Вторинна структура молекули ДНК

Первинна структура нуклеїнових кислот

— Всі класи нуклеїнових кислот - ДНК та РНК - є високомолекулярними сполуками, основою первинної структури яких є полінуклеотидний ланцюг.

— Окремі нуклеотиди зв'язані між собою в полінуклеотидний ланцюг за рахунок фосфодіефірних зв'язків, що утворюються між 3'- та 5'- гідроксильними групами пентоз (рибоз або дезоксирибоз) сусідніх нуклеотидів

— При схематичному зображенні полінуклеотидних ланцюгів ДНК та РНК пентози подають вертикальними лініями, 3',5'-фосфодісфірні зв'язки - похилими лініями з літерою Ф (або) посередині:

Полярність полінуклеотидів

— У полінуклеотидному ланцюгу ДНК або РНК виділяють два кінці: 5'-кінець, тобто той, що містить вільний (не зв'язаний з черговим нуклеотидом) 5'-гідроксил пентози, та 3'-кінець - той, що містить вільний (не зв'язаний з нуклеотидом) 3'-гідроксил пентози. В природних нуклеїнових кислотах 5'-кінець (5'-гідроксил кінцевої рибози або дезоксирибози) звичайно фосфорильований, 3'-кінець - містить вільну ОН-групу. Прийнято вважати, що така нуклеїнова кислота полярна і має напрямок ланцюга 5' → 3'.

— Відмінності в первинній структурі ДНК та РНК:

— У складі нуклеотидів ДНК міститься цукор 2'-дезоксирибоза, замість рибози у складі нуклеотидів РНК.

— Нуклеотиди ДНК та РНК відрізняються за складом піримідинових основ:

— в ДНК міститься піримідин тимін (5-метилурацил);

— в РНК міститься піримідин урацил (замість тиміну).

— Первинна структура ДНК та РНК різниться за наявністю деяких мінорних нуклеотидів.

— Певні класи ДНК та РНК мають специфічні для них послідовності нуклеотидів, що визначають їх біологічні функції.

— Будова, властивості та функції ДНК
Біологічні функції ДНК

— Біологічними функціями ДНК, які вони виконують у всіх живих організмах, є:

— Збереження генетичної (спадкової) інформації.

— Передавання генетичної інформації нащадкам.

Молекулярна маса та розміри молекул ДНК

— Молекулярна маса дезоксирибонуклеїнових кислот суттєво варіює у різних біологічних об'єктів: вірусів, прокаріотичних та еукаріотичних клітин.

— Точному визначенню молекулярної маси різних зразків ДНК перешкоджає гідродинамічна ламкість гігантських молекул нуклеїнових кислот, особливо у вищих організмів, які за спроби виділити їх в інтактному стані розпадаються на коротші фрагменти. Втім, застосування сучасних фізико-хімічних методів дослідження та електронної мікроскопії дозволило встановити, що молекулярна маса ДНК (при розрахунку на один полінуклеотидний ланцюг) складає в середньому діапазоні від 10⁶ до 10¹¹ одиниць атомної маси, або дальтонів (або ж 10³—10⁸ кДа).

— ДНК вірусів

— Найменшу молекулярну масу та довжину молекули мають ДНК найпростіших живих утворень - вірусів, зокрема вірусів бактерій (бактеріофагів) - в середньому 10³- 10⁵ кДа.

— Так, наприклад м.м. ДНК

вірусу потоми = 3 • 10³ кДа, бактеріофага Т4 – 1,3 • 10⁵ кДа.

ДНК прокаріот

— У прокаріотичних клітинах мікроорганізмів кількість ДНК та її молекулярна організація значно вищі, ніж у вірусів. Зокрема, ДНК кишкової палички Е. coli являє собою ковалентно замкнене дволанцюгове кільце з м.м. 1,9 • 10⁶ кДа. Відповідно до зростання складності біологічної організації при переході від вірусів до прокаріотів (а далі - еукаріотів) зростає й кількість нуклеотидних пар у дволанцюгових молекулах ДНК.

ДНК еукаріотичних клітин

У прокаріотичних клітинах мікроорганізмів кількість ДНК та її молекулярна організація значно вищі, ніж у вірусів. Зокрема, ДНК кишкової палички Е. coli являє собою ковалентно замкнене дволанцюгове кільце з м.м. 1,9 • 10⁶ кДа. Відповідно до зростання складності біологічної організації при переході від вірусів до прокаріотів (а далі - еукаріотів) зростає й кількість нуклеотидних пар у дволанцюгових молекулах ДНК.

Вторинна структура молекули ДНК

— Вивчення нуклеотидного складу молекул ДНК з різних біологічних об'єктів показало, що, незалежно від джерела походження (бактеріальні, рослинні, тваринні організми), всі ДНК мають певні кількісні взаємовідносини між вмістом пуринових та піримідинових нуклеотидів.

— Згідно з цими закономірностями - правилами Чаргафа, у складі ДНК:

— сума пуринових основ дорівнює сумі піримідинових основ, тобто:

— вміст аденіну дорівнює вмісту тиміну, а вміст гуаніну дорівнює вмісту цитозину (правило еквівалентності):

— Два антипаралельні полінуклеотидні ланцюги утворюють стабілізовану водневими зв'язками правообертальну спіраль, в якій обидва полінуклеотидні ланцюги закручені навколо центральної осі.

— ТРЕТИННА СТРУКТУРА ДНК

— В живій клітині подвійна спіралі., що становить вторинну структуру ДНК, не має вигляду розгорну тої молекули, а додатково згорнута в просторі, утворюючи певні третинні структури суперспіралі.

Біосинтез ДНК

— Біосинтез ДНК здійснюється за механізмом елонгації, тобто подовження вже існуючих ланцюгів шляхом приєднання нових нуклеотидів до вільних З'-кінців одного з ланцюгів наявного полінуклеотиду:

— Механізм елонгації ДНК полягає в утворенні нових 3' - 5'-фосфо- діефірних зв'язків, що здійснюється в напрямку 5' → 3'. Фосфодіефірний зв'язок формується в результаті нуклеофільної атаки з боку вільної 3'-ОН-групи пентози кінцевого нуклеотиду на а-фосфат дНТФ, що вступає в реакцію.

ФІЗИКО ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ДНК

1. Хімічні властивості ДНК

Всі полінуклеотиди, і ДНК зокрема, є сильними багатоосновними кислотами з низьким значенням рК. Кислотність ДНК обумовлена вторинними фосфатними групами, що при фізіологічних значеннях рН повністю іонізовані.Завдяки кислотним властивостям і наявності на своїй поверхні негативних зарядів молекули ДНК при фізіологічних значеннях рН активно реагують і утворюють комплекси з катіонами:

В’язкість розчинів ДНК

Висока молекулярна маса і значна довжина молекул ДНК зумовлюють високу в'язкість навіть дуже розбавлених їх розчинів. В'язкість молекул ДНК у розчині залежить від їх конформації і суттєво змінюється за умов денатурації та ренатурації.

1. Поглинання в УФ-області

— Азотисті основи (та відповідні нуклеоіиди), що входять до складу нуклеїнових кислот ДНК і РНК, мають властивість поглинати ультрафіолетове світло з максимумом поглинання при 260 нм.

1. Денатурація

Денатурація ДНК - це порушення нативної двоспіральної конформації молекул ДНК та їх впорядкованого просторового розташування з утворенням невпорядкованих одноланцюговнх клубків. Ренатурація — відновлення нативної вторинної конформації ДНК, що спостерігається за певних умов.

— Денатурація спричиняється:

— різкими змінами рН в кислий або лужний бік;

— нагрівання розчинів ДНК до певних температур.

— За умов денатурації ковалентні зв'язки в ДНК зберігаються, проте відбувається розкручування подвійної спіралі з втратою специфічних взаємодій між азотистими основами. Молекулярною основою денатурації молекул ДНК є руйнування водневих зв'язків між комплементарними азотистими основами А-Т та Г-Ц. Денатурація ДНК супроводжується гіперхромним ефектом та зменшенням в'язкості її розчинів.

— Нуклеїнові кислоти, що зазнали денатурації, втрачають свої біологічні властивості.

— Термічна денатурація ДНК дістала назву процесу плавлення . Для кожного тину молекул ДНК (тобто молекул, що мають певний нуклеотидний склад) характерна відповідна температура денатурації, що позначається як температура (точка) плавлення — Т

— Оскільки між гуаніном та цитозином у складі двоспіральної молекули ДНК утворюється три водневих зв'язки (на відміну від двох — між аденіном та тиміном), термічна дисоціація пари G--C потребує більших затрат енергії, тобто відбувається при вищих температурах, ніж руйнування пари А-Т. Виходячи з цього, температура плавлення (Т ) молекул ДНК прямо пропорційна вмісту в них G-C-пap, що дозволяє використати визначення Т як показника нуклеотидного складу ДНК.

БУДОВА ВЛАСТиВості ТА ФункціЇ РНк

— Рибонуклеїнові кислоти (РНК) – за характером структури та біологічних функцій підрозділяються па такі класи:

— інформаційні (матричні, месснджерні) РНК (мРНК),

— транспортні РНК (тРНК),

— рибосомні РНК (рРНК)

— Кожен з цих класів РНК виконує свої специфічні функції в переносі т а реалізації генетичної інформації в клітині.

— Первинна структура РНК. За первинною структурою РНК є полірибопуклеотидами . На відміну від дволанцюгових ДНК молекули РНК вищих організмів є одноланцюговими полінуклеотидами. Разом з тим, одноланцюгові РНК за рахунок внутрішньомолекулярних взаємодій набувають конформацій, що позначаються як вторинні та третинні структури.

— Вторинна структура одноланцюгових полірибонуклеотидів еукаріотів характеризується наявністю ділянок, що мають двоспіральну структуру. Ці ділянки молекул РНК - так звані "шпильки" - утворюються за рахунок згинів полірибонуклеотидного ланцюга та взаємодії між собою комплементарних азотистих основ (А–У та Г—Ц) в межах одного ланцюга. Такі спіралізовані ділянки включають в себе 20-30 нуклеотидних пар і чергуються з неспіралізованими фрагментами РНК

— Первинна структура мРНК. За своїм нуклеотидним складом мРНК відповідає (з урахуванням принципу комплементарності) нуклеотидній послідовності фрагменту одного з ланцюгів ядерної ДНК, транскриптом якого вона (мРНК) є. Виходячи з цього, мРНК є інформаційними матрицями, які визначають амінокислотні послідовності в поліпептидах, що синтезуються в рибосомах.

— Особливістю первинної структури мРНК є наявність на 5' та З'-кінцях молекули характерних для цього класу РНК нуклеотидних послідовностей.

— 5'-кінець всіх молекул мРНК еукаріотів у якості першого нуклеотиду містить 7-метилгуанозин, який через трифосфатний залишок сполучений з 5'-гідроксилом сусіднього (другого) нуклеотиду. Нуклеотид, з яким зв'язаний 5'-кінцевий 7-метилгуанозин, має метиловану по С-2'-рибозу.