Лекция 26. Структура и биологическая роль нуклеозидов, нуклеотидов и нуклеиновых кислот.

Лекция 26. Структура и биологическая роль нуклеозидов, нуклеотидов и нуклеиновых кислот.

Тема 18. Структура та біологічна роль нуклеозидів, нуклеотидів та нуклеїнових кислот.

Тема 18. Структура и биологическая роль нуклеозидов, нуклеотидов и нуклеиновых кислот.

Загальна характеристика будови нуклеїнових кислот

Нуклеїнові кислоти - це високомолекулярні органічні сполуки, які складаються з великої кількості залишків мононуклеотидів (нуклеотидів), з'єднаних 3',5'-фосфодиефірними зв'язками в полінуклеотидні ланцюги, і які виконують важливу роль у збереженні й передачі генетичної інформації, беруть участь у біосинтезі та регуляції біосинтезу специфічних білків живого організму.

Нуклеїнова кислота - це гетерополімер, мономери якого представлені не однією певною речовиною, а трьохкомпонентним утворенням - нуклеотидом. Нуклеотиди складаються із гетероциклічної основи, сполученої з вуглеводним залишком, етерифікованим, у свою чергу, фосфорною кислотою.

За умови повного гідролізу нуклеїнової кислоти утворюються пуринові і піримідинові основи, моносахарид пентоза (рибоза або дезоксирибоза) і фосфорна кислота. Усі нуклеїнові кислоти поділяються на два типи в залежності від того, яка пентоза входить до їх складу. Нуклеїнова кислота називається рибонуклеїновою (РНК), якщо до її складу входить рибоза, або дезоксирибонуклеїновою (ДНК), якщо до її складу входить дезоксирибоза. Пентози у складі нуклеїнових кислот присутні завжди в β-D-фуранозній формі:

Вуглецеві атоми пентози нумеруються цифрами зі знаком «штрих», аби відрізнити їх від нумерації атомів азотистої основи. Незначна відмінність, присутність водню замість гідроксильної групи біля С-2'-рибози є однією з основних ознак суттєвої різниці у будові та властивостях ДНК і РНК.

Азотисті основи. Азотисті основи, які входять до складу нуклеїнових кислот, є похідними гетероциклічних сполук пурину і піримідину. Молекула пурину складається із двох конденсованих кілець: піримідину та імідазолу. Серед піримідинових основ головна роль належить цитозину (Ц), урацилу (У) і тиміну (Т, 5-метилурацил), а серед пуринових основ - аденіну (А) і гуаніну (Г). Вони являють собою або оксо- (урацил, тимін), або аміно- (аденін), або змішані - оксо- і аміно- (цитозин, гуанін) похідні піримідину чи пурину. Для оксопохідних піримідину і пурину характерна лактим-лактамна таутомерія.

Тому азотисті основи здатні існувати в різноманітних таутомерних формах, проте стійкішими є лактамні (оксо-) форми. У такій формі вони входять до складу нуклеїнових кислот.

До складу ДНК входять аденін, гуанін, цитозин, тимін; до складу РНК - аденін, гуанін, цитозин, а замість тиміну - урацил.

Азотисті основи поглинають світло в ультрафіолетовій частині спектра з довжиною хвиль 200-300 нм і максимумом близько 260 нм. Ця властивість використовується при кількісному визначенні нуклеїнових кислот.

Окрім названих вище азотистих основ, які називаються головними, у нуклеїнових кислотах у невеликих кількостях наявні рідкісні, так звані, мінорні основи. Наприклад:

Особливо багатими на мінорні основи є транспортні РНК, які мають велику кількість різновидів (близько 60).

В останні роки деякі синтетичні похідні піримідину й пурину використовуються як лікарські засоби. Вони за будовою подібні до природних метаболітів (У, Т, Ц, А та ін.), проте не повністю їм ідентичні (антиметаболіти). Конкуруючи з метаболітами, вони порушують синтез нуклеїнових кислот в організмі, що знайшло використання при лікуванні пухлинних захворювань. Наприклад, 5-фторурацил виступає в ролі антагоніста урацилу і тиміну, а 6-меркаптопурин - аденіну:

Нуклеозиди. Азотисті основи, з'єднуючись із пентозами, утворюють сполуки, що одержали назву нуклеозидів. Пуринові основи через 9-й атом азоту, а піримідинові - через 1-й - утворюють N-глікозидний зв'язок із рибозою або 2'-дезоксирибозою. При цьому завжди утворюється β-глікозидний зв'язок (за рахунок відщеплення молекули води яка складається з водню від N9 або N1 основ і гідроксигрупи аномерного атома С-1' рибози):

У залежності від природи пентози нуклеозиди поділяються на рибонуклеозиди і дезоксирибонуклеозиди. Утворюється їх назва як і у всіх глікозидів, наприклад, β-гуанінрибофуранозид або гуанінрибозид. Проте частіше використовуються назви, які походять від тривіальної назви відповідної азотистої основи із закінченням -ідин (-идин) у піримідинових і -озин - у пуринових нуклеозидів: Аденін + Рибоза — Аденозин (А); Гуанін + Рибоза — Гуанозин (Г); Цитозин + Рибоза — Цитидин (Ц); Урацил + Рибоза — Уридин (У); Аденін + 2'-Дезоксирибоза — Дезоксиаденозин (дА); Гуанін + 2'-Дезоксирибоза — Дезоксигуанозин (дГ); Цитозин + 2'-Дезоксирибоза — Дезоксицитидин (дЦ); Тимін + 2'-Дезоксирибоза — Дезокситимідин (дТ). Усі нуклеозиди скорочено позначають символами основ, які входять до їх складу. До назви нуклеозидів, які містять дезоксирибозу, додається буква «д», наприклад, д-цитидин. До складу деяких РНК, крім основних і мінорних нуклеозидів, входить незвичайний нуклеозид псевдоуридин, який позначається символом Ψ. Особливістю його будови є наявність не N-, а С-глікозидного зв'язку, з цим пов'язана його значна стійкість до гідролізу.

Значна роль рибози і дезоксирибози в утворенні нуклеїнових кислот стала обґрунтуванням для створення лікарських засобів методом модифікації природних нуклеозидів. Так, у структурі аденінових нуклеозидів, які є нормальними складовими нуклеїнових кислот (метаболіти), β-рибозу і 2'-дезоксирибозу замінюють у синтетичних лікарських препаратах на епімер β-рибози - β-арабінозу.

Арабінозид аденіну виявляє антивірусну активність. За будовою він близький до природного нуклеозиду, проте незначна зміна в будові й конфігурації С-2'-вуглецевого атома виявилася достатньою для того, щоб ця сполука виконувала роль інгібітора ДНК.

Нуклеотиди - це фосфати нуклеозидів. Найчастіше в нуклеозидах етерифікується гідроксильна група біля С-5' або біля С-3' пентозного залишку. У залежності від будови пентози розрізняють рибонуклеотиди і дезоксирибонуклеотиди.

Нуклеотиди, з одного боку, є складними ефірами нуклеозидів (фосфати), з іншого - кислотами, завдяки наявності в їх складі залишку фосфорної кислоти.

Скорочені позначення АМФ, ЦМФ тощо завжди відносяться до 5'-нуклеотидів. У скороченій назві інших нуклеотидів, наприклад, у 3'-похідних, завжди проставляється положення фосфорної кислоти: 3'-АМФ, 3'-дАМФ і т. ін.

Нуклеотиди входять до складу не тільки нуклеїнових кислот, але й складних ферментних систем. Вони можуть також знаходитися у вільному стані. До нуклеозидмонофосфатів може приєднуватися за допомогою фосфоангідридного зв'язку ще один або два залишки фосфорної кислоти. При цьому утворюються нуклеозиддифосфати та нуклеозидтрифосфати:

АМФ, АДФ і АТФ виконують важливу роль в обмінних процесах організму. Наприклад, АТФ бере участь в енергетичному обміні організму, є однією з основних макроергічних сполук. Під час відщеплення від АТФ однієї або двох молекул фосфорної кислоти, які з'єднані між собою макроергічним зв'язком (~), виділяється 32-42 кДж/моль енергії, тоді як енергія звичайного фосфатного зв'язку - 8-12 кДж/моль. В обміні речовин та енергії беруть участь й інші фосфорильовані нуклеотиди: ГТФ, ЦТФ, УТФ та ін.

Повне написання полінуклеотидних ланцюгів складне і громіздке, тому запропоновано різноманітні схематичні зображення.

Використовують систему літер: літерами А, Г, Ц, Т у ДНК і А, Г, Ц, У в РНК позначають азотисті основи, літерою «Ф» або «Р» -5'-початок полінуклеотидного ланцюга, а 3'-ОН пентози - його кінець. У нашому прикладі: 5'Р-У-А-У-Г-Ц-3'ОН (для РНК) і для ДНК - 5'Р-Т-дА-Т-дГ-дЦ-3'ОН, або ще простіше: 5УАУГЦ-3', 5'ТдАТдГдЦ-3'.

Дослідження первинної структури ДНК показали, що в полінуклеотидних ланцюгах можуть спостерігатися такі закономірності:

1. Повторення окремих нуклеотидних блоків (від 10 до 104 копій), наприклад:

ЦТТЦГАЦТТЦГА ГААГЦТГААГЦТ

2. Переривання блоків, що повторюються, наприклад:

ЦТТЦГААТГЦАЦТТЦГА ГААГЦТТАЦГТГААГЦТ

3. Повторення блоків нуклеотидів у зворотному порядку (зворотні повтори або паліндроми - від від грец. Πάλιν — «назад, знов» та грец. Δρóμος — «біг», разом - перевертень), наприклад:

ЦТТЦГАТЦГААГ ГААГЦТАГЦТТЦ

Послідовність основ в одному з ланцюгів паліндрому збігається з послідовністю основ іншого ланцюга, якщо читати її в протилежному напрямку. Зазначені закономірності мають відношення до прояву біологічної активності ДНК.

Нуклеотидний склад ДНК і РНК. Полінуклеотидні ланцюги нуклеїнових кислот у клітині сполучаються в багатьох випадках з білками, утворюючи нуклеопротеїни. РНК входить до складу рибонуклеопротеїнів (РНП), ДНК - дезоксирибонуклеопротеїнів (ДНП).

Звичайно для встановлення нуклеотидного складу нуклеїнових кислот нуклеопротеїни екстрагують з клітин 1М розчином нейтральних солей. Білкову частину відокремлюють, використовуючи розчин фенолу, суміш хлороформу з ізоаміловим спиртом, а також детергенти, наприклад, додецилсульфат натрію, або використовують розщеплення білків ферментами протеїназами.

Після відокремлення білка нуклеїнову кислоту осаджують, поступово додаючи етиловий спирт, а потім визначають нуклеотидний склад, тобто набір і порядок розташування нуклеотидів, що служить дуже важливою характеристикою нуклеїнових кислот.

Один з основних шляхів визначення складу нуклеїнових кислот ґрунтується на дослідженні продуктів їх гідролізу. Оскільки міжнуклеотидні зв'язки в полінуклеотидах є складноефірними, то вони можуть гідролізуватися як у кислому, так і в лужному середовищі.

Хімічний гідроліз ДНК майже не використовують через ускладнення його побічними процесами. Переважно використовують ферментативний гідроліз за участю ферментів нуклеаз.

Нуклеази специфічні до типу нуклеїнових кислот, їх розділяють на рибонуклеази і дезоксирибонуклеази. Вилучення та ідентифікацію компонентів нуклеїнових кислот здійснюють за допомогою фізико-хімічних методів (хроматографія, електрофорез та ін.). Піримідинові і пуринові основи звичайно ідентифікують за допомогою УФ-спектроскопії.

Крім визначення нуклеотидного складу, важливим завданням є також встановлення нуклеотидної послідовності, тобто порядку чергування нуклеотидів. Загальний підхід полягає у використанні блочного методу. Спочатку полінуклеотидний ланцюг спрямовано розщеплюють на дрібніші блоки, олігонуклеотиди і визначають їхню нуклеотидну послідовність. Для розділення молекул ДНК на фрагменти використовують ферменти рестриктази, оскільки вони «розрізають» молекулу ДНК у визначених місцях, а саме там, де розташовані специфічні послідовності нуклеотидів у ДНК.

На даний час виділено і вивчено велику кількість рестриктаз і складено картотеки їх дії. Використовуючи рестриктази, можна розрізати молекулу ДНК на велику кількість фрагментів, кінцеві послідовності яких відомі, оскільки вони залежать від різновиду використаної рестриктази. Отримані фрагменти розділяють методом електрофорезу в поліакриламідному гелі. Послідовність нуклеотидів у коротких фрагментах ДНК визначають за допомогою ряду методів. Проте необхідно знати, у якому порядку перебувають фрагменти в цілій молекулі ДНК. З цією метою ДНК розрізають за допомогою іншого набору рестриктаз, отримують інший набір фрагментів, а потім знову визначають послідовність нуклеотидів. Перекривання послідовностей, визначених за допомогою різних методів розрізання, дозволяє встановити за допомогою ЕОМ порядок розташування фрагментів. Цей метод визначення послідовності нуклеотидів у ДНК одержав назву секвенірування.

Дезоксирибонуклеїнові кислоти (ДНК)

Структура нуклеїнових кислот краще вивчена в найпростіших живих організмів - прокаріотів (бактерії, рікетсії, мікоплазми, синьо-зелені водорості). У клітинах прокаріотів міститься одна хромосома, яка складається з однієї молекули ДНК, не відокремленої від цитоплазми мембраною (немає оформленого ядра). У клітинах еукаріотів (тварини, рослини, гриби, більша частина різновидів водоростей) знаходиться ядро, оточене мембраною. Ядерний матеріал розподіляється між кількома хромосомами, основу яких складають ДНК, білки (головним чином гістони) і невелика кількість РНК.

ДНК, як і білки, мають первинну, вторинну і третинну структури.

Первинна структура ДНК - кількість, якість і порядок розташування залишків дезоксирибонуклеотидів у полінуклеотидному ланцюзі. Великих успіхів у вивченні структури ДНК досягли Е.Чаргафф і співробітники його лабораторії (Англія), які, використовуючи метод хроматографії, вперше в 1950 р. визначили нуклеотидний склад ДНК, виділеної з різних організмів. Вони встановили, що співвідношення азотистих основ у ДНК підпорядковується універсальним закономірностям, які одержали назву правил Чаргаффа:

1. Сума пуринових (Σ_Пур) нуклеотидів дорівнює сумі піримідинових (Σ_Пір) нуклеотидів

(Σ_Пур = Σ_Пір, або Σ_Пур/Σ_Пірр = 1).

2. Молярний вміст гуаніну дорівнює молярному вмісту цитозину (Σ_Г = Σ_Ц, або Σ_Г/Σ_Ц = 1).

3. Молярний вміст аденіну дорівнює молярному вмісту тиміну (Σ_А = Σ_Т, або Σ_А/Σ_Т = 1).

4. Кількість аденіну і цитозину дорівнює кількості гуаніну і тиміну.

5. У ДНК, виділених з різних джерел (співвідношення нуклеотидів неоднакове): в одних організмів переважає вміст аденіну над гуаніном, тиміну над цитозином, а в інших - навпаки.

У зв'язку з цим Е.Чаргафф запропонував положення про видову специфічність ДНК залежно від нуклеотидного складу. Це положення було всебічно досліджене в лабораторії російського вченого А.М.Білозерського. Його школою було створене унікальне, найповніше у світовій науковій літературі зведення нуклеотидного складу ДНК майже для всіх таксономічних груп організмів.

Вторинна структура ДНК - це просторова організація полінуклеотидних ланцюгів в її молекулі. З'ясування вторинної структури ДНК - одне з найважливіших досягнень у біології, оскільки при цьому одночасно було відкрито механізм передачі спадкової інформації в ряді поколінь. У 1953 р. Дж.Уотсон і Ф.Крік, узагальнюючи роботи багатьох учених (М.Уілкінс, Ф.Фраклін, Е.Чаргафф, А.Тодд, Р.Гослінг, Л.Полінг та ін.), описали вторинну структуру ДНК, зобразивши її у вигляді подвійної спіралі.

Згідно з моделлю Дж.Уотсона та Ф.Кріка, молекула ДНК складається із двох полінуклеотидних ланцюгів, правозакручених навколо спільної осі з утворенням подвійної спіралі, що має діаметр 1,82 нм з періодом ідентичності (кроком) 3,4 нм та відстанню між площинами основ 0,34 нм. Ці два полінуклеотидних ланцюги обвивають один одного, утворюючи праву спіраль, де вуглеводно-фосфатні групи розташовуються ззовні, а нуклеотидні основи - всередині. На кожен виток спіралі припадає 10 пар основ. Азотисті основи двох ланцюгів вибірково з'єднуються між собою водневими зв'язками, утворюючи специфічні пари: А-Т, Г-Ц. Аденін та тимін з'єднуються двома водневими зв'язками, а гуанін та цитозин - трьома:

Такі азотисті основи називаються комплементарними. Специфічне спарювання азотистих основ зумовлює комплементарність, тобто доповнюваність і взаємозалежність ланцюгів ДНК один від одного. Так, якщо в одному ланцюзі ДНК знаходиться послідовність АТГЦ, то в другому ланцюзі йому відповідає послідовність ТАЦГ. Таким чином, послідовність нуклеотидів в одному полінуклеотидному ланцюзі автоматично визначає послідовність нуклеотидів в другому, комплементарному ланцюзі. Водневі зв'язки між комплементарними основами називають «поперечними» взаємодіями на відміну від «вертикальної» взаємодії між площинами цих пар основ, розташованих одна над одною, ніби складених у стоси, звідси ще одна назва - стекінг-взаємодії (від англ. stacking - складання в стоси). Міжплощинні вертикальні взаємодії визначаються ван-дер-ваальсовими силами.

Ланцюги ДНК спрямовані протилежно одне одному: в одному ланцюзі напрямок 5' → 3', в другому - 3' → 5'.

Необхідно зауважити, що конфігурація подвійної спіралі ДНК сильно змінюється в залежності від кількісного вмісту води та іонної сили навколишнього середовища. Методами рентгеноструктурного аналізу доведено існування не менше чотирьох форм ДНК, які одержали назву А-, В-, С- і Т-форм. Конфігурації двох із них у найпростішій формі представлені на рис., з якого видно, що в А-форми спостерігається деяке зміщення пар основ від осі молекули до периферії, що відбивається на розмірах (2,8 нм - довжина одного витка, в якому замість 10 міститься 11 нуклеотидів; змінюється відстань між нуклеотидами та ін.).

На даний час відомо, що між А- і В-формами ДНК здійснюються взаємні переходи. В-форма ДНК найбільше відповідає моделі Дж.Уотсона і Ф.Кріка. Ці переходи, які відбуваються під впливом розчинників або білків, очевидно, мають певний біологічний зміст. Вважається, що в А-формі ДНК виконує роль матриці в процесі транскрипції (синтез РНК на молекулі ДНК), а в В-формі - роль матриці в процесі реплікації (синтез ДНК на молекулі ДНК).

Подвійна спіраль характерна для більшості молекул ДНК. Однак ДНК може мати й інші форми. Так, деякі віруси містять одноланцюгову ДНК; зустрічаються також кільцеві форми ДНК (плазміди).

Третинна структура ДНК. Дослідження будови ДНК показало, що лінійні двоспіральні або кільцеві форми ДНК у просторі утворюють спіралізовані і суперспіралізовані форми, тобто утворюють третинні структури. У частинках вірусів, клітинах бактерій, як і в ядрах вищих організмів, ДНК щільно «упакована» і утворює складні структури. Наприклад, у хромосомі кишкової палички довжина ДНК досягає 1 мм й більше, а довжина клітини не перевищує 5 мкм. Одна з найменших молекул ДНК - вірусна, але якщо ж її розтягнути, то вона буде в багато разів довша, ніж сам вірус. Отже, суперспіралізація в першу чергу необхідна для «упакування» величезної молекули ДНК у малому об'ємі ядра або клітини.

Третинна структура ДНК прокаріотів й еукаріотів має свої особливості, пов'язані з будовою та функціями їх клітин. Для третинної структури ДНК вірусів і бактеріофагів характерною є наявність специфічної суперспіралізації одно- або дволанцюжкових або кільцевих форм. Третинна структура ДНК еукаріотичних клітин утворюється завдяки багаторазовій суперспіралізації молекули, однак, на відміну від прокаріотів, вона реалізується у формі комплексів ДНК з білками.

ДНК еукаріотів майже вся знаходиться в хромосомах ядер, лише невелика її кількість міститься в мітохондріях, а в рослин - ще й у пластидах. Сумарний матеріал хромосом - хроматин - містить ДНК, гістонові і негістонові білки, невелику кількість РНК та іонів металів. Близько 50% хроматину складають прості білки гістони, котрі за вмістом залишків амінокислот аргініну і лізину, поділяються на п'ять груп: Н1, Н2А, Н2В, Н3, Н4. Так, гістон Н1 дуже багатий на лізин, а гістон Н4 - на аргінін. Гістони взаємодіють з ДНК головним чином через іонні зв'язки, котрі утворюються між негативно зарядженими фосфатними групами ДНК і позитивно зарядженими лізи-новими й аргініновими залишками гістонів. Усі гістони зазнають модифікацій: ацетилювання, метилювання, фосфорилювання та полі-АДФ-рибозилювання. При цьому в їх молекулах змінюється розподіл електронної щільності, що призводить до зміни їх здатності взаємодіяти з ДНК. У цьому, очевидно, полягає один з механізмів регуляції дії генів (див. Регуляція біосинтезу білків). Негістонові білки містять велику кількість залишків кислих амінокислот (глутамінової й аспарагінової), тобто є поліаніонами. З цими білками пов'язують специфічну регуляцію активності хроматину.

В організації хромосом виділяють три рівні, які відображають і рівні третинної структури ДНК. Перший рівень - нуклеосомний. Диспергований хроматин виглядає в електронному мікроскопі як ланцюжок намистинок-нуклеосом. Нуклеосома містить ДНК довжиною 160-240 пар нуклеотидів, одну молекулу гістону Н1 і по дві молекули інших груп гістонів (октет гістонів). Гістоновий октамер утворює ядро нуклеосоми, або нуклеосомний кор, який являє собою диск діаметром 11 і товщиною 5,7 нм. На поверхню цього диска намотується ділянка ДНК довжиною 145-150 нуклеотидних пар.

Між коровими частинками розташовані ділянки ДНК - лінкери, їхня довжина змінюється в залежності від типу клітин. Лінкерні ділянки ДНК або є вільними, або зв'язані з гістоном Н1 і негістоновими білками. Близько 90% ДНК входить до складу нуклеосом, а решта ДНК - до складу лінкерних ділянок. Вважають, що нуклеосоми - це фрагменти неактивного хроматину, а лінкерні міжкорові ділянки - фрагменти активного хроматину.

Другий рівень організації хромосом - це утворення із нуклеосомної нитки товстіших фібрил (20-25 нм). Вважають, що фібрили мають форму соленоїдів, які утворюються внаслідок скручування нуклеосомної нитки.

Третій рівень організації хромосом вивчений недостатньо. Існує припущення, що соленоїди утворюють петлі, тобто додатково упаковуються, внаслідок чого зменшуються лінійні розміри ДНК приблизно в 200 разів. Суперспіралізовані петлі являють собою домени ДНК, які розцінюються як одиниці реплікації і транскрипції хроматину. Петлеподібна доменна організація сприяє укладці хроматину, при цьому лінійні розміри ДНК зменшуються в 104 разів.

Цитоплазматична ДНК. У цитоплазмі еукаріотів міститься невелика кількість ДНК (менш ніж 1% усієї ДНК клітини). Вона одержала назву цитоплазматичної і відрізняється від ядерної ДНК нуклеотидним складом і молекулярною масою. Генетична інформація, що міститься в ній, обумовлює цитоплазматичну спадковість. Цитоплазматичні гени знаходяться в мітохондріях і хлоропластах.

Бактеріальні плазміди. У цитоплазмі багатьох бактерій окрім хромосомної ДНК містяться додаткові маленькі кільцеві молекули ДНК, присутність котрих необов'язкова для життя клітини. Вони одержали назву плазмід. Плазміди здатні автономно розмножуватися, стабільно успадковуються. Деякі плазміди можуть включатися в хромосому бактерій; вони називаються епісомами. Дрібні плазміди містять генетичну інформацію в середньому для двох білків, великі можуть кодувати приблизно 200 білків. Дрібних плазмід міститься в бактеріальній клітині декілька десятків, великих - одна-дві. Плазміди виконують як загальні, так і специфічні функції. Всім плазмідам властива, наприклад, здатність до автономної реплікації (відтворення), а також несумісність - дві споріднені плазміди не можуть існувати в одній клітині. Біологічна роль плазмід велика: вони забезпечують бактеріям селективні переваги під час зміни умов навколишнього середовища. Завдяки здатності до переносу й автономної реплікації плазміди широко використовуються в генетичній інженерії.

Мігруючі елементи ДНК. Останнім часом накопичились дані про існування «стрибаючих генів», тобто таких ділянок ДНК, які можуть переміщуватися з одних частин генома в інші. Ці мігруючі елементи ДНК беруть участь у регуляції дії генів та індукції хромосомних перебудов. Вони сприяють здійсненню незвичайних рекомбінаційних перебудов. Є два типи мігруючих елементів прокаріотів: IS-елементи і транспозони.

IS-елементи, інсерційні сегменти (від англ. insertion sequences) або вставні послідовності містять лише ті гени, що необхідні для вбудовування в ДНК. Їх розмір у більшості випадків від 800 до 1400 нуклеотидних пар. IS-елементи впливають як позитивно, так і негативно на експресію (роботу) сусідніх генів, тобто на їх функціонування.

Транспозони - це більш складні мігруючі елементи, до складу яких входить 3000-25000 нуклеотидних пар. Вони подібні до ІБ-елементів, але крім генів, відповідальних за здатність до переміщення, містять також додаткові гени, наприклад, гени стійкості до лікарських препаратів.

Елементи, подібні до ІБ-елементів і транспозонів прокаріотів, відкриті й у ссавців. Мобільні дисперговані гени (МДГ) еукаріотичних організмів нараховують 5000-10000 нуклеотидних пар, які обмежуються паліндромами.

Встановлено, що МДГ впливають на структуру і роботу інших генів. Останнім часом виявлено значну подібність будови транспозонів прокаріотів, МДГ еукаріотів і онкогенних провірусів.

Таким чином, зміни в геномі еукаріотів не обмежуються лише рідкісними мутаціями і генетичними рекомбінаціями. Наявність транспозуючих елементів може виступати як фактор регуляції диференціювання клітин і генної активності, спричиняти мутації. Особливо важливим є те, що висока частота мінливості зумовлюється не лише зазначеними, а й іншими механізмами, аніж тими, які відповідають за мутації, що виникли під впливом екзогенних чинників. Проте у звичайних умовах нестабільні генетичні елементи в переважній більшості заблоковані; тому, хоча уявлення про стабільність еукаріотів і зазнали деяких змін, засади їх залишаються незмінними.

Рибонуклеїнові кислоти (РНК)

Первинна структура РНК - кількість, якість і послідовність розташування залишків рибонуклеотидів у полінуклеотидному ланцюзі. Дослідження первинної структури різних видів РНК свідчать про те, що для них характерна в основному така ж закономірність у співвідношенні нуклеотидів, як і для ДНК. При цьому необхідно мати на увазі, що молекула РНК відрізняється від молекули ДНК: замість тиміну в ДНК у РНК присутній урацил: дезоксирибоза замінена на рибозу; молекула РНК на відміну від ДНК складається (окрім незначної кількості винятків) із одного полінуклеотидного ланцюга; сума пуринових основ у РНК не відповідає сумі піримідинових; молекула РНК менша за молекулу ДНК; але кількість РНК у клітині більша, аніж ДНК; РНК представлена декількома різновидами молекул, які синтезуються на матриці ДНК.

Вторинна структура - це частково спіралізований одинарний полінуклеотидний ланцюг РНК (форма і ступінь спіралізації полінуклеотидного ланцюга РНК у просторі).

Полінуклеотидному ланцюгу РНК властива своєрідна спіралізація: ланцюг закручується сам на себе, утворюючи короткі двоспіральні «шпильки», «петлі», у яких між азотистими основами виникають водневі зв'язки, утворюючи комплементарні пари аденіну з урацилом (А-У), гуаніну з цитозином (Г-Ц). Характерною особливістю вторинної структури РНК є те, що полінуклеотидний ланцюг її спіралізований не повністю (для різних РНК від 10 до 70%). Низький ступінь спіралізації, очевидно, пов'язаний із їх функцією в процесі біосинтезу білка.

Третинна структура РНК характеризується більшою укомплектованістю в просторі і може мати вигляд одиночного ланцюга, компактного стрижня або клубка. Усі три структури можуть переходити одна в одну в залежності від умов навколишнього середовища - концентрації солей, рН, температури і т.ін

Рис. 23. Вторинна структура фрагмента РНК, що містить спіралізовану ділянку зі спареними комплементарними основами.

Рис. 24. Вторинна структура тРНК.

Якщо ДНК міститься головним чином у ядрах клітин, то РНК переважно знаходиться в цитоплазмі, у рибосомах. Загальна роль РНК полягає в безпосередній участі в біосинтезі білка. РНК, що містяться в клітині, відрізняються складом, розміром, функцією і локалізацією. У цитоплазмі містяться кілька РНК: транспортна РНК (тРНК), матрична, або інформаційна (мРНК, або іРНК), рибосомна (рРНК).

Крім перелічених типів РНК, у ядрі клітини виявлена ще одна так звана гетерогенна ядерна РНК (гяРНК). Вона синтезується в ядрі на ДНК і є попередником усіх типів РНК. Утворення різних типів РНК із попередників називають процесингом. Окрім клітинних РНК, існують вірусні РНК, що входять до складу більшості вірусів.

Характеристика основних видів РНК

Транспортна РНК (тРНК). На її частку припадає 10-15% від усієї РНК клітини. Це найбільш низькомолекулярні молекули РНК. Вони містять у собі від 75 до 90 нуклеотидів, М.м. = 23000-30000 дальтон. Раніше їх називали розчинними і позначали sРНК (від англ. soluble - розчинний). Основна функція тРНК полягає в тому, що вони транспортують α-амінокислоти з цитоплазми до місця синтезу білка, тобто до рибосом, і розташовують α-амінокислоти відповідно інформації закладеної кодом ДНК.

Всього в клітинах знаходиться не менше 20 типів тРНК, що відповідає кількості природних L-амінокислот, з якими тРНК взаємодіють у ході трансляції. Первинна структура тРНК відзначається великою кількістю мінорних нуклеотидів — наявністю метильованих, псевдоуридилових та дигідроуридилових залишків. Вторинна структура молекул тРНК у двомірному просторі має конформацію “листка конюшини”, що утворюється за рахунок специфічної взаємодії комплементарних азотистих основ упродовж полірибонуклеотидного ланцюга. Неспарені нуклеотидні послідовності формують специфічні для будови тРНК структурні елементи: Акцепторну гілку (стебло) — 3'-кінець молекули, який містить термінальну послідовність нуклеотидів ЦЦА. Кінцевий аденозин через 3'- гідроксильну групу рибози акцептує амінокислоту в процесі трансляції. Антикодонову петлю — містить групу з трьох нуклеотидів (антикодон), комплементарних триплету нуклеотидів (кодону) в складі мРНК. Ця петля відповідає за взаємодію тРНК із певними нуклеотидами мРНК при утворенні в рибосомі транслюючого комплексу. Дигідроуридилову петлю — складається з 8-12 нуклеотидів, містить у собі 1-4 дигідроуридилові залишки. Псевдоуридилову петлю — ділянка тРНК, яка в усіх молекулах містить обов’язкову нуклеотидну послідовність — 5‘-Т ψψψψψС-3’. Вважають, що ця петля необхідна для взаємодії тРНК із рибосомою. Додаткову гілку — структура, за кількістю нуклеотидних залишків в якій тРНК поділяються на два класи: тРНК класу I — містить 3-5 нук - леотидів; тРНК класу II — з додатковою гілкою, яка має довжину від 13 до 21 нуклеотиду.

Дата добавления: 2015-10-21