Уровни организации молекулы ДНК
Тема 6.
Нуклеиновые кислоты. Строение и функции. АТФ
Основные вопросы теории
Нуклеиновые кислоты(от лат. nucleus – ядро) – азотфосфорсодержащие органические соединения, гетерополимеры, обеспечивающие хранение и реализацию наследственной информации. Нуклеиновые кислоты открыл Ф. Мишер в 1868 г. (лейкоциты, сперматозоиды). Они могут находиться в ядре, цитоплазме, митохондриях, пластидах.
Нуклеиновые кислоты – биополимеры, мономер – нуклеотид.
Азотистые основания
| ↓ | ↓ |
| пурины | пиримидины |
| 2 кольца | 1 кольцо |
| А (аденин) | Ц (цитозин) |
| Г (гуанин) | Т (тимин) |
| У (урацил) |
азотистое основание + пентоза = нуклеозид
ДНК
ДНК – двойная спираль пар комплементарных, антипараллельных, полинуклеотидных цепей.
Мономер – дезоксирибонуклеотид: фосфат, дезоксирибоза, азотистые основания: А, Т, Ц, Г.
Уровни организации молекулы ДНК
1. Первичная структура – полинуклеотидная цепь (109 нуклеотидов): 3,5-фосфодиэфирная связь (между С3-атомом одной молекулы дезоксирибозы и С5-атомом следующей).
(Видеофрагмент «Строение молекулы ДНК».)
2. Вторичная структура – двойная спираль. Две полинуклеотидные цепи удерживаются посредством водородных связей между азотистыми основаниями параллельных цепей. Для постоянства шага спирали каждая пара включает одно пуриновое и одно пиримидиновое основание (2+1=3 кольца), причем между А и Т – 2 водородные связи, между Ц и Г – 3 водородные связи.
Цепи антипараллельны, т.к. одна образуется в направлении от 5’→3’, а другая от 3’→5’ (А. Тодд, 1950 г.).
Цепи комплементарны из-за спаривания оснований: А=Т; Ц≡Г. Последовательность оснований одной цепи автоматически определяет последовательность оснований другой цепи.
(Видеофрагмент «Принцип комплементарности».)
Правило Э. Чаргаффа (1951 г.): сумма пуриновых оснований (А, Г) в ДНК всегда равна сумме пиримидиновых (Ц, Т). Количество А равно количеству Т, а количество Г равно количеству Ц.
В 1953 г. Д. Уотсон и Ф. Крик расшифровали структуру ДНК. Шаг спирали – 3,4 нм, между нуклеотидами – 0,34 нм, в каждом шаге – 10 нуклеотидов, диаметр спирали – 2 нм.
3. Третичная структура ДНК – нуклеопротеиды – соединение ДНК с белками.
При соединении ДНК с белками-гистонами степень спирализации молекулы ДНК повышается – возникает суперспираль ДНК, толщина которой возрастает, а длина сокращается. Выделяют 4 уровня компактизации ДНК:
1. Нуклеосомный (двойная спираль ДНК + 8 гистонов).
2. Нуклеомерный (спираль из нуклеосомной нити (6–8 нуклеосом в глобулу с образованием фибриллы – соленоид).
3. Хромомерный (петли фибрилл объединены скрепками из негистоновых белков).
4. Хромонемный (петли в стопки – хроматин, при суперспирализации – хроматиды).
При изменении условий ДНК, подобно белкам, может подвергаться денатурации, называемой плавлением. При возврате к нормальным условиям ДНК ренатурирует (репарация).
Репликация (редупликация) – самоудвоение ДНК
С помощью фермента геликазы спираль ДНК раскручивается из-за разрыва водородных связей. На каждой из цепей по принципу комплементарности синтезируется новая цепь ДНК из свободных нуклеотидов ядра. Это осуществляет фермент ДНК-полимераза, который движется в направлении 5’→3’. Поскольку цепи антипараллельны, ДНК-полимераза непрерывно строит лишь одну новую цепь. Другая строится короткими участками, которые потом сшивает фермент ДНК-лигаза.
(Видеофрагмент «Репликация ДНК».)
Функции ДНК
Хранение, передача, воспроизведение генетической информации в ряду поколений. ДНК содержит информацию о первичной структуре белка.
РНК
РНК – биополимер, мономер – рибонуклеотид: фосфат, рибоза, азотистые основания (А, У, Г, Ц); меньше М и размеры (70–4500 нуклеотидов).
По структуре РНК
| ↓ | ↓ |
| одноцепочные | двуцепочные |
| перенос информации о структуре белков, участие в синтезе белков | хранители генетической информации у ретровирусов |
| ядрышко, рибосомы, цитоплазма, митохондрии, хлоропласты |
Виды РНК
1. иРНК (мРНК): 3-5% РНК клетки. Перенос из ядра к рибосомам генетической информации о последовательности аминокислот в белке. 75-3000 нуклеотидов.
2. рРНК: 80-90% РНК клетки. Составляет в комплексе с белками рибосому. Участие в синтезе белка. Кодируется особыми генами ядрышкового организатора. 150-4500 нуклеотидов.
3. тРНК: 10-15% РНК клетки. Доставляет аминокислоты к месту синтеза белка и осуществляет точную ориентацию аминокислоты на рибосоме. 70-100 нуклеотидов.
(Видеофрагмент Строение тРНК.)
4. рибозим РНК-фермент катализирует собственную подготовку к трансляции.
АТФ
АТФ –органическое соединение – нуклеотид: аденозин (аденин+рибоза) + остатки фосфорной кислоты (Ф), соединенные макроэргической связью (~)
АТФ образуется в процессе клеточного дыхания в митохондриях (окислительное фосфорилирование) и в процессе фотосинтеза в хлоропластах (фотофосфорилирование).
АТФ – вещество-макроэрг, т.к. два концевых остатка фосфорной кислоты в АТФ связаны между собой макроэргической связью.
При гидролитическом отщеплении одной фосфатной группы выделяется 30,6 кДж.
| аденозин-Ф~Ф~Ф +Н2О | → | аденозин-Ф~Ф + Ф + 30,6 кДж |
| АТФ | АДФ |
При последующем отщеплении фосфатной группы выделяется 30,6 кДж.
| аденозин-Ф~Ф +Н2О | → | аденозин-Ф +Ф + 30,6 кДж |
| АДФ | АМФ |
При отщеплении последней фосфатной группы выделяется 13,8 кДж.
| аденозин-Ф + Н2О | → | Аденозин + Ф + 13,8 кДж |
| АМФ |
Функции: АТФ – универсальный носитель энергии клетки.