видимому, они не существуют in vivo.

Z-форма ДНК представляет собой левозакрученную двойную спираль, в которой фосфодиэфирный остов расположен зигзагообразно вдоль оси молекулы. Отсюда и название молекулы Z (zigzag)-ДHK. Z-ДНК – наименее скрученная (12 пар оснований на виток) и наиболее тонкая из известных в природе, она обладает только одним желобком. Z-ДНК выявляют в повторяющихся последовательностях чередующихся пуриновых и пиримидиновых дезоксинуклеотидов (GC или АС) при наличии ряда других стабилизирующих факторов.

ДНК в Z-форме может участвовать в регуляции экспрессии генов как близко расположенных, так и существенно удаленных от Z-участка. Некоторые белки, связывающиеся в большой или малой бороздках В-формы ДНК, вероятно, не способны связываться с Z-формой ДНК. Кроме того, реверсия участка ДНК из Z-формы в В-форму ДНК, которая происходит, например, в результате потери метальных групп 5-метилдезоксицитидином, может влиять на торсионный статус участков ДНК, расположенных на значительном расстоянии от области реверсии. Торсионное скручивание-раскручивание ДНК так же, как и метилирование дезоксицитидина, вероятно, влияет на активность генов.

Структура РНК

Первичная структура РНК – порядок чередования рибонуклеозидмонофосфатов (НМФ) в полинуклеотидной цепи.

Нуклеотиды связаны между собой 3´,5´-фосфодиэфирными связями.

Вторичная структура РНК – образование спирализованных петель («шпильки») отдельных участков цепи РНК. Подобные структуры формируются за счёт водородных связей между комплементарными азотистыми основаниями А-У и Г-Ц.

Третичная структура РНК – компактная укладка одноцепочечной РНК, возникающая за счёт взаимодействия спирализованных элементов вторичной структуры (за счёт дополнительных водородных связей, стабилизирована ионами магния).

Основные типы (виды) РНК

Все виды РНК (мРНК, тРНК, рРНК) – одноцепочечные полинуклеотидные молекулы.

Свойства различных РНК E.coli представлены в таблице:

  Нуклеиновые кислоты – высокомолекулярные полимерные соединения со строго определённой линейной последователь-ностью мономеров. Структура ДНК и РНК – способ «записи информации», обеспечивающий формирование в организме двух информационных потоков: 1. Один из потоков осуществляет воспроизведение информации, заключённой в молекулах ДНК (удвоение молекул ДНК называется репликацией). В результате этого процесса и последующего деления дочерние клетки наследуют геном родительской клетки, в котором содержится полный набор генов, или «инструкций» о строении РНК и всех белков организма. 2. Второй поток информации реализуется в процессе жизнедеятельности клетки. В этом случае происходит «считывание», или транскрипция, генов в форме полинукле-отидных последовательностей мРНК и использование их в качестве матриц для синтеза соответствующих белков. В последнем случае осуществляется «перевод» (трансляция) информации, заключённой в мРНК, на «язык» аминокислот. Этот поток информации от ДНК через РНК на белок получил название «центральная догма биологии». Обобщённая структура нуклеотидов:   Фрагмент цепи РНК     Схема, иллюстрирующая различные уровни упаковки хроматина, по-видимому, отражают последовательные этапы формирования высококонденсированной метафазной хромосомы  

Нормальное число хромосом у разных видов организмов:

Строение транспортных РНК

Спирализованные участки обозначены на рисунке пунктиром; «общие участки» одинаковы у всех тРНК; 1 – петля переменного размера; UH₂ (дигидроурацил), ψ (псевдоурацил) – минорные основания; антикодону всегда предшествует U (урацил), а после него всегда стоит минорное основание.

2. Функции нуклеиновых кислот ДНК. Генетическая информация, закодированная в последовательности нуклеотидов, служит двум целям. Во-первых, она необходима для синтеза белковых молекул, во-вторых, обеспечивает передачу самой себя в ряду клеточных поколений и поколений организмов. Обе функции основаны на том, что молекула ДНК служит матрицей; в первом случае для транскрипции-перекодирования информации в структуру молекул РНК и во втором для репликации-копирования информации в дочерних молекулах ДНК. мРНК – матрицы, необходимые для перевода генетической информации (последовательность нуклеотидов) в аминокислотную последовательность белков.   тРНК – связывают аминокислоты и переносят их к рибосомам, служат адаптором при «переводе» закодированного в мРНК генетического текста в аминокислотную последовательность белков. рРНК – основные компоненты рибосом (составляют 65% их веса), играют важную роль в структуре и биосинтетической функции рибосом. В эукариотических клетках есть ещё дополнительных 2 класса РНК: гетерогенные ядерные РНК (гяРНК) и малые ядерные РНК (мяРНК).