Нуклеиновые кислоты. ДНК: строение, свойства и функции. РНК: строение, виды, функции

Нуклеиновые кислоты – это фосфорсодержащие нерегулярные гетерополимеры. Открыты в 1868 Г.Ф. Мишером.

Нуклеиновые кислоты содержатся в клетках всех живых организмов. Причем, каждый вид организмов содержит свой, характерный только для него набор нуклеиновых кислот. В природе насчитывается более 1 200 000 видов живых организмов – от бактерий и человека. Это значит, что существует около 10¹⁰ различных нуклеиновых кислот, которые построены всего лишь из четырех азотистых оснований. Каким образом четыре азотистых основания могут закодировать 10¹⁰ нуклеиновых кислот? Приблизительно так же, как и мы кодируем наши мысли на бумаге. Мы устанавливаем последовательность из букв алфавита, группируя их в слова, а природа кодирует наследственную информацию, устанавливая последовательность из множества нуклеотидов.

Нуклеотид – сравнительно простой мономер, из молекул которого построены нуклеиновые кислоты. Каждый нуклеотид состоит из: азотистого основания, пятиуглеродного сахара (рибозы или дезоксирибозы) и остатка фосфорной кислоты. Главной частью нуклеотида является азотистое основание.

Азотистые основания имеют циклическую структуру, в состав которой наряду с другими атомами (С, О, Н) входят атомы азота. Благодаря этому эти соединения получили название азотистые. С атомами азота связаны и важнейшие свойства азотистых оснований, например, их слабоосновные (щелочные) свойства. Отсюда эти соединения и получили название «основания».

В природе в состав нуклеиновых кислот входят всего пять из известных азотистых оснований. Они встречаются во всех типах клеток, начиная от микоплазм и до клеток человека.

Это пуриновые азотистые основания Аденин (А) и Гуанин (Г) и пиримидиновые Урацил (У), Тимин (Т) и Цитозин (Ц).Пуриновые основания являются производными гетероцикла пурина, а пиримидиновые – пиримидина. Урацил входит только в состав РНК, а тимин – в ДНК. А, Г и Ц встречаются как в ДНК, так и в ДНК.

В составе нуклеиновых кислот встречаются два типа нуклеотидов: дезоксирибонуклеотиды – в ДНК, рибонуклеотиды – РНК. Структура дезоксирибозы отличается от структуры рибозы тем, что Нуклеиновые кислоты. ДНК: строение, свойства и функции. РНК: строение, виды, функции - student2.ru при втором атоме углерода дезоксирибозы нет гидроксильной группы.

В результате соединения азотистого основания и пентозы образуется нуклеозид. Нуклеозид, соединенный с остатком фосфорной кислоты – нуклеотид:

азотистое основание + пентоза = нуклеозид + остаток фосфорной кислоты = нуклеотид

ДНК.

Соотношение азотистых оснований в молекуле ДНК описывают Правила Чаргаффа:

1. Количество аденина равно количеству тимина (А = Т).

2. Количество гуанина равно количеству цитозина (Г = Ц).

3. Количество пуринов равно количеству пиримидинов (А + Г = Т + Ц), т.е. А + Г/Т + Ц = 1.

4. Количество оснований с шестью аминогруппами равно количеству оснований с шестью кетогруппами (А + Ц = Г + Т).

5. Соотношений оснований А + Ц/Г + Т является величиной постоянной, строго видоспецифичной: человек – 0,66; осьминог – 0,54; мышь – 0,81; пшеница – 0,94; водоросли – 0,64-1,76; бактерии – 0,45-2,57.

На основании данных Э. Чаргаффа о соотношении пуриновых и пиримидиновых оснований и результатов рентгеноструктурного анализа, полученных М. Уилкинсом и Р. Франклин в 1953 г. Дж. Уотсон и Ф. Крик предложили модель молекулы ДНК. За разработку двуспиральной молекулы ДНК Уотсон, Крик и Уилкинс в 1962 г. Были удостоены Нобелевской премии.

Нуклеиновые кислоты. ДНК: строение, свойства и функции. РНК: строение, виды, функции - student2.ru Молекула ДНК имеет две цепи, расположенные параллельно друг другу, но в обратной последовательности. Мономерами ДНК являются дезоксирибонуклеотиды: адениловый (А), тимидиловый (Т), гуаниловый (Г) и цитозиловый (Ц). Цепи удерживаются между собой за счет водородных связей: между А и Т две, между Г и Ц три водородные связи. Двойная спираль молекулы ДНК закручена в виде спирали, причем один виток включает 10 пар нуклеотидов. Витки спирали удерживаются водородными связями и гидрофобными взаимодействиями. В молекуле дезоксирибозы свободные гидроксильные группы находятся в положении 3’ и 5’. По этим положениям между дезоксирибозой и фосфорной кислотой может образовываться сложная диэфирная связь, которая соединяет друг с другом нуклеотиды. При этом один конец ДНК несет 5’-OH – группу, а другой – 3’-OH – группу. ДНК – самые крупные органические молекулы. Их длина составляет у бактерий от 0,25 нм до 40 мм у человека (длина самой большой молекулы белка не более 200 нм). Масса молекулы ДНК – 6 х 10^-12г.

Постулаты ДНК

1. Нуклеиновые кислоты. ДНК: строение, свойства и функции. РНК: строение, виды, функции - student2.ru Каждая молекула ДНК состоит из двух антипараллельных полинуклеотидных цепей, образующих двойную спираль, закрученную (вправо, или влево) вокруг центральной оси. Антипараллельность обеспечивается соединением 5’-конца одной цепи с 3’-концом другой цепи и наоборот.

2. Нуклеиновые кислоты. ДНК: строение, свойства и функции. РНК: строение, виды, функции - student2.ru Каждый нуклеозид (пентоза + основание) расположен в плоскости, перпендикулярной оси спирали.

3. Две цепи спирали скреплены водородными связями между основаниями А–Т (две) и Г–Ц (три).

4. Спаривание оснований высокоспецифично и происходит по принципу комплементарности, в результате возможны только пары А: Т, Г: Ц.

5. Последовательность оснований одной цепи может значительно варьировать, но последовательность их в другой цепи строго комплементарна.

ДНК обладает уникальными свойствами репликации (способностью к самоудвоению) и репарации (способностью к самовосстановлению).

Репликация ДНК – реакция матричного синтеза, процесс удвоения молекулы ДНК путем редупликации. В 1957 г. М. Дельбрюк и Г. Стент на основании результатов экспериментов предложили три модели удвоения молекулы ДНК:

- консервативная: предусматривает сохранность исходной двухцепочечной молекулы ДНК и синтез новой тоже двухцепочечной молекулы;

- полуконсервативная: предполагает разъединение молекулы ДНК на моноцепочки в результате разрыва водородных связей между азотистыми основаниями двух цепей, после чего к каждому основанию, потерявшему партнера, присоединяется комплементарное основание; дочерние молекулы получаются точными копиями материнской молекулы;

- дисперсная: заключается в распаде исходной молекулы на нуклеотидные фрагменты, которые реплицируются. После репликации новые и материнские фрагменты собираются случайно.

В том же, 1957 г., М. Мезельсон и Ф. Сталь экспериментально доказали реальность существования полуконсервативной модели на кишечной палочке. А через 10 лет, в 1967 г., японский биохимик Р. Оказаки расшифровал механизм репликации ДНК полуконсервативным способом.

Репликация осуществляется под контролем ряда ферментов и протекает в несколько этапов. Единицей репликации служит репликон – участок ДНК, который в каждом клеточном цикле только 1 раз приходит в активное состояние. Репликон имеет точки начала и конца репликации. У эукариот в каждой ДНК одновременно возникает множество репликонов. Точка начала репликации движется последовательно вдоль цепи ДНК в одном, или в противоположных направлениях. Перемещающийся фронт репликации представляет собой вилку – репликативная или репликационная вилка.

Как в любой реакции матричного синтеза в репликации выделяют три стадии.

Нуклеиновые кислоты. ДНК: строение, свойства и функции. РНК: строение, виды, функции - student2.ru

Инициация: присоединение фермента хеликазы (геликазы) к точке начала репликации. Хеликаза расплетает короткие участки ДНК. После этого к каждой из разделившихся цепей присоединяется ДНК-связывающий белок (ДСБ), препятствующий воссоединению цепей. У прокариот имеется еще дополнительный фермент ДНК-гираза, который помогает хеликазе раскручивать ДНК.

Элонгация: последовательное комплементарное присоединение нуклеотидов, в результате чего цепь ДНК удлиняется.

Синтез ДНК идет сразу на обеих её цепях. Поскольку фермент ДНК-полимераза может собирать цепь нуклеотидов только в направлении от 5’ к 3’, то одна из цепей реплицируется непрерывно (в направлении репликативной вилки), а другая – прерывисто (с образованием фрагментов Оказаки), в противоположном движению репликативной вилки направлении. Первая цепь называется ведущей, а вторая – отстающей. Синтез ДНК идет при участии фермента ДНК-полимеразы. Аналогичным образом синтезируются фрагменты ДНК на отстающей цепи, которые затем сшиваются ферментами – лигазами.

Терминация: прекращение синтеза ДНК по достижении нужной длины молекулы.

Репарация ДНК – способность молекулы ДНК «исправлять» возникшие в ее цепях повреждения. В этом процессе принимают участие более 20 ферментов (эндонуклеазы, экзонуклеазы, рестриктазы, ДНК-полимеразы, лигазы). Они:

1) находят измененные участки;

2) вырезают и удаляют их из цепи;

3) восстанавливают правильную последовательность нуклеотидов;

4) сшивают восстановленный фрагмент ДНК с соседними участками.

ДНК выполняет в клетке особые функции, которые определяются её химическим составом, строением и свойствами: хранение, воспроизведение и реализация наследственной информации между новыми поколениями клеток и организмов.

РНК.

Нуклеиновые кислоты. ДНК: строение, свойства и функции. РНК: строение, виды, функции - student2.ru РНК распространены во всех живых организмах и представлены разнообразными по размерам, структуре и выполняемым функциям молекулами. Они состоят из одной полинуклеотидной цепи, образованной четырьмя видами мономеров – рибонуклеотидов: аденилового (А), урацилового (У), гуанилового (Г) и цитозилового (Ц). Каждый рибонуклеотид состоит из азотистого основания, рибозы и остатка фосфорной кислоты. Все молекулы РНК являются точными копиями определенных участков ДНК (генов).

Структура РНК определяется последовательностью рибонуклеотидов:

- первичная – последовательность рибонуклеотидов в цепи РНК; это своеобразная запись генетической информации; определяет вторичную структуру;

- вторичная – закрученная в спираль нить РНК;

- третичная – пространственное расположение всей молекулы РНК; третичная структура включает в себя вторичную структуру и фрагменты первичной, которые соединяют один участок вторичной структуры с другим (транспортная, рибосомная РНК).

Вторичная и третичная структуры формируются за счет водородных связей и гидрофобных взаимодействий между азотистыми основаниями.

Информационная РНК (и-РНК) – программирует синтез белков клетки, поскольку каждый белок кодируется соответствующей и-РНК (и-РНК содержит информацию о последовательности аминокислот в белке, который должен синтезироваться); масса 10⁴-2х10⁶; маложивущая молекула.

Транспортная РНК (т-РНК) – 70-90 рибонуклеотидов, масса 23 000-30 000; при реализации генетической информации она доставляет активированные аминокислоты к месту синтеза полипептида, «узнает» соответствующий участок и-РНК; в цитоплазме представлена двумя формами: т-РНК в свободной форме и т-РНК, связанная с аминокислотой; более 40 видов; 10%.

Имеет форму клеверного листа с двуцепочечным стеблем и тремя одноцепочечными петлями на его концах. В головке средней петли находится кодирующий триплет – антикодон, комплементарный соответствующему кодону в и-РНК. На 3’-цепи располагается триплет, к которому присоединяется аминокислота.

Нуклеиновые кислоты. ДНК: строение, свойства и функции. РНК: строение, виды, функции - student2.ru Рибосомная РНК (р-РНК) входит в состав рибосом, синтезируется в ядрышке и представлена разнообразными по массе молекулами; на ее долю приходится 85% всей РНК.