В живом организме присутствуют три основные макромолекулы: белки и нуклеиновые кислоты двух видов. Благодаря им поддерживается жизнедеятельность и правильное функционирование всего организма. Что такое нуклеиновые кислоты? Для чего они необходимы? Об этом - далее в статье.
Общая информация
Нуклеиновая кислота - это биополимер, органическое соединение с высокой молекулярностью, которое образовано остатками нуклеотидов. Передача от поколения к поколению всей генетической информации - главная задача, которую выполняют нуклеиновые кислоты. Презентация, которая представлена ниже, раскроет данное понятие более подробно.
История исследования
Первый изученный нуклеотид был выделен из мышц быка в 1847-м году и назван «инозиновая кислота». В результате изучения химического строения было выявлено, что она является рибозид-5′-фосфатом и хранит в себе N-гликозидную связь.В 1868-м году было обнаружено вещество под названием «нуклеин». Открыл его швейцарский химик Фридрих Мишер во время исследований некоторых биологических субстанций. В состав этого вещества входил фосфор. Соединение обладало кислотными свойствами и не подвергалось разложению под влиянием протеолитических ферментов.
Вещество получило формулу C29H49N9O22P3.Предположение об участии нуклеина в процессе передачи наследственной информации было выдвинуто в результате обнаружения аналогичности его химического состава с хроматином. Этот элемент является основным компонентом хромосом.Термин «нуклеиновая кислота» впервые был введен в 1889-м году Рихардом Альтманом. Именно он стал автором способа получения этих веществ без белковых примесей.В ходе исследования щелочного гидролиза нуклеиновых кислот Левин и Жакоб выявили основные компоненты продуктов этого процесса. Ими оказались нуклеотиды и нуклеозиды. В 1921-м году Левин предположил, что ДНК имеет тетрануклеотидное строение. Однако эта гипотеза не нашла подтверждения и оказалась ошибочной.
Классификация
Нуклеиновые кислоты бывают двух видов: ДНК и РНК. Их присутствие обнаруживается в клетках всех живых организмов. ДНК в основном содержится в ядре клетки. РНК находится в цитоплазме. В 1935 году, в ходе мягкого фрагментирования ДНК, были получены 4 ДНК-образующих нуклеотида. Эти компоненты представлены в состоянии кристаллов. В 1953 году Уотстон и Крик определили, что у ДНК существует двойная спираль.
Методы выделения
Разработаны различные способы получения соединений из естественных источников. Главными условиями этих методик являются результативное разделение нуклеиновых кислот и белков, наименьшая фрагментация веществ, полученных в ходе процесса. На сегодняшний день широко используется классический способ. Суть этого метода заключается в разрушении стенок биологического материала и дальнейшей их обработке анионным детергентом. В результате получается осадок из белка, а нуклеиновые кислоты остаются в растворе. Используется и другой метод. В этом случае нуклеиновые кислоты могут оседать в гелевом состоянии с помощью использования этанола и солевого раствора. При этом следует соблюдать определенную осторожность. В частности, добавлять этанол нужно с большой аккуратностью в солевой раствор для получения гелевого осадка. В какой концентрации выделилась нуклеиновая кислота, какие примеси в ней присутствуют, можно определить спектрофотометрическим методом. Нуклеиновые кислоты с легкостью подвергаются деградации с помощью нуклеазы, представляющей особый класс ферментов. При таком выделении необходимо, чтобы лабораторное оборудование прошло обязательную обработку ингибиторами. К ним относится, например, ингибитор DEPC, который применяется при выделении РНК.
Физические свойства
Нуклеиновые кислоты обладают хорошей растворимостью в воде, а в органических соединениях почти не растворяются. Кроме того, они особо восприимчивы к показателям температуры и уровня рН. Молекулы нуклеиновых кислот, обладающие высокой молекулярной массой, могут фрагментироваться нуклеазой под влиянием механических сил. К таковым относятся перемешивание раствора, его взбалтывание.
Нуклеиновые кислоты. Строение и функции
В клетках встречаются полимерные и мономерные формы рассматриваемых соединений. Полимерные формы называются полинуклеотидами. В таком виде цепочки нуклеотидов связываются остатком фосфорной кислоты. Из-за содержания двух видов гетероциклических молекул, называемых рибозой и дезоксорибозой, кислоты, соответственно, бывают рибонуклеиновые и дезоксирибонуклеиновые. С их помощью происходит хранение, передача и реализация наследственной информации. Из мономерных форм нуклеиновых кислот наиболее популярная аденозинтрифосфорная кислота. Она участвует в передаче сигналов и обеспечении запасов энергии в клетке.
ДНК
Дезоксирибонуклеиновая кислота является макромолекулой. С ее помощью происходит процесс передачи и реализации генетической информации. Эти сведения необходимы для программы развития и функционирования живого организма. У животных, растений, грибов ДНК входит в состав хромосом, находящихся в ядре клетки, а также находится в митохондриях и пластидах. У бактерий и архей молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты цепляется за клеточную мембрану с внутренней стороны. В таких организмах присутствуют в основном кольцевые молекулы ДНК. Они получили название "плазмиды". По химическому строению дезоксирибонуклеиновая кислота представляет собой полимерную молекулу, состоящую из нуклеотидов. Эти компоненты, в свою очередь, имеют в своем составе азотистое основание, сахар и фосфатную группу. Именно за счет двух последних элементов образуется связь между нуклеотидами, создавая цепи. В основном макромолекула ДНК представлена в виде спирали из двух цепей.
РНК
Рибонуклеиновая кислота представляет собой длинную цепь, состоящую из нуклеотидов. В их составе присутствуют азотистое основание, сахар рибозы и фосфатная группа. Генетическая информация кодируется с помощью последовательности нуклеотидов. РНК используется для программирования синтеза белков. Рибонуклеиновая кислота создается в ходе транскрипции. Это процесс синтеза РНК на матрице ДНК. Он происходит при участии специальных ферментов. Называются они РНК-полимеразами. После этого матричные рибонуклеиновые кислоты участвуют в процессе трансляции. Так происходит осуществление синтеза белка на матрице РНК. Активное участие в этом процессе принимают рибосомы. Остальные РНК в завершение транскрипции проходят химические преобразования. В результате происходящих изменений образуются вторичная и третичная структуры рибонуклеиновой кислоты. Они функционируют в зависимости от типа РНК.
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 10 10 различных нуклеиновых кислот, которые построены всего лишь из четырех азотистых оснований. Каким образом четыре азотистых основания могут закодировать 10 10 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 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
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.
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 -12 г.
Постулаты ДНК
1. 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. 
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.
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 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 10 4 -2х10 6 ; 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%.
К нуклеиновым кислотам относят высокополимерные соединения, распадающиеся при гидролизе на пуриновые и пиримидиновые основания, пентозу и фосфорную кислоту. Нуклеиновые кислоты содержат углерод, водород, фосфор, кислород и азот. Различают два класса нуклеиновых кислот: рибонуклеиновые кислоты (РНК) и дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК) .
Строение и функции ДНК
ДНК — полимер, мономерами которой являются дезоксирибонуклеотиды. Модель пространственного строения молекулы ДНК в виде двойной спирали была предложена в 1953 г. Дж. Уотсоном и Ф. Криком (для построения этой модели они использовали работы М. Уилкинса, Р. Франклин, Э. Чаргаффа).
Молекула ДНК образована двумя полинуклеотидными цепями, спирально закрученными друг около друга и вместе вокруг воображаемой оси, т.е. представляет собой двойную спираль (исключение — некоторые ДНК-содержащие вирусы имеют одноцепочечную ДНК). Диаметр двойной спирали ДНК — 2 нм, расстояние между соседними нуклеотидами — 0,34 нм, на один оборот спирали приходится 10 пар нуклеотидов. Длина молекулы может достигать нескольких сантиметров. Молекулярный вес — десятки и сотни миллионов. Суммарная длина ДНК ядра клетки человека — около 2 м. В эукариотических клетках ДНК образует комплексы с белками и имеет специфическую пространственную конформацию.
Мономер ДНК — нуклеотид (дезоксирибонуклеотид) — состоит из остатков трех веществ: 1) азотистого основания, 2) пятиуглеродного моносахарида (пентозы) и 3) фосфорной кислоты. Азотистые основания нуклеиновых кислот относятся к классам пиримидинов и пуринов. Пиримидиновые основания ДНК (имеют в составе своей молекулы одно кольцо) — тимин, цитозин. Пуриновые основания (имеют два кольца) — аденин и гуанин.
Моносахарид нуклеотида ДНК представлен дезоксирибозой.
Название нуклеотида является производным от названия соответствующего основания. Нуклеотиды и азотистые основания обозначаются заглавными буквами.
Полинуклеотидная цепь образуется в результате реакций конденсации нуклеотидов. При этом между 3"-углеродом остатка дезоксирибозы одного нуклеотида и остатком фосфорной кислоты другого возникает фосфоэфирная связь (относится к категории прочных ковалентных связей). Один конец полинуклеотидной цепи заканчивается 5"-углеродом (его называют 5"-концом), другой — 3"-углеродом (3"-концом).
Против одной цепи нуклеотидов располагается вторая цепь. Расположение нуклеотидов в этих двух цепях не случайное, а строго определенное: против аденина одной цепи в другой цепи всегда располагается тимин, а против гуанина — всегда цитозин, между аденином и тимином возникают две водородные связи, между гуанином и цитозином — три водородные связи. Закономерность, согласно которой нуклеотиды разных цепей ДНК строго упорядоченно располагаются (аденин — тимин, гуанин — цитозин) и избирательно соединяются друг с другом, называется принципом комплементарности . Следует отметить, что Дж. Уотсон и Ф. Крик пришли к пониманию принципа комплементарности после ознакомления с работами Э. Чаргаффа. Э. Чаргафф, изучив огромное количество образцов тканей и органов различных организмов, установил, что в любом фрагменте ДНК содержание остатков гуанина всегда точно соответствует содержанию цитозина, а аденина — тимину («правило Чаргаффа» ), но объяснить этот факт он не смог.
Из принципа комплементарности следует, что последовательность нуклеотидов одной цепи определяет последовательность нуклеотидов другой.
Цепи ДНК антипараллельны (разнонаправлены), т.е. нуклеотиды разных цепей располагаются в противоположных направлениях, и, следовательно, напротив 3"-конца одной цепи находится 5"-конец другой. Молекулу ДНК иногда сравнивают с винтовой лестницей. «Перила» этой лестницы — сахарофосфатный остов (чередующиеся остатки дезоксирибозы и фосфорной кислоты); «ступени» — комплементарные азотистые основания.
Функция ДНК — хранение и передача наследственной информации.
Репликация (редупликация) ДНК
— процесс самоудвоения, главное свойство молекулы ДНК. Репликация относится к категории реакций матричного синтеза, идет с участием ферментов. Под действием ферментов молекула ДНК раскручивается, и около каждой цепи, выступающей в роли матрицы, по принципам комплементарности и антипараллельности достраивается новая цепь. Таким образом, в каждой дочерней ДНК одна цепь является материнской, а вторая — вновь синтезированной. Такой способ синтеза называется полуконсервативным .
«Строительным материалом» и источником энергии для репликации являются дезоксирибонуклеозидтрифосфаты (АТФ, ТТФ, ГТФ, ЦТФ), содержащие три остатка фосфорной кислоты. При включении дезоксирибонуклеозидтрифосфатов в полинуклеотидную цепь два концевых остатка фосфорной кислоты отщепляются, и освободившаяся энергия используется на образование фосфодиэфирной связи между нуклеотидами.
В репликации участвуют следующие ферменты:
- геликазы («расплетают» ДНК);
- дестабилизирующие белки;
- ДНК-топоизомеразы (разрезают ДНК);
- ДНК-полимеразы (подбирают дезоксирибонуклеозидтрифосфаты и комплементарно присоединяют их к матричной цепи ДНК);
- РНК-праймазы (образуют РНК-затравки, праймеры);
- ДНК-лигазы (сшивают фрагменты ДНК).
С помощью геликаз в определенных участках ДНК расплетается, одноцепочечные участки ДНК связываются дестабилизирующими белками, образуется репликационная вилка . При расхождении 10 пар нуклеотидов (один виток спирали) молекула ДНК должна совершить полный оборот вокруг своей оси. Чтобы предотвратить это вращение ДНК-топоизомераза разрезает одну цепь ДНК, что дает ей возможность вращаться вокруг второй цепи.
ДНК-полимераза может присоединять нуклеотид только к 3"-углероду дезоксирибозы предыдущего нуклеотида, поэтому данный фермент способен передвигаться по матричной ДНК только в одном направлении: от 3"-конца к 5"-концу этой матричной ДНК. Так как в материнской ДНК цепи антипараллельны, то на ее разных цепях сборка дочерних полинуклеотидных цепей происходит по-разному и в противоположных направлениях. На цепи 3"-5" синтез дочерней полинуклеотидной цепи идет без перерывов; эта дочерняя цепь будет называться лидирующей . На цепи 5"-3" — прерывисто, фрагментами (фрагменты Оказаки ), которые после завершения репликации ДНК-лигазами сшиваются в одну цепь; эта дочерняя цепь будет называться запаздывающей (отстающей ).
Особенностью ДНК-полимеразы является то, что она может начинать свою работу только с «затравки» (праймера ). Роль «затравок» выполняют короткие последовательности РНК, образуемые при участи фермента РНК-праймазы и спаренные с матричной ДНК. РНК-затравки после окончания сборки полинуклеотидных цепочек удаляются.
Репликация протекает сходно у прокариот и эукариот. Скорость синтеза ДНК у прокариот на порядок выше (1000 нуклеотидов в секунду), чем у эукариот (100 нуклеотидов в секунду). Репликация начинается одновременно в нескольких участках молекулы ДНК. Фрагмент ДНК от одной точки начала репликации до другой образует единицу репликации — репликон .
Репликация происходит перед делением клетки. Благодаря этой способности ДНК осуществляется передача наследственной информации от материнской клетки дочерним.
Репарация («ремонт»)
Репарацией называется процесс устранения повреждений нуклеотидной последовательности ДНК. Осуществляется особыми ферментными системами клетки (ферменты репарации ). В процессе восстановления структуры ДНК можно выделить следующие этапы: 1) ДНК-репарирующие нуклеазы распознают и удаляют поврежденный участок, в результате чего в цепи ДНК образуется брешь; 2) ДНК-полимераза заполняет эту брешь, копируя информацию со второй («хорошей») цепи; 3) ДНК-лигаза «сшивает» нуклеотиды, завершая репарацию.
Наиболее изучены три механизма репарации: 1) фоторепарация, 2) эксцизная, или дорепликативная, репарация, 3) пострепликативная репарация.
Изменения структуры ДНК происходят в клетке постоянно под действием реакционно-способных метаболитов, ультрафиолетового излучения, тяжелых металлов и их солей и др. Поэтому дефекты систем репарации повышают скорость мутационных процессов, являются причиной наследственных заболеваний (пигментная ксеродерма, прогерия и др.).
Строение и функции РНК
— полимер, мономерами которой являются рибонуклеотиды . В отличие от ДНК, РНК образована не двумя, а одной полинуклеотидной цепочкой (исключение — некоторые РНК-содержащие вирусы имеют двухцепочечную РНК). Нуклеотиды РНК способны образовывать водородные связи между собой. Цепи РНК значительно короче цепей ДНК.
Мономер РНК — нуклеотид (рибонуклеотид) — состоит из остатков трех веществ: 1) азотистого основания, 2) пятиуглеродного моносахарида (пентозы) и 3) фосфорной кислоты. Азотистые основания РНК также относятся к классам пиримидинов и пуринов.
Пиримидиновые основания РНК — урацил, цитозин, пуриновые основания — аденин и гуанин. Моносахарид нуклеотида РНК представлен рибозой.
Выделяют три вида РНК : 1) информационная (матричная) РНК — иРНК (мРНК), 2) транспортная РНК — тРНК, 3) рибосомная РНК — рРНК.
Все виды РНК представляют собой неразветвленные полинуклеотиды, имеют специфическую пространственную конформацию и принимают участие в процессах синтеза белка. Информация о строении всех видов РНК хранится в ДНК. Процесс синтеза РНК на матрице ДНК называется транскрипцией.
Транспортные РНК содержат обычно 76 (от 75 до 95) нуклеотидов; молекулярная масса — 25 000-30 000. На долю тРНК приходится около 10% от общего содержания РНК в клетке. Функции тРНК: 1) транспорт аминокислот к месту синтеза белка, к рибосомам, 2) трансляционный посредник. В клетке встречается около 40 видов тРНК, каждый из них имеет характерную только для него последовательность нуклеотидов. Однако у всех тРНК имеется несколько внутримолекулярных комплементарных участков, из-за которых тРНК приобретают конформацию, напоминающую по форме лист клевера. У любой тРНК есть петля для контакта с рибосомой (1), антикодоновая петля (2), петля для контакта с ферментом (3), акцепторный стебель (4), антикодон (5). Аминокислота присоединяется к 3"-концу акцепторного стебля. Антикодон — три нуклеотида, «опознающие» кодон иРНК. Следует подчеркнуть, что конкретная тРНК может транспортировать строго определенную аминокислоту, соответствующую ее антикодону. Специфичность соединения аминокислоты и тРНК достигается благодаря свойствам фермента аминоацил-тРНК-синтетаза.
Рибосомные РНК содержат 3000-5000 нуклеотидов; молекулярная масса — 1 000 000-1 500 000. На долю рРНК приходится 80-85% от общего содержания РНК в клетке. В комплексе с рибосомными белками рРНК образует рибосомы — органоиды, осуществляющие синтез белка. В эукариотических клетках синтез рРНК происходит в ядрышках. Функции рРНК : 1) необходимый структурный компонент рибосом и, таким образом, обеспечение функционирования рибосом; 2) обеспечение взаимодействия рибосомы и тРНК; 3) первоначальное связывание рибосомы и кодона-инициатора иРНК и определение рамки считывания, 4) формирование активного центра рибосомы.
Информационные РНК разнообразны по содержанию нуклеотидов и молекулярной массе (от 50 000 до 4 000 000). На долю иРНК приходится до 5% от общего содержания РНК в клетке. Функции иРНК : 1) перенос генетической информации от ДНК к рибосомам, 2) матрица для синтеза молекулы белка, 3) определение аминокислотной последовательности первичной структуры белковой молекулы.
Строение и функции АТФ
Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) — универсальный источник и основной аккумулятор энергии в живых клетках. АТФ содержится во всех клетках растений и животных. Количество АТФ в среднем составляет 0,04% (от сырой массы клетки), наибольшее количество АТФ (0,2-0,5%) содержится в скелетных мышцах.
АТФ состоит из остатков: 1) азотистого основания (аденина), 2) моносахарида (рибозы), 3) трех фосфорных кислот. Поскольку АТФ содержит не один, а три остатка фосфорной кислоты, она относится к рибонуклеозидтрифосфатам.
Для большинства видов работ, происходящих в клетках, используется энергия гидролиза АТФ. При этом при отщеплении концевого остатка фосфорной кислоты АТФ переходит в АДФ (аденозиндифосфорную кислоту), при отщеплении второго остатка фосфорной кислоты — в АМФ (аденозинмонофосфорную кислоту). Выход свободной энергии при отщеплении как концевого, так и второго остатков фосфорной кислоты составляет по 30,6 кДж. Отщепление третьей фосфатной группы сопровождается выделением только 13,8 кДж. Связи между концевым и вторым, вторым и первым остатками фосфорной кислоты называются макроэргическими (высокоэнергетическими).
Запасы АТФ постоянно пополняются. В клетках всех организмов синтез АТФ происходит в процессе фосфорилирования, т.е. присоединения фосфорной кислоты к АДФ. Фосфорилирование происходит с разной интенсивностью при дыхании (митохондрии), гликолизе (цитоплазма), фотосинтезе (хлоропласты).
АТФ является основным связующим звеном между процессами, сопровождающимися выделением и накоплением энергии, и процессами, протекающими с затратами энергии. Кроме этого, АТФ наряду с другими рибонуклеозидтрифосфатами (ГТФ, ЦТФ, УТФ) является субстратом для синтеза РНК.
Перейти к лекции №3 «Строение и функции белков. Ферменты»
Перейти к лекции №5 «Клеточная теория. Типы клеточной организации»
1. Состав нуклеиновых кислот
Нуклеиновые кислоты представляют собой биополимеры. Их макромолекулы состоят из не однократно повторяющихся звеньев, которые представлены нуклеотидами. И их логично назвали полинуклеотидами. Одной из главных характеристик нуклеиновых кислот является их нуклеотидный состав. В состав нуклеотида (структурного звена нуклеиновых кислот) входят три составные части:
- азотистое основание. Может быть пиримидиновое и пуриновое. В нуклеиновых кислотах содержатся основания 4-х разных видов: два из них относятся к классу пуринов и два – к классу пиримидинов. Азот, содержащийся в кольцах, придает молекулам основные свойства.
- остаток фосфорной кислоты. Нуклеиновые кислоты являются кислотами потому, что в их молекулах содержится фосфорная кислота.
- моносахарид - рибоза или 2-дезоксирибоза. Сахар, входящий в состав нуклеотида, содержит пять углеродных атомов, т.е. представляет собой пентозу. В зависимости от вида пентозы, присутствующей в нуклеотиде, различают два вида нуклеиновых кислот – рибонуклеиновые кислоты (РНК), которые содержат рибозу, и дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК), содержащие дизоксирибозу.
Нуклеотид по своей сути это фосфорный эфир нуклеозида. В состав нуклеозида входят два компонента: моносахарид (рибоза или дезоксирибоза) и азотистое основание.
На закате 40-х - начале 50-х годов, когда уже стали появляться такие методы исследования, как хроматография на бумаге и УФ-спектроскопия. Подтверждались многочисленные исследования нуклеотидного состава НК (Чаргафф, А. Н. Белозерский). Данные полученные при исследованиях в конец разрушили отжившие и некомпетентные представления о нуклеиновых кислотах, как о полимерах, содержащих повторяющиеся тетрануклеотидные последовательности - тетрануклеотидная теория строения ПК, господствовавшая в 30-40-е годы. Также дали основания для создания современных представлений не только о первичной структуре ДНК и РНК, но и об их макромолекулярной структуре и функциях.
Метод определения состава ПК основан на анализе гидролизатов, образующихся при их ферментативном или химическом расщеплении. Обычно используются три способа химического расщепления НК. Кислотный гидролиз в жестких условиях (70%-ная хлорная кислота, 100° С, 1 ч или 100%-ная муравьиная кислота, 175° C, 2 ч), применяемый для анализа как ДНК, так и РНК, приводит к разрыву всех N-гликозидных связей и образованию смеси пуриновых и пиримидиновых оснований. При исследовании РНК могут использоваться как мягкий кислотный гидролиз (1 н. соляная кислота, lOO° C, 1 ч), в результате которого образуются пуриновые основания и пирамидиповые нуклеозид-2"(3")-фосфаты, так и щелочной гидролиз (0,3 н. едкий кали, 37° С, 20 ч), дающий смесь нуклеозид -2" (3") -фосфатов.
Поскольку в НК число нуклеотидов каждого вида равно числу соответствующих оснований, для установления нуклеотидного состава данной НК достаточно определить количественное соотношение оснований. Для этой цели из гидролизатов с помощью хроматографии на бумаге или электрофореза (когда в результате гидролиза получают нуклеотиды) выделяют индивидуальные соединения. Каждое основание независимо от того, связано оно с углеводным фрагментом или нет, обладает характерным максимумом поглощения в УФ, интенсивность которого зависит от концентрации. По этой причине, исходя из УФ-спектров выделенных соединений, можно определить количественное соотношение оснований, а следовательно, и нуклеотидный состав исходной НК.
При количественном определении минорных нуклеотидов, особенно таких неустойчивых, как дигидроуридиловая кислота, пользуются ферментативными методами гидролиза (ФДЭ змеиного яда и селезенки).
Использование описанных выше аналитических приемов показало, что ПК различного происхождения состоят за редким исключением из четырех основных нуклеотидов и что содержание минорных нуклеотидов может меняться в значительных пределах.
При исследовании нуклеотидного состава нативных ДНК различного происхождения Чаргаффом были обнаружены следующие закономерности.
1. Все ДНК независимо от их происхождения содержат одинаковое число пуриновых и пиримидиновых оснований. Следовательно, в любой ДНК на каждый пуриновый нуклеотид приходится один пиримидиновый.
2. Любая ДНК всегда содержит в равных количествах попарно аденин и тимин, гуанин и цитозин, что обычно обозначают как А=Т и G=C. Из этих закономерностей вытекает третья.
3. Количество оснований, содержащих аминогруппы в положении 4 пиримидинового ядра и 6 пуринового (цитозин и аденин), равно количеству оснований, содержащих оксо-группу в тех же положениях (гуанин и тимин), т. е. A+C=G+T. Эти закономерности получили название правил Чаргаффа. Наряду с этим было установлено, что для каждого типа ДНК суммарное содержание гуанина и цитозина не равно суммарному содержанию аденина и тимина, т. е. что (G+C)/(A+T), как правило, отличается от единицы (может быть как больше, так и меньше ее). По этому признаку различают два основных типа ДНК: А Т-тип с преимущественным содержанием аденина и тимина и G C-тип с преимущественным содержанием гуанина и цитозина.
Величину отношения содержания суммы гуанина и цитозина к сумме содержания аденина и тимина, характеризующую нуклеотидный состав данного вида ДНК, принято называть коэффициентом специфичности. Каждая ДНК имеет характерный коэффициент специфичности, который может изменяться в пределах от 0,3 до 2,8. При подсчете коэффициента специфичности учитывается содержание минорных Оснований, а также замены основных оснований их производными. Например, при подсчете коэффициента специфичности для ЭДНК зародышей пшеницы, в которой содержится 6% 5-метилцитозина, Последний входит в сумму содержания гуанина (22,7%) и цитозина (16,8%). Смысл правил Чаргаффа для ДНК стал понятным после установления ее пространственной структуры.
Первые сведения о нуклеотидном составе РНК относились к препаратам, представляющим собой смеси клеточных РНК (рибосомных, информационных и транспортных) и называемым обычно суммарной фракцией РНК. Правила Чаргаффа в этом случае не соблюдаются, хотя определенное соответствие между содержанием гуанина и цитозина, а также аденина и урацила все же имеет, место.
Данные, полученные в последние годы при анализе индивидуальных РНК, показывают, что и на них правила Чаргаффа не распространяются. Однако различия в содержании аденина и урацила, а также гуанина и цитозина для большинства РНК невелики и что, следовательно, тенденция к выполнению указанных правил все же наблюдается. Этот факт объясняется особенностями макроструктуры РНК.
Характерными структурными элементами некоторых РНК являются минорные основания. Соответствующие им нуклеотидные остатки обычно входят в состав транспортных и некоторых других РНК в очень небольших количествах, поэтому определение полного нуклеотидного состава таких РНК представляет собой иногда весьма сложную задачу.
2. Макромолекулярная структура ДНК
В 1953 г. Уотсон и Крик, опираясь на известные данные о конформации нуклеозидных остатков, о характере межнуклеотидной связи в ДНК и закономерности нуклеотидного состава ДНК (правила Чаргаффа), расшифровали рентгенограммы паракристаллической формы ДНК [так называемой В-формы, образующейся при влажности выше 80% и при высокой концентрации противоионов (Li+) в образце]. Согласно их модели, молекула ДНК представляет собой правильную спираль, образованную двумя полидезоксирибонуклеотидными цепями, закрученными относительно друг друга и вокруг общей оси. Диаметр спирали практически постоянен вдоль всей ее длины и равен 1,8 нм (18 А).
Макромолекулярная структура ДНК.
(а)-Модель Уотсона - Крика;
(6)-параметры спиралей В-, С- и Т-форм ДНК (проекции перпендикулярно оси спирали);
(в)-поперечный разрез спирали ДНК в В-форме (заштрихованные прямоугольники изображают пары оснований);
(г)-параметры спирали ДНК в А-форме;
(д)-поперечный разрез спирали ДНК в А-форме.
Длина витка спирали, который соответствует ее периоду идентичности, составляет 3,37 нм (33,7 А). На один виток спирали приходится 10 остатков оснований в одной цепи. Расстояние между плоскостями оснований равно, таким образом, примерно 0,34 нм (3,4 А). Плоскости остатков оснований перпендикулярны длинной оси спирали. Плоскости углеводных остатков несколько отклоняются от этой оси (первоначально Уотсон и.Крик предположили, что они параллельны ей).
Из рисунка видно, что углеводофосфатный остов молекулы обращен наружу. Спираль закручена таким образом, что на ее поверхности можно выделить две различные по размерам бороздки (их часто называют также желобками) - большую, шириной примерно 2,2 нм (22 А), и малую -шириной около 1,2 нм (12А). Спираль - правовращающая. Полидезоксирибонуклеотидные цепи в ней антипараллельны: это означает, что если мы будем двигаться вдоль длинной оси спирали от одного ее конца к другому, то в одной цепи мы будем проходить фосфодиэфирные связи в направлении 3"а 5", а в другой - в направлении 5"а 3". Иными словами, на каждом из концов линейной молекулы ДНК расположены 5"-конец одной и 3"-конец другой цепи.
Регулярность спирали требует, чтобы против остатка пуринового основания в одной цепи находился остаток пиримидинового основания в другой цепи. Как уже подчеркивалось, это требование реализуется в виде принципа образования комплементарных пар оснований, т. е. остаткам аденина и гуанина в одной цепи соответствуют остатки тимина и цитозина в другой цепи (и наоборот).
Таким образом, последовательность нуклеотидов в одной цепи молекулы ДНК предопределяет нуклеотидную последовательность другой цепи.
Этот принцип является главным следствием модели Уотсона и Крика, поскольку он в удивительно простых химических терминах объясняет основное функциональное назначение ДНК - быть хранителем генетической информации.
Заканчивая рассмотрение модели Уотсона и Крика, остается добавить, что соседние пары остатков оснований в ДНК, находящейся в В-форме, повернуты друг относительно друга на 36° (угол между прямыми, соединяющими атомы С 1 " в соседних комплементарных парах).
3. Выделение дезоксирибонуклеиновых кислот
Живые клетки, за исключением сперматозоидов, в норме содержат значительно больше рибонуклеиновой, чем дезоксирибонуклеиновой кислоты. На методы выделения дезоксирибонуклеиновых кислот оказало большое влияние то обстоятельство, что, тогда как рибонуклеопротеиды и рибонуклеиновые кислоты растворимы в разбавленном (0,15 М) растворе хлористого натрия, дезоксирибонуклеопротеидные комплексы фактически в нем нерастворимы. Поэтому гомогенизированный орган или организм тщательно промывают разбавленным солевым раствором, из остатка с помощью крепкого солевого раствора экстрагируют дезоксирибонуклеиновую кислоту, которую осаждают затем добавлением этанола. С другой стороны, элюирование того же остатка водой дает раствор, из которого при добавлении соли выпадает дезоксирибонуклеопротеид. Расщепление нуклеопротеида, который в основном представляет собой солеподобный комплекс между полиосновными и поликислотными электролитами, легко достигается растворением в крепком солевом растворе или обработкой тиоцианатом калия. Большую часть белка можно удалить либо добавлением этанола, либо эмульгированием с помощью хлороформа и амилового или октилового спирта (белок образует с хлороформом гель). Широко применялась также обработка детергентами. Позднее дезоксирибонуклеиновые кислоты выделяли с помощью экстракции водными n-аминосалицилат - фенольными растворами. При использовании этого метода были получены препараты дезоксирибонуклеиновой кислоты, из которых одни содержали остаточный белок, тогда как другие были фактически свободны от белка, что указывает на то, что характер связи белок - нуклеиновая кислота различен в различных тканях. Удобная модификация состоит в гомогенизировании животной ткани в 0,15 М растворе фенолфталеиндифосфата с последующим добавлением фенола для осаждения ДНК (свободной от РНК) с хорошим выходом.
Дезоксирибонуклеиновые кислоты, каким бы способом они не выделялись, представляют собой смеси полимеров различного молекулярного веса, за исключением образцов, полученных из некоторых видов бактериофагов.
ФРАКЦИОНИРОВАНИЕ
Ранний метод разделения заключался в фракционной диссоциации гелей дезоксирибонуклеопротеида (например, нуклеогистона) посредством экстракции водными растворами хлористого натрия увеличивающейся молярности. Таким путем препараты дезоксирибонуклеиновой кислоты были разделены на ряд фракций, характеризующихся различным отношением содержания аденина с тимином к сумме гуанина с цитозином, причем более легко выделялись фракции, обогащенные гуанином и цитозином. Сходные результаты были получены при хроматографическом отделении дезоксирибонуклеиновой кислоты от гистона, адсорбированного на кизельгуре, с применением градиентного элюирования растворами хлористого натрия. В улучшенном варианте этого метода очищенные фракции гистона сочетались с n-аминобензилцеллюлозой с образованием диазомостиков от тирозиновых и гистидиновых групп белка. Описано также фракционирование нуклеиновых кислот на метилированном сывороточном альбумине (с кизельгуром в качестве носителя). Скорость элюирования с колонки солевыми растворами увеличивающейся концентрации зависит от молекулярного веса, состава (нуклеиновые кислоты с высоким содержанием гуанина с цитозином элюируются легче) и вторичной структуры (денатурированная ДНК прочнее удерживается колонкой, чем нативная). Таким способом из ДНК морского краба Cancer borealis выделен природный компонент - полидезоксиадениловая-тимидиловая кислота. Фракционирование дезоксирибонуклеиновых кислот проводилось также посредством градиентного элюирования с колонки, наполненной фосфатом кальция.
4. Выделение рибонуклеиновых кислот
Методы, используемые для экстракции рибонуклеиновых кислот, частично зависят от природы органа или организма. В одном из ранних методов, использованном Левиным, к густому тесту из дрожжей добавляли щелочь, смесь перемешивали с пикриновой кислотой, фильтровали и нуклеиновую кислоту осаждали из фильтрата добавлением соляной кислоты. Такая довольно жесткая обработка приводила к тому, что полученная нуклеиновая кислота значительно отличалась от “нативной” рибонуклеиновой кислоты. Для выделения рибонуклеиновых кислот, приближающихся по структуре к нуклеиновым кислотам живой клетки, необходимо избегать применения жестких условий (рН, температура) в то же время необходимо, насколько возможно, затормозить ферментативный распад. Широко применялась экстракция рибонуклеопротеидов изотоническим раствором хлористого натрия. Белки от нуклеиновых кислот могут быть отщеплены различными методами, такими, как обработка смесями хлороформа с октиловым спиртом, додецилсульфатом натрия, нитратом стронция или спиртом, а также расщепление белковой фракции трипсином. И снова эффективность каждого метода определяется природой рибонуклеопротеида. Для инактивации ферментов в процессе экстракции полезно применение хлоргидрата гуанидина (денатурирующего агента); для выделения рибонуклеиновых кислот и нативных рибонуклеопротеидов из дрожжей был применен метод, использующий адсорбцию рибонуклеаз на бентоните после предварительной обработки ионами цинка.
Особые преимущества имеет выделение рибонуклеиновых кислот из гомогенатов тканей млекопитающих, микроорганизмов и вирусов экстракцией фенолом и водой при комнатной температуре, так как при этом белки и дезоксирибонуклеиновые кислоты выпадают в осадок, активность рибонуклеазы подавляется и высокополимерные продукты могут быть получены с хорошими выходами. Прямая экстракция дрожжей водным раствором фенола была применена для препаративного получения транспортных РНК.
ФРАКЦИОНИРОВАНИЕ
Помимо ряда вирусных нуклеиновых кислот, большинство выделенных полирибонуклеотидов, бесспорно, представляют собой сложные смеси, содержащие полимеры с различной длиной цепи, нуклеотидной последовательностью и составом оснований (присутствие или отсутствие “минорных” оснований). Существует ряд приемов для частичного фракционирования, однако, пока не разработаны удовлетворительные методы характеристики, трудно определить степень чистоты или гомогенности рибонуклеиновых кислот. В основу оценки чистоты транспортных РНК, этих сравнительно низкомолекулярных полирибонуклеотидов, может быть положена их ферментативная реакция с аминокислотами (через аминоациладенилаты), что, конечно, позволяет оценить и их биохимическую однородность.
Методы фракционирования включают осаждение нейтральными солями, электрофорез, хроматографию на фосфате кальция и осаждение дигидрострептомицином. Недавно для фракционирования рибонуклеиновых кислот была использована фракционная диссоциация комплексов нуклеиновая кислота - гистон, примененная ранее к дезоксинуклеиновым кислотам. Во всех фракциях отношение 6-амино- к 6-кетонуклеозидам было близко к единице. В некоторой степени фракционирование происходит при экстракции фенолом, возможно как результат дифференциального связывания нуклеиновых кислот с белками. Анионообменные целлюлозы, такие как ЭКТЕОЛА и ДЭАЭ, широко применяются в настоящее время для фракционирования не только рибонуклеиновых кислот, включая специфичные для аминокислот транспортные РНК, но и рибонуклеопротеидов и даже вирусных препаратов. Для элюирования обычно используют растворы нейтральных или близких к нейтральным солеи. Поразительной особенностью метода является способность этих ионообменников к разделению очень широкого спектра веществ, начиная от изомеров мононуклеотидов и олигонуклеотидов с различной длиной цепи или различного состава и кончая полинуклеотидами чрезвычайно высокого молекулярного веса. Опубликовано сообщение о разделении на колонках из ДЭАЭ-декстрана РНК, меченной валином, от немеченой акцепторной РНК. Для фракционирования рибонуклеиновых кислот были также применены модифицированные ионообменные целлюлозы, в которых к целлюлозе с помощью эпихлоргидрина присоединены нуклеозиды (вместо триэтаноламина), особенно аденозин и гуанозин . Подобное использование ЭКТЕОЛА-целлюлозы для фракционирования или выделения информационной РНК, связанной в данный момент с ДНК, основано на способности к специфическому образованию водородных связей: ЭКТЕОЛА связывает денатурированную ДНК данного организма (для элюирования ДНК необходим растворитель чрезвычайно высокой ионной силы), а информационная РНК элюируется растворами понижающейся ионной силы. Посредством хроматографии на трет-аминоалкилированном крахмале транспортная рибонуклеиновая кислота была разделена на фракции на основании повышенного сродства к тирозину и лейцину. Хроматография на оксиапатите дает хорошее разделение рибонуклеиновых кислот, специфичных для валина и фенилаланина.
В другом методе, имеющем значительную потенциальную ценность, используется поперечно сшитый полидиазостирол, полученный в результате реакции полиаминостирола с азотистой кислотой; метод основан на наблюдениях, что соединения диазония легко реагируют с некоторыми аминокислотами с образованием ковалентно связанных производных. В пределах рН от 7 до 8,5 быстро реагируют только тирозин и гистидин. Препараты транспортных РНК, полностью этерифицированные аминокислотами, встряхивали с нерастворимым полидиазостиролом, который реагировал только с нуклеиновыми кислотами, меченными тирозином и гистидином.
Дальнейшая очистка достигалась повторной этерификацией тирозином при использовании очищенного тирозин-активнрующего фермента и повторной обработкой полидиазостиролом. С неэтерифицированной специфичной к гистидину рибонуклеиновой кислотой реакции не происходило, и она оставалась в растворе, в то время как специфичная к тирозину нуклеиновая кислота освобождалась, как и прежде, при обработке щелочью в мягких условиях. Обе фракции получены почти чистыми в отношении их аминокислотоакцепторной специфичности. Предварительные наблюдения показали, что специфичная к валину рибонуклеиновая кислота, вполне вероятно, может быть этерифицирована дипептидом тирозилвалином.
5. Природа межнуклеотидных связей
Работы по определению способа соединения нуклеотидов в полимерных молекулах НК были успешно завершены в начале 50-х годов сразу после того, как была установлена структура нуклеотидов и изучены некоторые свойства их производных (главным образом эфиров). К этому же времени были разработаны методы выделения и очистки ДНК и РНК, так что исследование природы межмономерных связей проводилось с использованием чистых, хотя и сильно деградированных препаратов НК.
Первые сведения о типе межмономерной, или, как ее принято называть, межнуклеотидной связи были получены с помощью потенциометрического титрования. Эти сведения свидетельствовали о наличии как в РНК, так и в ДНК только одной гпдроксильной группы у каждой фосфатной группы (рКа~1). На основании этого было сделано заключение, что НК содержит структурную единицу дизамещенной фосфорной кислоты.
Естественно было предположить, что фосфатные остатки “сшивают” нуклеозиды за счет двух своих гидроксилов, а один остается свободным. Оставалось выяснить, какие части нуклеозидных фрагментов участвуют в образовании связи с фосфатными группами.
Поскольку НК могут быть дезаминированы действием азотистой кислоты, очевидно, что аминогруппы пиримидиновых и пуриновых оснований не принимают участия в образовании межнуклеотидной связи. Помимо этого потенциометрическое титрование указывало, что и оксо(окси)-группы остатков гуанина и урацила, входящих в состав НК, свободны. На основании этих данных было сделано заключение о том, что межнуклеотидные связи образованы фосфатной группой и гидроксильными группами углеводных остатков (т. е. что они являются фосфодиэфирными), которые, следовательно, и являются ответственными за образование полимерной цепи (НК). Таким образом, то, что принято обычно называть межнуклеотидной связью, представляет собой по существу узел, включающий систему связей:
(где С - первичный или вторичный атомы углерода остатка углевода). При гидролизе ДНК и РНК в зависимости от условий реакции, образуются нуклеотиды с разным положением фосфатного остатка:
Если предположить, что в НК все межнуклеотидные связи идентичны, то, очевидно, что они могут включать помимо фосфатного остатка только З"-гидроксильную группу одного нуклеозидного звена и 5"-гидроксильную группу другого нуклеозидного звена (3"-У-связь). В случае же их неравноценности в полимерной цепи ДНК могли бы одновременно существовать три типа связей: 3"-5", 3"-3" и 5"-5". Для РНК за счет участия 2 / -гидpoкcилы I-oй группы число типов связи должно было быть еще больше.
Установить истинную природу межнуклеотидных связей в нативных ДНК и РНК удалось в результате направленного расщепления биополимеров с помощью химического и ферментативного гидролиза и последующего выделения и идентификации полученных при этом фрагментов.
Химический гидролиз ДНК как метод деградации полимера с целью установления природы межнуклеотидной связи оказался практически непригодным. ДНК не расщепляется при щелочных значениях рН, что хорошо согласуется с предположением о фосфодиэфирной природе межнуклеотидной связи (устойчивость диалкилфосфатов в щелочной среде обсуждалась в разделе). При обработке кислотой даже в мягких условиях ДНК расщепляется как по фосфодиэфирным, так и по N-гликозидным связям, образованным пуриновыми основаниями. Вследствие этого расщепление полимера протекает неоднозначно, но из продуктов кислотного гидролиза ДНК все же удалось выделить ди-фосфаты пиримидиновых дезоксинуклеозидов, которые оказались идентичными синтетическим 3",5"-дифосфатам дезоксицитидина и дезокситимидина:
Здесь же важно отметить, что наличие этих соединений в продуктах деградации ДНК указывает на участие обеих гидроксильных групп, по крайней мере пиримидиновых мономерных компонентов, в образовании межнуклеотидной связи.
Более специфическим оказалось ферментативное расщепление ДНК. При обработке препаратов ДНК фосфодиэстеразой (ФДЭ) змеиного яда полимер практически полностью гидролизуется до дезоксннуклеозид-5"-фосфатов, структура которых была Остановлена сравнением с соответствующими нуклеотидами, полученными встречным синтезом.
Эти данные свидетельствуют об участии 5"-гидроксильных групп всех четырех дезоксинуклеозидов, входящих в состав ДНК, в образовании межнуклеотидной связи. Аналогично, но до 3"-фосфатов дезоксинуклеозидов расщепляется ДНК в присутствии ФДЭ, выделенной из Микрококков или из селезенки.
Из данных гидролиза ДНК фосфодиэстеразами различной специфичности становится очевидным, что связь нуклеозидных остатков в ДНК осуществляется фосфатной группой, которая одновременно этерифицирует гидроксильную группу у вторичного атома углерода (положение 3") одного нуклеозидного звена и гидроксильную группу у первичного атома углерода (положение 5") - другого нуклеотидного звена.
Таким образом, было убедительно доказано, что в ДНК межнуклеотидная связь осуществляется за счет фосфатной группы, а также 3"- и 5"-гидроксильных групп нуклеозидных остатков [(а) и (б) - направления расщепления полинуклеотидной цепи ДНК фосфодиэстеразами соответственно змеиного яда и селезенки или микрококков]:
Предположение о возможности иного строения полимера с регулярно перемежающимися связями нуклеозидных остатков по типу 3"-3" и 5"-5" было отвергнуто, так как оно не удовлетворяло всем экспериментальным данным. Так, полимер такого типа не должен был бы полностью гидролизоваться (до мономеров) в присутствии ФДЭ змеиного яда, избирательно расщепляющей только алкиловые эфиры нуклеозид-5" –фосфатов. То же можно сказать о ФДЭ селезенки, селективно гидролизирующей алкиловые эфиры нуклеозид-3"-фосфатов.
Самым неясным и сложным оказался вопрос о природе межнуклеотидной связи в РНК. Уже на начальных стадиях при изучении строения РНК было установлено что, они чрезвычайно неустойчивы при щелочном гидролизе. Основными продуктами щелочного гидролиза РНК являются рибонуклсозид-2"- и рибонуклеозид-З"-фосфаты, образующиеся практически в равных количествах.
Рибонуклеозид-5"-фосфаты при этом не образуются. Эти данные не укладывались в представления о фосфодиэфирной природе межнуклеотидной связи в РНК и требовали всестороннего изучения. Очень важную роль в таком исследовании, которое выполнили в начале 50-х гг. Тодд с сотрудниками, сыграли синтетические алкиловые эфиры рибонуклеотидов, которые были получены специально, чтобы промоделировать тот или иной тип фосфодиэфирной связи.
Исследования школы Тодда предоставили данные о механизмах превращения алкиловых эфиров рибонуклеотидов в щелочной среде позволили предположить, что в РНК, так же как и в ДНК, межнуклеотидная связь осуществляется фосфатной группой и 3"- и 5"-гидроксильными группами углеводных остатков. Подобная связь в РНК должна очень легко расщепляться в щелочной среде, так как соседняя 2"-гидроксильная группа должна катализировать этот процесс при рН>10, когда начинается ионизация гидроксильных групп рибозы. Очень важно подчеркнуть, что промежуточными соединениями при щелочном расщеплении должны быть все четыре рибонуклеозид-2",З"-циклофосфата, а конечными - образующиеся при их гидролизе рибонуклеозид-3"-фосфаты и рибонуклеозид-2"-фосфаты (четыре пары изомеров).
Данные щелочного гидролиза ограничили количество возможных для РНК типов межнуклеотидных связей, но не прояснили вопроса о том, как построен этот полимер.
Самые точные сведения о типе межнуклеотидной связи в РНК, как и в случае ДНК, были получены с помощью ферментативного гидролиза.
Гидролиз РНК с использованием ФДЭ змеиного яда, протекающий до рибонуклеозид-5"-фосфатов, подтвердил уже прямым путем предположение об участии 5"-гидроксильных групп в образовании фосфодиэфирной связи между мономерными звеньями.
В дальнейшем были получены данные, на основе которых можно утверждать, что это действительно так (в результате открытия фосфоролиза РНК в присутствии фермента полинуклеотидфосфорилазы (ПНФаза), приводящего к образованию рибонуклеозид-5"-пирофосфатов):
Надо было только выяснить природу второй гидроксильной группы, участвующей в образовании межнуклеотидной связи. Частично решить эту задачу помог еще один фермент, который использовался для направленного расщепления РНК, - пиримидиловая рибонуклеаза (РНаза).
Ранее было показано, что этот фермент расщепляет только алкиловые эфиры пиримидиновых рибонуклеозид-3"-фосфатов до рибонук-леозид-3"-фосфатов (через промежуточный рибонуклеозид-2",З"-циклофосфат). Оказалось, что аналогичным образом этот фермент действует и на РНК. В экспериментах с любыми образцами очищенной РНК было обнаружено, что количество фосфорной кислоты, которая образуется при обработке полимера последовательно пиримидиловой РНазой и фосфомоноэстеразой (ФМЭ), а также количество иодной кислоты, затрачиваемой на последующее окисление, эквивалентно количеству остатков пиримидинов в данном образце РНК. Это говорило в пользу того, что по крайней мере пиримидиновые нуклеотиды в РНК связаны с соседними нуклеотидами только посредством 3"-5"-межнук-леотидной связи. Этот вывод подтверждают данные щелочной обработки ферментативных гидролизатов РНК, полученных после действия на нее РНазы: в щелочной среде миграция фосфатного остатка в рибонуклеозид-З"- и -2"-фосфатах невозможна, и наличие в соответствующих гидролизатах только пиримидиновых рибонуклеозид-З"-фосфатов делает очевидным 3"-5"-тип межнуклеотидной связи для пиримидиновых нуклеотидов.
6. Нуклеиновые кислоты, их значение
Значение нуклеиновых кислот очень велико. Некоторые особенности в химическом строения обеспечивают возможность ранения, переноса в цитоплазму и передачи по наследству дочерним клеткам информации о структуре белковых молекул, которые синтезируются в каждой клетке. Белки обусловливают большинство свойств и признаков клеток. Понятно поэтому, что стабильность структуры нуклеиновых кислот - важнейшее условие нормальной жизнедеятельности клеток и организма в целом. Любые изменения строения нуклеиновых кислот влекут за собой изменения структуры клеток или активности физиологических процессов в них, влияя таким образом на жизнеспособность.
Известно два типа нуклеиновых кислот: ДНК и РНК. ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) - биологический полимер, состоящий из двух полинуклеотидных цепей, соединенных друг с другом Мономеры, составляющие каждую из цепей ДНК, представляют собой сложные органические соединения, включающие одно из четырех азотистых оснований: аденин (А) или тимин (Т), цитозин (Ц) или гуанин (Г); пятиатомный сахар пентозу - дезоксирибозу, по имени которой получила название и сама ДНК, а также остаток фосфорной кислоты. Эти соединения носят название нуклеотидов. В каждой цепи нуклеотиды соединяются путем образования ковалентных связей между дезоксирибозой одного и остатком фосфорной кислоты последующего нуклеотида. Объединяются две цепи в одну молекулу при помощи водородных связей, возникающих между азотистыми основаниями, входящими в состав нуклеотидов, образующих разные цепи. Количество таких связей между разными азотистыми основаниями неодинаково и вследствие этого они могут соединяться только попарно: азотистое основание А одной цепи полинуклеотидов всегда связано двумя водородными связями с Т другой цепи, а Г - тремя водородными связями азотистым основанием Ц противоположной полинуклеотидной цепочки. Такая способность к избирательному соединению нуклеотидов называется комплиментарностью. Комплиментарное взаимодействие нуклеотидов приводит к образованию пар нуклеотидов. В полинуклеотидной цепочке соседние нуклеотиды связаны между собой через сахар и остаток фосфорной кислоты.
РНК (рибонуклеиновая кислота), так же как ДНК, представляет собой полимер мономерами которого служат нуклеотиды. Азотистые основания те же самые, что входят в состав ДНК (аденин, гуанин, цетозин); четвертое - урацил - присутствует в молекуле РНК вместо тимина. Нуклеотиды РНК содержат вместо дизоксирибозы другую пентозу - рибозу. В цепочке РНК нуклеотиды соединяются путем образования ковалентных связей между рибозой одного нуклеотида и остатком фосфорной кислоты другого.
Известны двух- и одноцепочные молекулы рибонуклеиновой кислоты. Двухцепочные РНК служат для хранения и воспроизведения наследственной информации у некоторых вирусов, т.е. выполняют у них функции хромосом. Одноцепочные РНК осуществляют перенос информации о последовательности аминокислот в белках от хромосомы к месту их синтеза и участвуют в процессах синтеза.
Существует несколько видов одноцепочных РНК. Их названия обусловлены выполняемой функцией или местом нахождения в клетке. Основную часть РНК цитоплазмы (80-90%) составляет рибосомальная РНК (рРНК). Она содержится в органоидах клетки, осуществляющих синтез белков, - рибосомах. Размеры молекул рРНК относительно невелики, они содержат от 3 до 5 тысяч нуклеотидов. Другой вид РНК - информационные (иРНК), переносящие от хромосом к рибосомам информацию о последовательности аминокислот в белках, которые должны синтезироваться. Транспортные РНК (рРНК) включают 76-85 нуклеотидов и выполняют несколько функций. Они доставляют аминокислоты к месту синтеза белка, “узнают” (по принципу комплиментарности) участок иРНК, соответствующий переносимой аминокислоте, осуществляет аминокислоты на рибосоме.
7. Список литературы
- Н. Грин, У. Стаут, Д. Тейлор – Биология.
- З.А. Шабарова и А.А. богданов – Химия нуклеиновых кислот и их полимеров.
- А.П. Пехов – Биология и общая гинетика.
- 2. А. Микельсон – Химия нуклеозидов и нуклеотидов.
- З. Гауптман, Ю. Грефе, Х. Ремане – Органическая химия.
Нуклеиновые кислоты - это высокомолекулярные органические соединения, имеющие первостепенное биологическое значение. Впервые они были обнаружены в ядре клеток (в конце XIX в.), отсюда и получили соответствующее название (нуклеус - ядро). Нуклеиновые кислоты хранят и передают наследственную информацию.
Существует два вида нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновая (ДНК) -и рибонуклеиновая кислота (РНК). Основное местоположение ДНК - ядро клетки. ДНК обнаружена также в некоторых органоидах (пластиды, митохондрии, центриоли). РНК встречаются в ядрышках, в рибосомах и цитоплазмеклеток.
Молекула ДНК состоит из двух спирально закру ченных друг возле друга нитей. Ее мономерами служат нуклеотиды. Каждый нуклеотид - химическое соединение, состоящее из трех веществ: азотистого основания, пятиатомного сахара дезоксирибозы и остатка фосфорной кислоты. Существуют четыре вида азотистых оснований: аденин (А), тимин (Т), гуанин (Г) и цитозин (Ц), которые в молекуле ДНК образуют четыре вида нуклеотидов: адениловый, тимидиловый, гуаниловый и цитидиловый.
Схема строения нуклеотида
Азотистые основания в молекуле ДНК соединены между собой неодинаковым количеством водородных связей. Аденин - тимин соответствуют друг другу по пространственной конфигурации и образуют две водородные связи. Точно так же соответствуют по своей конфигурации молекулы гуанина и цитозина, они соединяются тремя водородными связями. Способность к избирательному взаимодействию аденина с тимином, а гуанина с цитозином, основанная на особенностях расположения в пространстве атомов этих молекул, называется комплементарностью (дополнительностью). В полинуклеотидной цепочке соседние нуклеотиды связаны между собой через сахар (дезоксирибозу) и остаток фосфорной кислоты. В молекуле ДНК последовательно соединены многие тысячи нуклеотидов. Молекулярная масса этого соединения достигает десятков и сотен миллионов.
ДНК называют веществом наследственности. Биологическая наследственная информация зашифрована (закодирована) в молекулах ДНК с помощью химического кода. В клетках всех живых существ один и тот же код. В его основе лежит последовательность соединения в нитях ДНК четырех азотистых оснований: А, Т, Г, Ц. Различные комбинации трех смежных нуклеотидов образуют триплеты называемые кодонами. Последовательность кодонов в нити ДНК в свою очередь определяет (кодирует) последовательность расположения аминокислот в полипептидной белковой цепи. Для каждой из 20 аминокислот, из которых клетки строят все без исключения белки данного организма, существует свой специфический кодон, причем соседние триплеты не перекрываются: в процессе считывания информации с молекулы ДНК азотистые основания одного кодона никогда не включаются в состав другого-считывается тройка тех нуклеотидов и в той последовательности, в какой они представлены в данном конкретном кодоне. Каждому триплету соответствует одна из 20 аминокислот.
Из четырех азотистых оснований (Г, Ц, А, Т) в каждый триплет входят только три в различном сочетании:
Г-А-Т, Ц-Г-А, А-Ц-Т, Г-Ц-Г, Т-Ц-Т и т. д. Таких неповторяющихся сочетаний может быть 4х4х4=64, а число аминокислот равно 20.
В результате некоторые аминокислоты кодируются несколькими триплетами. Эта избыточность кода имеет большое значение для повышения надежности передачи генетической информации. Например, аминокислоте аргинину соответствуют триплеты ГЦА, ГЦГ, ГЦТ, ГЦЦ. Понятно, что случайная замена третьего нуклеотида в этих триплетах никак не отразится на структуре синтезируемого белка. В приведенной ниже схеме условно показана последовательность пяти триплетов-кодонов на небольшом участке нити ДНК. Чередование отдельных нуклеотидов в одной нити ДНК может варьировать как угодно, но последовательность их в другой нити должна быть комплементарна ей, например:
1-я нить ГАТ____ ЦГА____АЦТ____ГЦГ____ТЦТ и т.д.
2-я нить ЦТА____ГЦТ____ТГА____ЦГЦ____ АГА и т. д.
Клетка обладает необходимым механизмом самоудвоения (ауторепродукции) генетического кода. Процесс самоудвоения идет поэтапно: вначале с помощью ферментов разрываются водородные связи между азотистыми основаниями. В результате этого одна нить ДНК отходит от другой, затем каждая из них синтезирует новую путем присоединения комплементарных нуклеотидов, находящихся в цитоплазме. Поскольку каждое из оснований в нуклеотидах может присоединить другое основание только комплементарное себе, то воспроизводится точная копия "материнской" молекулы ДНК. Иными словами, каждая нить ДНК служит матрицей, а ее удвоение называется матричным синтезом. Матричный синтез напоминает отливку на матрице монет, медалей, типографского шрифта и т. п., при котором затвердевшая отливка должна быть точной копией исходной формы. Поэтому в живых клетках в результате удвоения новые молекулы ДНК имеют ту же структуру, что и первоначальные: одна нить была исходной, а вторая собрана заново.
Так как новые молекулы ДНК имеют ту же структуру, что и исходные, в дочерних клетках сохраняется та же наследственная информация. Однако в случае перестановки или замены нуклеотидов на другие либо полного их выпадения в любом участке ДНК возникшее искажение будет в точности скопировано в дочерних молекулах ДНК. В этом и заключается молекулярный механизм изменчивости: любое искажение наследственной информации на участке ДНК в процессе самокопирования будет передаваться от клетки к клетке, из поколения в поколение
Другое важное свойство молекул ДНК - способность синтезировать на отдельных участках разъединенных нитей рибонуклеиновые кислоты. Для этого используются ферменты (РНК-полимераза) и требуются за
Траты энергии. ДНК передает на нить РНК свой порядок чередования нуклеотидов по принципу матричного синтеза. Этот процесс называетсятранскрипцией РНК-однонитевая молекула, она значительно короче ДНК. Каждый нуклеотид в ней состоит из пятиатомного сахара рибозы, остатков фосфорной кислоты и азотистого основания. Их здесь также четыре: аденин, гуанин, цитозин, но вместо тимина присутствует близкий ему по строению урацил (У), комплементарный аденину.
Схема строения рибонуклеотида
Выделяют РНК информационную (иРНК), транспортную (тРНК) и рибосомную (рРНК). При этом иРНК снимает информацию с участка молекулы ДНК и затем мигрирует к рибосомам, расположенным в цитоплазме клетки, а тРНК доставляет аминокислотные остатки к рибосомам. Нить тРНК короткая и состоит всего лишь из 70-80 нуклеотидов. Один из участков тРНК содержит триплет, к которому присоединяется одна из 20 аминокислот. Для каждой аминокислоты имеется своя тРНК. Присоединение аминокислоты активируется специфическим ферментом, благодаря чему тРНК "узнает" ту или иную аминокислоту. Второй участок тРНК имеет триплет, комплементарный одному из триплетов иРНК; этот триплет на тРНК называется антикодоном. В конечном счете аминокислота занимает свое место в полипеп-тидной цепочке в соответствии с информацией на иРНК, которая распознается благодаря комплементарности антикодона тРНК кодону иРНК.
РРНК входит в состав рибосом, образуя с белками рибосомные тельца, являющиеся местом синтеза белка. Она вступает также в связь с иРНК, и этот комплекс осуществляет синтез белка.
Сравнительная характеристика ДНК и РНК (Т.Л. Богданова. Биология. Задания и упражнения. Пособие для поступающих в ВУЗы. М.,1991)
|
Признаки |
||
|
Местонахождение в клетке |
Ядро, митохондрии, хлоропласты |
Ядро, рибосомы, цитоплазмы, митохондрии, хлоропласты |
|
Местонахождение в ядре |
Хромосомы |
|
|
Строение макромолекулы |
Двойной неразветвленный линейный полимер, свернутый правозакручен-ной спиралью |
Одинарная полинуклеотидная цепочка |
|
Мономеры |
Дезоксирибонуклеотиды |
Рибонуклеотиды |
|
Состав нукле-отида |
Азотистое основание (пу-риновое - аденин, гуанин, пиримидиновое -тимин, цитозин); дезоксирибоза (углевод); остаток фосфорной кислоты |
Азотистое основание (пу-риновое - аденин, гуанин. пиримидиновое - урацил, цитозин); рибоза (углевод); остаток фосфорной кислоты |
|
Типы нуклео-тндов |
Адениловый (А), гуа-ниловый (Г), тимидиловый (Т), цитидиловый (Ц) |
Адениловый (А),гуани-ловый (Г), уридиловый (У), цитидиловый (Ц) |
|
Свойства |
Способна к самоудвоению по принципу комп-лементарности (редупликации): А=Т, Т=А, Г=Ц, Ц= Г Стабильна |
Не способна к самоудвоению. Лабильна |
|
Химическая основа хромосомного генетического материала (гена); синтез ДНК; синтез РНК; информация о структуре белков |
Информационная (иРНК) - передает код наследственной информации о первичной структуре белковой молекулы;рибосомальная (рРНК) - входит в состав рибосом; транспортная (тРНК) - переносит аминокислоты к рибосомам; митохондриальная ипластидная РНК - входят в состав рибосом этих органелл |
