Строение и функции нуклеиновых кислот.

Строение и функции нуклеиновых кислот.

Наследственность всех организмов связана с функциями нуклеиновых кислот, представляющих собой генетический материал всех живых организмов вплоть до вирусов.

Нуклеиновые кислоты впервые были обнаружены швейцарским биохимиком Мишером в 1869 г. в ядрах животных клеток. Это вещество, локализованное, по его данным, в ядре и содержащее азот и фосфор, было названо им нуклеином (от лат. nucleus - ядро). В 1914 г. Фельгену удалось продемонстрировать цветную реакцию на ДНК в пробирке. Спустя десять лет при помощи этой реакции Фельген показал, что ядерная ДНК сконцентрирована в хромосомах.

Нуклеиновые кислоты - сложные биологические полимеры, состоящие из более простых структурных компонентов (мономеров) — нуклеотидов. Каждый нуклеотид состоит из трех компонентов: молекулы сахара, молекулы азотистого основания и молекулы фосфорной кислоты.

Сахар, входящий в состав нуклеотида, содержит пять углеродных атомов, т.е. является пентозой. В зависимости от вида пентозы, различают два вида нуклеиновых кислот — рибонуклеиновые кислоты (РНК), содержащие рибозу, и дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК), содержащие дезоксирибозу, в которой на один атом кислорода меньше (-ОН-группа при одном из атомов углерода заменена у нее на атом -Н). В обоих типах нуклеиновых кислот содержатся основания четырех разных видов: два из них относятся к классу пуринов, два - к классу пиримидинов. Азот, содержащийся в кольцах придает молекул основные свойства. К пуринам относят аденин (А) и гуанин (Г), к пиримидинам - цитозин (Ц) и тимин (Т) или урацил (У) (соответственно в ДНК или РІЖ). В молекуле пуринов имеется два кольца, а в молекуле пиримидинов - одно. В РНК вместо тимина, присутствующего в ДНК, содержится урацил. Тимин химически близок к урацилу.

Нуклеиновые кислоты являются кислотами, так как в их состав входит фосфорная кислота. Сахар, азотистое основание и фосфорная кислота, объединяясь, образуют молекулу нуклеотида. В результате соединения сахара с основанием образуется нуклеозид. Соединения их с рибозой дают рибонуклеозиды, а с дезоксирибозой - дезоксирибонуклеозиды. Соединение происходит с выделением молекулы воды (реакция конденсации). Далее, в результате второй реакции конденсации, нуклеозид соединяется с фосфорной кислотой с образованием фосфодиэфирной связью.

Нуклеозиды, присоединяя к своей гидроксильной группе фосфорную кислоту, образуют фосфорные эфиры, которые и называют нуклеотидами. Аналогично образуются все нуклеотиды РНК и ДНК. Сахар в нуклеотидах соединяется с основаниями глюкозидной связью, а с фосфорной кислотой - эфирными связями. В результате соединения двух нуклеотидов образуется динуклеотид путем образования между фосфатной группой одного нуклеотида и сахаром другого фосфодиэфирного мостика- При синтезе полинуклеотида этот процесс повторяется несколько миллионов раз. Неразветвленный сахарофосфатный остов полинуклеотида строится путем образования фосфодиэфирных мостиков между 3'- и 5'-углеродами остатков Сахаров. Фосфодиэфирные мостики возникают за счет прочных ковалентных связей, придающих полинуклеотидной цепи прочность и стабильность. Процесс связывания отдельных нуклеотидов в молекулы нуклеиновых кислот называется полимеризацией.

Нуклеиновые кислоты - высокомолекулярные соединения, так как в их состав входит много нуклеотидов. Например, молекула ДНК состоит из 10-25 тыс. нуклеотидов

и ее молекулярная масса может достигать 4—8 млн. и выше. Молекула РНК - до 4-6 тыс. нуклеотидов с молекулярной массой около 1,5-2 млн.

Молекула РНК представлена одной длинной неразветвленной цепью, ДНК - двумя полипептидными цепями. В клетках обнаружены три вида РНК: информационная, или матричная - и-РНК (м-РНК), транспортная (т-РНК) и рибосомная (р-РНК). Молекула и- РНК состоит из сотен нуклеотидов, ее длина может достигать нескольких тысяч ангстрем. Функция и-РНК - передача наследственной информации из ядра в цитоплазму. Транспортная РНК представлена двадцатью различными формами — по числу аминокислот, входящих в состав молекул белков. Длина ее молекулы около 0,026 мкм, в состав входят около 70 нуклеотидов. Функция т-РНК - доставка аминокислот к месту синтеза белковых молекул - к рибосомам эндоплазматической сети, в которых содержится рибосомная РНК. р-РНК имеет молекулярную массу 1,5-2 млн. и состоит из 4-6 тыс. нуклеотидов.

В результате взаимодействия трех видов РНК в клетках осуществляется синтез специфических ферментов и всех белков. РНК всех живых организмов не способна к делению и самоудвоению, она образуется по моделям соответствующих молекул ДНК. Однако, следует отметить, что РНК многих видов вирусов способна к авторепродукции.

Нуклеиновые кислоты, подобно белкам, обладают первичной структурой (под которой подразумевается их нуклеотидная последовательность) и трехмерной структурой. Интерес к структуре ДНК усилился, когда в начале XX века было высказано предположение, что ДНК представляет собой генетический материал. В начале 50-х годов американский химик лауреат Нобелевской премии Лайнус Полинг, изучивший а- спиральную структуру фибриллярных белков, решил исследовать структуру ДНК, которая, согласно научным предположением тех лет, являлась фибриллярной молекулой. Одновременно в Королевском колледже в Лондоне Морис Уилкиннс и Розалинда Франклин также работали над этой проблемой с использованием метода рентгеноструктурного анализа. Параллельно с этими учеными свои исследования по выявлению структуры ДНК проводили Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета. Они избрали иной подход для исследования, который, в конечном счете, обеспечил им успех. Данный подход заключался в том, что они использовали для решения проблемы все физические и химические данные, имевшиеся в их распоряжении. На их основании ученые строили пространственные модели ДНК, пытаясь получить структуру, согласующуюся с этими данными. В решении данной проблемы решающую роль сыграли два обстоятельства. Во-первых, они имели возможность регулярно знакомиться с результатами работ Уилкинса и, сопоставляя с его рентгенограммами свои модели, могли их проверять и вносить коррективы. Рентгенограммы, полученные Уилкинсом, свидетелтствовали о спиральной структуре молекулы ДНК с периодичностью 0,34 нм вдоль оси. Во-вторых, Уотсон и Крик не упустили из внимания закономерностей соотношения различных оснований в ДНК, которые были обнаружены в 1951 г. Эрвином Чаргаффом. Э. Чаргафф сформулировал следующие общие положения:

1) молярная сумма пуриновых оснований (аденин+гуанин) равна сумме пиримидиновых оснований (цитозин+тимин);

2) молярное содержание аденина равно таковому тимина, а гуанина - цитозина. Ученые решили проверить предположение о том, что молекула ДНК состоит из двух спиральных полинуклеотидных цепей, удерживаемых вместе благодаря спариванию оснований, принадлежащих соседним цепям, путем образования водородных связей.

Благодаря выдающимся исследованиям Уотсона и Крика было установлено строение ДНК, которая представлена двумя полинуклеотидными цепями, каждая из которых закручена в правостороннюю спираль, и обе они закручены вместе вокруг одной и той же оси, образуя двойную спираль. Цепи антипараллелъны, т. е. направлены в противоположные стороны - З'-конец одной цепи располагается напротив 5'-конца

другой. Каждая цепь состоит из сахарофосфатного остова, вдоль которого перпендикулярно длинной оси двойной спирали располагаются основания. Диаметр двойной спирали постоянен и составляет 2 нм. Вдоль оси молекулы соседние пары оснований располагаются на расстоянии 0,34 нм. Полный оборот спирали приходится на 3,4 нм, т. е. 10 пар оснований. Таким образом, пуриновому основанию одной цепи всегда соответствует пиримидиновое основание другой, и наоборот, т.е. аденин всегда связан с тимином, гуанин с цитозином - принцип комплементарности. Обе нити ДНК взаимно дополняют друг друга, т.е. они комплементарны. Правило Чаргаффа вытекает из попарного соединения пуриновых и пиримидиновых оснований - количество аденина всегда точно соответствует количеству тимина, а количество гуанина - количеству цитозина, т. е. А=Т, или АЛГ=1, а Ц=Г, или Ц/Г-1. следовательно, (А+Т)/(Г+Ц) =1

С помощью модели Уотсона - Крика удалось объяснить многие важные биологические свойства ДНК, эта модель общепризнанна.

Одно из важнейших свойств ДНК - способность ее к самоудвоению (репликации). Вопрос ауторепродукции ДНК долгое время волновал ученых. Каким образом молекула ДНК, состоящая из двух спиралей, образует себе подобные дочерние молекулы?

Можно считать бесспорным, что процесс удвоения молекулы происходит в стадии интерфазы (S-период). Уотсон и Крик высказали предположение, что две цепи, образующие спираль, могут раскручиваться и разделяться, после чего каждая из них служит матрицей, к которой путем спаривания оснований пристраивается комплементарная цепочка нуклеотидов. Таким образом, из каждой исходной молекулы ДНК получаются две копии с идентичной структурой. М. Дельбрук и Дж. Стент в 1957 г. предложили три схемы удвоения молекулы ДНК:

1. консервативная схема - исходная двойная спираль ДНК остается неизменной и целостной в процессе синтеза и строит новую подобную себе двухцепочечную молекулу;

2. попуконсервативная схема - цепи двойной молекулы ДНК расходятся, не разрываясь, и каждая из одиночных цепей ДНК служит матрицей для образования комплементарной цепи,

3. дисперсионная схема - в процессе удвоения молекулы ДНК составляющие ее цепи разрываются или разрушаются, в результате чего синтез дочерних цепей осуществляется путем случайного перекомбинирования фрагментов исходных молекул.

В 1956 г. Корнбергу удалось продемонстрировать in vitro синтез молекулы ДНК, используя в качестве матрицы одиночную цепь ДНК. Корнберг выделил из Е. coli и очистил фермент, который способен связывать друг с другом свободные нуклеотиды в присутствии АТФ как источника энергии с образованием комплементарной цепи ДНК. Он назвал этот фермент ДНК- полимеразой. Дальнейшие данные подтвердили, что именно в этой форме нуклеотиды легко присоединяются к ДНК-матрице и друг к другу. Когда нуклеозидгрифосфаты связываются между собой, две концевые фосфатные группы отщепляются. Оставшаяся фосфатная группа нуклеотида и освобождающаяся энергия используются для образования эфирной связи с углеродными атомами 5 и 3 остатков сахара соседних нуклеотидов (рис. 8).

Установлено, что начало репликации активируется праймерами (затравками), состоящими из 100-200 пар нуклеотидов. Репликация начинается одновременно в нескольких участках молекулы ДНК. Участок молекулы ДНК от точки начала одной репликации до точки начала другой получил название репликона. В каждом репликоне фермент ДНК-хеликаза раскручивает и разделяет материнскую спираль ДНК на две нити, на которых по принципу комплементарности при участии фермента ДНК- нолимеразы осуществляется сборка дочерних цепей, которые скручивает в спираль фермент ДНК-топоизомераза. В 1967 г., Корнберг показал, что ДНК-полимераза присоединяет нуклеотиды только в направлении 5'-»3'. Поскольку две цепи ДЖ антипараллельны, т. е. направление 5'—»3' у них противоположно, ДНК-полимераза может

непрерывно строить лишь одну новую цепь молекулы ДНК. Данная цепь молекулы ДНК получила название лидирующей. Другая дочерняя молекула ДНК синтезируется от­дельными короткими участками (получившими название фрагментов Оказаки) под действием ДНК-полимеразы, движущейся в противоположном направлении. Эти короткие участки новосинтезируемой полинуклеотидной цепи связываются воедино другим ферментом - ДНК-лигазой. Данная нить молекулы ДНК получила название отстающей. Способ репликации ДНК, предложенный Уотсоном и Криком, известен вод названием полуконсервативной репликации, так как при этом каждая новая двойная спираль сохраняет одну цепь исходной двойной спирали ДНК.

Репликация ДНК характеризуется следующими свойствами:

1. полуконсервативностъю;

2. антипараллельностью;

3. прерывистостью.

Таким образом, молекула ДНК является носителем генетической информации организма, зашифрованной в виде последовательности нуклеотидов. Система записи генетической информации в молекулах ДНК и и-РНК в виде нуклеотидной последовательности получила название генетического кода.

Генетический код характеризуется следующими свойствами:

1. Триплетность - одной аминокислоте в белковой полипептидной цепи соответствуют три расположенных рядом нуклеотида молекулы ДНК (и-РНК); следовательно, минимальная единица функции - триплет (кодон).

2. Вырожденность (избыточность) - количество возможных триплетов 64, а аминокислот - 20, поэтому одну аминокислоту может кодировать несколько триплетов.

3. Неперекрываемость - один нуклеотид входит в состав только одного триплета.

4. Универсальность - у всех живых организмов одинаковые триплеты кодируют одинаковые аминокислоты.

5. Однонаправленность считывания - в каждом репликоне ДНК-полимераза движется только в одном направлении 5'—>3'.

6. Среди триплетов генетического кода есть такие, которые не кодируют аминокислот. Они получили название «nonsensw-кодонов (кодоны-терминаторы), обозначающими конец синтеза данной полипептидной молекулы белка. К ним относятся в молекуле ДНК: АТТ, АЦТ, АТЦ; в РНК: УАА, УГА, УАГ.

Таким образом, современные знания о функционировании гена на молекулярном уровне могут быть обобщены в следующем виде:

1. Ген характеризуется определенным набором нуклеотидов и определенной последовательностью их в молекуле ДНК.

2. В различных генах количество нуклеотидов различно.

3. Ген непосредственно не участвует в синтезе белка, он выступает в роли матрицы, с которой «переписывается» последовательность нуклеотидов. Переписывание лишь копирует каждый участок одной нити ДНК, соответствующий более чем одному гену.

4. Первичным продуктом гена является и-РНК с последовательностью оснований, комплементарной смысловой нити ДНК; именно этот продукт гена и является детерминирующим началом для специфического белкового синтеза. При этом само считывание гена находится также под генным контролем и контролем факторов внешней среды.

5. С шаблона гена может быть скопировано много матриц и-РНК.

Дата добавления: 2015-08-29